Nous avons étudié le transfert de chaleur et de matière au cours de l'histoire de la Terre primitive à de multiples échelles en utilisant des modèles numériques. Deux systèmes différents sont abordés. Tout d'abord, nous nous concentrons sur les premiers stades de la formation du noyau terrestre lorsque le fer se sépare des silicates et descend vers l'intérieur de la planète. Au cours de la différenciation, des interactions chimiques et thermiques se produisent entre les gouttes de fer dispersées dans des silicates fondus formant un océan de magma. Nous étudions le transport chimique des éléments traces à l'intérieur et autour des gouttes. Nous tirons quelques relations fonctionnelles dépendante du régime dynamique d'écoulement et montrons que le système tend à être en équilibre chimique extrêmement rapidement par rapport à l'échelle de temps de la descente de la goutte de fer. Peu de temps après la fin de l'accrétion de la Terre, la fusion extensive de son intérieur profond ainsi que la formation d'un océan de magma en surface a lieu. Comme le rayonnement de la chaleur dans l'espace est très efficace, les silicates fondus superficiels cristallisent très rapidement. L'histoire thermique de la couche liquide enterrée, appelée océan de magma basal (OMB), se déroule sur une longue période de temps et il est proposé que ses restes soient aujourd'hui observables sous forme de poches partiellement fondues au dessus de frontière noyau-manteau. Nous déterminons les paramètres régissant un système convectif dans lequel se produit une transition solide/liquide. Les lois d'échelle ainsi obtenues ont été appliquées à l'OMB et indiquent que la différence de température qui peut être maintenue dans les couches limites supérieure et inférieure de l'OMB est infime. Par conséquent, la température du noyau suit la température de liquidus à la base du manteau et ainsi la vitesse de refroidissement de l'OMB doit être la même que celle du noyau de la Terre.

Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique d'un film liquide mince soumis à une excitation normale à son interface. Cette situation donne lieu à des instabilités dites de Faraday qui, sous certaines conditions, conduisent à la formation de gouttes. Dans le contexte des systèmes d'injection assistée utilisés en propulsion aéronautique, il existe des situations pour lesquelles le courant gazeux n'est pas assez rapide pour éplucher efficacement le film de carburant. Dans ce cas, un forçage des instabilités de Faraday est envisageable pour produire des gouttes de caractéristiques en taille et en flux favorisant une combustion efficace. Dans cette thèse, on s'est intéressé à trois configurations : d'abord la configuration classique de Faraday : un liquide contenu dans un récipient vibrant donc sans écoulement liquide et sans cisaillement aérodynamique. Ensuite, on s'est intéressé à un film mince s'écoulant sur un plan incliné mais toujours en l'absence de cisaillement aérodynamique et enfin, un film mince s'écoulant sur un plan incliné en présence cette fois d'un cisaillement aérodynamique. Ces trois configurations ont été étudiées à travers trois outils : la stabilité linéaire, la simulation numérique directe à capture d'interface et l'approche expérimentale. Pour chaque configuration, les résultats donnés par les différents outils ont été comparés de manière conclusive.

Nous présentons plusieurs expériences d'hydrodynamique interfaciale illustrant des procédés de création, stabilité et rupture d'interfaces fluides, liquide/liquide ou liquide/gaz. Dans un premier temps, nous étudions le processus de fragmentation d'objets déformables, gouttes et bulles, par un obstacle rectangulaire ou une boucle asymétrique placés dans un canal microfluidique. La deuxième partie de ce travail se consacre à des expériences menées avec des bulles et films liquides minces formés à l'aide d'eau savonneuse ou de liquides très visqueux. Après avoir revisité quelques surfaces minimales adoptées par un film de savon à l'équilibre, nous étudions divers mécanismes de formation de bulles et de bulles interfaciales. Dans ces deux parties, nos études sont menées en faisant varier de façon systématique les paramètres hydrodynamiques, physicochimiques et géométriques contrôlant chaque expérience. Nous interprétons les résultats obtenus en microfluidique à l'aide d'arguments simples basés notamment sur l'analogie électro-hydraulique aux bas nombres de Reynolds, tandis que l'analyse dimensionnelle et des lois d'échelle permettent de décrire la plupart des comportements expérimentaux des bulles et films liquides minces.

