Nous proposons ici un nouveau système, une mousse stimulable par la lumière : un stimulus UV permet de déclencher une déstabilisation rapide et locale d'une mousse pourtant stable à la lumière ambiante. Cette mousse est constituée d'un tensio-actif photo-stimulable synthétisé au laboratoire. Sa queue hydrophobe, contenant un groupe azobenzène, change de conformation de façon réversible par application de stimulus UV et bleu. Tout d'abord, cette étude prouve que les deux formes isomères du tensio-actif (cis et trans) ont une affinité très différente pour l'interface eau-air. On démontre qu'alors le stimulus lumineux génère un flux de désorption de tensio-actifs à l'interface. Ce flux à l'échelle moléculaire se répercute ensuite à toutes les échelles de la mousse photo-stimulée : 1. Sur une interface eau-air, le stimulus modifie fortement l'adsorption du tensioactif. Ainsi la tension de surface peut être finement contrôlée par l'intensité lumineuse. 2. Sur un film de savon mince (épaisseur h<100nm), les interactions électrostatiques sont modifiées par le stimulus en quelques secondes. Ainsi l'épaisseur du film devient instable et apparaissent des objets que l'on caractérise. 3. Enfin, dans un réseau de quelques films de savon, des écoulements de Marangoni s'avèrent assez importants pour s'opposer au drainage des films. Leur dynamique est déterminée par les flux de désorption des tensio-actifs et contrôlée par l'intensité. 4. Finalement, la description des flux à ces différentes échelles permet de discuter de la déstabilisation rapide à l'échelle de la mousse, mais également de mieux comprendre le ralentissement local du drainage observé sous UV.

L’objet de cette thèse est de modéliser et de simuler des écoulements turbulents diphasiques incompressibles à phases non miscibles. La modélisation et la simulation de ce type d’écoulements sont traitées dans le cadre des méthodes de Simulation des Grandes Echelles (SGE) ou Large Eddy Simulation (LES) en anglais qui consistent à calculer directement les plus grandes structures de l’écoulement et à modéliser les plus petites. Ces méthodes adaptées aux écoulements turbulents monophasiques sont étendues au cadre des écoulements turbulents diphasiques. Pour cela, elles sont couplées avec une méthode eulérienne de type ’ Volume Of Fluid’ (VOF) spécifique au caractère diphasique de l’écoulement. La pertinence du couplage entre les modélisations SGE et VOF est testée sur la configuration industrielle proposée par le CEA-CESTA: l’impact d’un jet rond turbulent sur une surface libre eau/air dans une cavité. Des mesures expérimentales de vitesse (Particle Image Velocimetry PIV) réalisées au CEA-CESTA sont disponibles pour valider les résultats numériques issus des simulations. / The scope of this dissertation is to model and simulate non-miscible two-phase turbulent and incompressible flows. The modeling and the simulation of this kind of flows are carried out in the framework of the Large Eddy Simulation (LES) which consists in calculating directly the largest structures of the flow and in modeling the finest ones. These numerical methods, applied usually to the simulation of single-phase turbulent flows, are extended to the simulation of two-phase turbulent flows in this work. Hence, the LES methods are coupled with an Eulerian ’Volume of Fluid’ (VOF) approach which is particularly adapted to interfacial flows. The relevance of this numerical coupling bewtween LES and VOF methods is validated in the following industrial configuration of the CEA-CESTA: the impact of a turbulent round jet on a free water/air surface in a cavity. Some experimental velocity measurements (Particle Image Velocimetry PIV), carried out at the CEA-CESTA, are available to validate the numerical results.

Considérant une particule isolée, la différence principale entre un colloïde actif et un colloïde passif réside dans le temps de persistance du régime balistique. La transition du régime balistique vers le régime diffusif est déterminée dans les deux cas par des coefficients de friction ou de manière équivalente par des coefficients de diffusion. Le mouvement d’une particule colloïdale passive micrométrique est diffusif lorsqu’il est observé sur des intervalles de temps d’au moins une microseconde, suffisamment longs pour que la direction de la quantité de mouvement soit rendue aléatoire par des collisions avec les molécules de solvant. A l’échelle macroscopique ces collisions se traduisent par un coefficient de friction de translation. Pour une particule colloïdale active, un mouvement diffusif est observé pour des intervalles de temps de plusieurs secondes, suffisamment longs pour que la direction d’auto-propulsion soit rendue aléatoire par la diffusion rotationnelle de la particule.Dans cette thèse, nous étudions le mouvement d’une particule colloïdale active déposée à la surface de l’eau. Des particules Janus aux propriétés catalytiques ont été préparées par dépôt de platine métal à la surface de particules de silice. La profondeur d’immersion des particules ainsi que leur orientation par rapport à la surface de l’eau ont été caractérisées et discutées en tenant compte des propriétés de mouillage non-uniformes de la surface des particules Janus. Le mouvement de particules isolées en présence de quantités variables d’eau oxygénée utilisée comme source d’énergie, a été enregistré par vidéo-microscopie optique et les trajectoires analysées en termes de déplacement carré moyen et de fonction d’auto-corrélation des vitesses. L’observation de deux types de trajectoires, rectilignes et circulaires, révèle la force effective ainsi que le couple induit par la décomposition catalytique de l’eau oxygénée à la surface de la particule Janus. Le résultat principal de ce travail est que le mouvement des particules actives confinées à l’interface persiste plus longtemps dans le régime balistique que celui de particules actives totalement immergées en solution. Ceci est dû au confinement qui réduit le nombre de degrés de liberté de rotation mais aussi aux conditions de mouillage partiel qui font apparaître des contributions supplémentaires à la friction de rotation. / At the single-particle level, the main difference between active colloids and passive ones is the time scale over which the motion crosses over from ballistic to diffusive regime. In both cases, friction coefficients or equivalently diffusion coefficients determine this time scale. For instance, the motion of a passive colloid of 1m radius is diffusive when observed over lag times longer than a microsecond, once the direction of its momentum has been randomized by collisions with solvent molecules. At the macroscopic scale these collisions are accounted for by the translational friction coefficient. For an active colloid the effective diffusive behavior observed over lag times larger than few seconds results from the randomization of the direction of self-propulsion by rotational diffusion. In this thesis we investigated the motion of an active Janus colloid trapped at air-water interface. Spherical catalytic Janus colloids have been prepared through the deposition of platinum metal at the surface of silica particles. Immersion depth of the Janus colloid as well as their orientation with respect to the water surface, has been characterized and interpreted in terms of the non-uniform wetting properties of the Janus particles. The motion of the active Janus colloids in the presence of various concentration of hydrogen peroxide H2O2 as fuel was characterized by video microscopy and the trajectories analyzed through the mean square displacement and the velocity autocorrelation function. The types of trajectories, directional and circular ones that we observed in our experiments, revealed the effective force and torque induced by the catalytic decomposition of H2O2. At the water surface, active colloids perform more persistent directional motions as compared to the motions performed in the bulk. This has been interpreted as due to the loss of degrees of freedom resulting from the confinement at interface and also to the partial wetting conditions that possibly bring new contributions to the rotational friction at interface.

Les remblais argileux sont fréquemment exposés à des cycles de séchage et d'humidification. Ce mémoire analyse les effets de ces cycles sur le comportement observé de deux ouvrages expérimentaux en sols argileux non saturés. Les sols ont été caractérisés en laboratoire, puis le comportement des remblais a été modélisé en éléments finis (module CSNS de CESARLCPC). Les développements numériques effectués pour améliorer la modélisation numérique de la consolidation des sols non saturés ont été validés.