Nous nous intéressons aux effets en surface induits par un écoulement turbulent, en utilisant une approche expérimentale. Nous étudions un écoulement turbulent de faible épaisseur avec une surface libre. L'écoulement est produit dans un métal liquide à l'aide d'une force électromagnétique. Il présente des tourbillons, des bandes de cisaillement et des ondes, dépendent des conditions de forçage. Trois aspects ont été considérées: la déformation de surface engendré par la turbulence; les effets de la turbulence sur la propagation des ondes; et les effets de la turbulence sur des particules qui flottent à la surface. Concernant la déformation de surface : à mesure que l'on augmente l'intensité du forçage, l'écart type de la déformation augmente de façon linéaire, jusqu'à atteindre le 10% de l'épaisseur du fluide. Les déformations extrêmes peuvent atteindre la moitié de l'épaisseur. A faible forçage, la déformation de surface est principalement liée à la présence des tourbillons, impliquant une distribution de l'hauteur avec un facteur d'asymétrie négatif. Cette observation contraste avec la turbulence d'onde, où une asymétrie est aussi observée, mais avec un facteur d'asymétrie positif, notamment à cause des crêtes pointues dans les ondes de gravité. Le spectre en fréquence de la déformation présente une loi de puissance avec un exposant -5, similaire au spectre de singularité de Phillips. Ainsi, nous avons présenté les empreintes statistiques des tourbillons. Deuxièmement, nous avons considéré un autre aspect de la relation onde-écoulement turbulent : nous avons induit mécaniquement des ondes monochromatiques à la surface de l'écoulement. Lorsque l'écoulement deviens plus intense, nous avons mesure la décroissance et l'élargissement du mode associé à l'onde. Nous avons calculé une moyenne cohérente que souligne l'onde para rapport aux fluctuations turbulentes. Ceci nous permet d'observer la décroissance spatial de l'onde lorsque l'écoulement deviens plus intense. Ces analyses nous ont permit de quantifier une augmentation de l'atténuation des ondes à cause de la turbulence. Si l'on considère des particules qui flottent à la surface du liquide, on s'aperçoit qu'elles ont tendance à former des amas. Ce phénomène est confirmé par une analyse statistique des aires définies par la position des trois particules voisines. Ce faisant, on peut identifier clairement les particules qui appartiennent aux amas. De plus, ces particules présentent une corrélation très forte des vitesses et d'orientation angulaire. Plusieurs mécanismes physiques peuvent induire cette formation des amas: (i) l'inertie des particules ; (ii) des mouvements verticaux secondaires et ; (iii) la déformation de surface. Nous avons construit des quantités pour corréler les effets de concentration de particules avec ses mécanismes. Les corrélations plus importantes sont celles que concernent les mouvements verticaux secondaires, qui l'on interprète comme le mécanisme responsable des effets de concentration.

La faible déformabilité et l'accumulation des neutrophiles (globules blancs) dans les capillaires pulmonaires peuvent entraîner des syndromes de détresse respiratoire. Nous étudions le comportement des neutrophiles grâce à un code numérique diphasique de type Volume Of Fluid dans différentes configurations confinées. Les cellules sont représentées successivement par quatre modèles différents : dans un premier temps, nous les modélisons par un fluide newtonien caractérisé par sa viscosité et sa tension de surface. Le noyau très visqueux qu'elles contiennent est pris en compte dans un second temps sous forme d'un solide non-déformable grâce à une méthode de frontières immergées. Puis les effets élastiques sont considérés en modélisant le cytoplasme de la cellule par un fluide visco-élastique d'Oldroyd-B. Enfin, une membrane élastique est introduite autour du cytoplasme afin de séparer le mouvement du cytoplasme de celui du plasma. Nous examinons le comportement des cellules ainsi modélisées dans trois configurations : une géométrie de canaux en croix générant en son centre des écoulements linéaires, comme le dispositif des rouleaux de Taylor, une contraction isolée et un réseau périodique dans lequel la cellule traverse plusieurs contractions successives. Alors que la première configuration permet de placer les cellules dans des écoulements de déformation ou de cisaillement pur, les deux autres géométries se rapprochent davantage des configurations réelles. Les résultats mettent en évidence les différences de comportement de la cellule selon le modèle choisi. L'introduction d'un fluide visco-élastique diminue la viscosité effective des cellules et facilite ainsi leurs déformations et leur entrée dans les contractions géométriques. La membrane en revanche modifie de manière notable la forme des cellules et diminue leurs déformations. / The low deformability of neutrophils (white blood cells) and their accumulation in pulmonary capillaries may cause acute respiratory distress syndrome. A computational fluid dynamic approach using a Volume Of Fluid method is adapted to simulate the behavior of neutrophils in different confined flow configurations. The white blood cells are successively represented by four different models: in a first time, the cell is modeled as a Newtonian fluid, characterized by a viscosity and a surface tension. In a second step, a non deformable core is added using an immersed boundary method to improve representativity of the model. Then, the cytoplasm of the cell is modeled by a viscoelastic fluid. Finally, the effects of an elastic membrane surrounding the cytoplasm are taken into account so as to separate the motion of the plasma from that of the cell. We discuss the behavior of the cell in three different configurations: an equivalent of the 4-roll mill device obtained with a suitable arrangement of micro-channels joining at right angle, an isolated contraction and a periodic network in which the cell goes through several successive contractions. The results shed light on the differences of the cell behaviors obtained with the various models. The introduction of a viscoelastic fluid in the cytoplasm decreases the effective viscosity of the cell and increases its deformability, allowing an easier entrance in a contraction, whereas the membrane affects the cell shape and decreases its deformation.

Ce mémoire porte sur l'optimisation des systèmes de distribution de fluides incompressibles. Le programme proposé est basé sur un algorithme génétique modifié incluant la méthode d'optimisation des réseaux qui consiste à ajouter des points d'embranchement non consommateurs, ainsi que les techniques de recherche locale et de mutation ciblées. Dans un premier temps, nous définissons un modèle d'optimisation qui consiste à minimiser la puissance de pompage lorsque le volume total du réseau est contraint. Les topologies optimales contiennent donc implicitement les diamètres optimums des conduits. Deux cas complexes de distribution de fluides sont étudiés avec notre programme en prenant ce modèle d'optimisation : la topologie optimale reliant la source placée au centre d'un disque et les consommateurs situés sur la périphérie de ce dernier (2D) et la topologie optimale reliant la source placée au centre d'une sphère et les consommateurs situés sur la surface de cette dernière (3D). Les résultats montrent que les structures optimales qui minimisent le coût de pompage ont des formes de dendrite et d'arbre. Nous démontrons aussi que les meilleures solutions en termes de performance et de robustesse sont obtenues lorsque l'optimisation est libre, sans contraintes géométriques ou structurales imposées. Par la suite, nous nous intéressons à l'optimisation d'un réseau de chauffage urbain, application réelle du problème d'optimisation des systèmes de distribution de fluides. Cette fois-ci le volume n'est plus contraint et la solution optimale recherchée est celle qui minimise plusieurs coûts à la fois : des coûts de fonctionnement, caractérisés par le coût de pompage et le coût de chauffage et des coûts d'achat et d'installation, amortis sur plusieurs années, caractérisés par le volume total du réseau, l'isolant utilisé et les échangeurs thermiques installés dans chaque nœud consommateur. Un nouveau modèle est ainsi défini et nous étudions plusieurs scénarios, basés sur les coûts économiques des projets. Nos résultats montrent l'efficacité et la pertinence de notre programme pour résoudre ce type de problèmes, qualifiées de NP-difficiles. De plus, nous démontrons que pour les cas étudiés, le coût thermique prédomine sur le coût de pompage, ce qui mène à des topologies optimales qui se rapprochent du réseau le plus court. / Fluid distribution networks are present in many engineering applications like water, oil or gas pipelines, district heating or cooling systems (DHS or DCS) and electronics cooling devices or heat exchangers. In order to meet modern engineering needs, such systems must be optimized to achieve better performance. In this paper we take a fresh look at the design of minimal cost fluid distribution networks under global constraints by introducing a program based on a modified genetic algorithm (MGA) including Gilbert-Steiner optimization points approach, local search and targeted mutation procedures. This work is divided as follows: first, pumping power is regarded as the cost function and volume and continuity constraints are added to the mathematical model. This led us to the study of 2D and 3D complex fluid distribution systems: discshaped and sphere-shaped networks. Large dimension problems are analyzed with our program and results show that dendrites combined with tree-shaped structures are those who perform the best in order to meet minimum pumping power needs. Moreover, our study in chapter VI demonstrates that "free optimization", i.e. no geometric structure assumption, leads to higher performance and more robust designs. Next, we take a look at the optimization of DHS, for which energy equation is added to the mathematical formulation of the problem and volume constraint is relaxed. Cost function is enlarged to network construction and operational costs. A new model is defined, so that this problem can be regarded as a multi-criteria minimum spanning tree network, for which GA have proven to be highly efficient. Different scenarios, based on economic analysis for industrial projects, are analysed with our program. Our results show that in such systems, thermal needs are higher than pumping power needs, leading to shortest trees.

Cette étude s'intéresse à une méthode vortex lagrangienne 2-D permettant de simuler des écoulements incompressibles externes autour de multiples corps en mouvement arbitraire. L'implantation initiale de la méthode a été développée à 1' Université Catholique de Louvain puis des modifications ont été apportées en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique pour prendre en compte le mouvement et la présence simultanée de plusieurs corps. Cependant, ces modifications n'étaient pas validées et aucune méthode de calcul des forces et du moment sur les corps individuellement n'était disponible. Au sein de cette étude, plusieurs approches de calcul des forces et du moment sont présentées et détaillées, toutes ayant la particularité de ne pas nécessiter la connaissance du champ de pression de l'écoulement. La première approche utilise des surfaces de contrôle englobant chaque corps ainsi que la surface même des corps. La seconde est développée à partir d'une surface de contrôle à l'infini et ne peut fournir que les forces nettes totales sur l'ensemble des corps en présence. La troisième approche ne requiert que de l'information (vitesse et vorticité) à la surface des corps et elle est la seule pour l'instant qui permet de fournir également le moment de force. Toutes ces approches ainsi que les modifications effectuées pour prendre en compte le mouvement sont validées pour des écoulements à bas Reynolds autour de corps en translation et rotation combinés. Les cas d'un cylindre unique, de deux cylindres en tandem et d'une aile oscillante sont étudiés. Les comparaisons sont effectuées à l'aide de résultats produits par le code commercial eulérien de volumes finis Fluent 6.2. Les résultats mettent en évidence l'habilité de la méthode vortex à capturer précisément la dynamique des fluides, ainsi que l'efficacité de chacune des méthodes de calcul des forces et du moment. / This work is about a 2-D lagrangian vortex method allowing simulation of external incompressible flow around arbitrary moving bodies. The initial implementation of the method was developed at Université Catholique de Louvain and adapted for multiple moving bodies in collaboration with Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique. However, these modifications were not validated and no method of force and moment calculation on individual body was available. In this study, several approaches of force and moment calculation are presented and detailed, ail of which do not require information on the pressure field. The first approach uses control surfaces surrounding each body as well as the body surfaces themselves. The second one is developed from a control surface taken at infinity and can only provide total net forces on ail bodies taken together. The third one requires information (velocity and vorticity) only at body surfaces. The latter is the only approach considered up to now that can provide moment of force on the bodies. Ail three methods as well as ail the modifications that were implemented to adapt the solver to moving bodies are validated for low Reynolds number flows around bodies undergoing combined translation and angular motion. Cases of a single cylinder, two cylinders in tandem, and oscillating airfoil are studied. Comparisons are then made with results obtained with the eulerian finite volume commercial code Fluent 6.2. Results show the ability of the vortex method to correctly capture fluid dynamics, as well as the efficiency of each method for the force and moment calculations.

Le travail de cette thèse vise à contrôler la formation d'une structure fortement ordonnée à l'échelle supramoléculaire d'un liquide associé, par dilution dans un liquide aprotique, le toluène, ou par confinement dans des silicates mésoporeux, le MCM-41. Le tert-butanol est probablement l'une des molécules les plus simples qui forme des agrégats stabilisés par liaisons d'hydrogènes. En volume, une forte perturbation de la distribution des agrégats est étudiée dans le mélange par la diffusion de neutrons (disparition du prépic), la diffusion Raman (disparition des agrégats de types n-mères) et par la RMN (déplacement chimique du proton hydroxyle). Sous confinement, un phénomène remarquable de nanoségrégation des mélanges dans les pores conduit à des structures concentriques tubulaires de type coeur-gaine. Ces nanostructurations peuvent être similaires à une nano-démixtion induite par l'interface des pores, dont l'observation pour un mélange miscible et homogène macroscopiquement est tout à fait originale. En plus, la variation de la densité et des fluctuations de la concentration à l'échelle mésoscopique a été observée sous confinement par des mesures de diffraction s'appuyant sur l'effet de contraste isotopique. Enfin, l'étude de la dynamique vitreuse et rotationnelle, mesurée par spectroscopie diélectrique, montre une distribution importante des modes de relaxation. Le comportement non-trivial des propriétés dynamiques indique la présence d'une compétition entre effets de dilution, d'interaction de surface et de nanoségrégation.

Ce travail de thèse expérimental porte principalement sur deux études concernant la dynamique collective de particules dans des écoulements à très faible nombre de Reynolds et dans des environnements confinés. Dans ces systèmes les particules interagissent via des couplages hydrodynamiques à longue portée d'origine géométrique ou topologique. Le thème général faisant le pont entre ces deux études est la notion de réversibilité hydrodynamique. De part les méthodes mises en oeuvre pour aborder ces problèmes, cette thèse se place à l'interface de trois grands domaines de la physique: l'hydrodynamique, la matière molle et les systèmes dynamiques. Le premier système est un ensemble de gouttes micrométriques confinées dans une cellule de Hele-Shaw et soumis à un écoulement sinusoïdal afin de sonder la nature réversible de la dynamique. Cette expérience d'écho caractérisée par une dynamique microscopique complètement réversible met en évidence une transition de phase du premier ordre entre un état macroscopique réversible en dessous d'une certaine amplitude d'oscillation et un état macroscopique irréversible au dessus de cette amplitude. De plus, il est montré que cette transition n'est pas seulement dynamique mais également structurale. La seconde étude correspond quant à elle à une expérience de trafic dans un réseau de boucles microfluidiques où la dynamique asymptotique du système à 3 corps est étudiée de manière extensive. En combinant des études numériques, analytiques et expérimentales, il est montré que cette dynamique de trafic est Hamiltonienne et réversible.

Nous étudions expérimentalement différentes configurations du transport de particules solide dans le réseau de canaux fluides (bords de Plateau) d'une mousse liquide. Dans un premier temps, la perméabilité de la mousse est mesurée à l'échelle d'un canal fluide puis de l'ensemble du réseau de canaux pour deux solutions moussantes conférant des mobilités interfaciales significativement différentes. Un modèle d'écoulement, basé sur une description fine de la géométrie des canaux de la mousse ainsi que sur un nombre de Boussinesq constant pour une solution donnée, permet de rendre compte de tous les résultats expérimentaux sur une large gamme de fraction volumique de liquide. Dans un second temps nous mesurons, à l'échelle d'un canal fluide, la vitesse d'une particule convectée par le liquide pour différents rapports d'aspect particule / canal. Pour des petits rapports d'aspects, nous mesurons des vitesses de particules anormalement faibles. Ces mesures nous permettent de mettre en évidence des contre-écoulement à la jonction du bord de Plateau et des films. Pour expliquer cet effet, nous proposons un modèle de recirculation du tensioactif faisant intervenir l'élasticité de Gibbs. Nous abordons ensuite le cas d'une particule piégée dans le réseau de canaux de la mousse. Nous abordons ensuite le cas d'une particule piégée dans le réseau de canaux de la mousse. Nous montrons que le seuil de rétention de la particule est déterminé par l'équilibre des forces hydrodynamique et capillaire. Finalement, le cas du colmatage d'un nœud de mousse est abordé