Ce travail porte sur l'étude expérimentale et théorique du comportement des gouttelettes d'eau (instabilité, déformation, coalescence), déposées à la surface d'un isolateur composite haute tension, en présence d'un champ électrique. La déformation des gouttelettes d'eau est étudiée en fonction de plusieurs paramètres tels que le volume, le nombre et la conductivité des gouttelettes ainsi que leurs positions par rapport aux électrodes. Un intérêt particulier est porté à la charge accumulée sur la surface d'une gouttelette. L'influence des gouttelettes sur la répartition du champ électrique ainsi que le facteur d'amplification du champ électrique par une méthode numérique sont étudiés. Une formulation mathématique de la déformation d'une gouttelette d'eau posée sur une surface d'isolateur est développée. Les mécanismes ainsi que les paramètres impliqués dans la coalescence d'une paire de gouttelettes d'eau sous l'effet du champ électrique sont également traités. Un modèle mathématique permettant d'analyser la coalescence d'une paire de gouttelettes d'eau posées sur la surface d'un isolateur en présence du champ électrique est proposé. Ce modèle est basé sur une approche à interface diffuse qui consiste essentiellement en un couplage entre les équations de Navier-Stokes, le calcul de la force électrique et une équation de type Cahn-Hilliard décrivant l'évolution de l'interface en prenant en compte les phénomènes de tensions superficielles. La démarche suivie et les résultats présentés dans ce travail ouvrent de multiples perspectives tant d'un point de vue expérimental que d'un point de vue de la modélisation et de la simulation numérique des phénomènes physiques intervenant sur des isolateurs de lignes de transport et de distribution de l'énergie électrique dans des conditions d'humidité (pluie, rosée ...).

La compréhension des écoulements multiphasiques dans les évaporateurs à mini-canaux est primordiale pour la performance des boucles de climatisation dans le secteur automobile notamment. Cette thèse s’est principalement intéressée à l’écoulement d’entrée de tels évaporateurs ainsi qu’à la répartition des phases dans les mini-canaux. Dans un premier temps, l’écoulement adiabatique diphasique en entrée d’évaporateur a été étudié. Un dispositif expérimental transparent, respectant au mieux la géométrie d’entrée de l’évaporateur, a été réalisé afin de reproduire l’écoulement diphasique d’entrée en eau-air mais en respectant les régimes d’écoulement rencontrés avec du R134a. Plusieurs techniques de caractérisation ont été mises en œuvre (visualisation, conductimétrie, tube de Pitot et prises de pression) afin de quantifier les pertes de pression, les épaisseurs de film et les vitesses du gaz dans un régime principalement annulaire. Suivant le même principe, un autre module en acier-inox a été développé pour caractériser l’écoulement directement en entrée d’évaporateur avec du réfrigérant R134a. Dans un second temps, nous avons étendu l’étude au cas d’un évaporateur compact à mini-canaux. Dans deux situations adiabatiques : monophasique (eau) et diphasique (eau-air), les pertes de pression, la répartition des phases le long de l’évaporateur et le régime d’écoulement dans les mini-canaux ont été étudiés sur un échangeur fabriqué en polycarbonate dont la géométrie s’approche au mieux de celle d’un échangeur réel. Les nombreux résultats ainsi obtenus constituent une base de données conséquente utile à la simulation numérique de ce type d'écoulements diphasiques / Understanding of multiphase flows in mini-channel evaporators is essential for the performance of air-conditioning systems, particularly in automotive sector. This thesis is mainly interested in behavior of inlet flow and phase distribution in the mini-channels. Initially, an adiabatic two-phase flow at the evaporator's inlet was studied. A transparent experimental apparatus with the same geometry as an evaporator's inlet has been designed. This test section helped us to reproduce the same flow regimes with air-water as flow regimes encountered with R134a in an evaporator. Several characterization techniques were used (visualization, conductance probes, Pitot tube and pressure taps) to determine pressure losses, liquid film thickness and gas velocity in a predominantly annular flow regime. Following the same principle, another experimental facility in stainless steel was developed to directly characterize the R134a flow at the evaporator's inlet. Finally, we have extended the study to the case of a compact evaporator in two adiabatic situations: single-phase (water) and two-phase (air-water). Pressure losses, phase distribution along the evaporator and flow regime in mini-channels were studied on an evaporator made of transparent materials (polycarbonate) with a close geometry to that of a real evaporator. Numerous results were obtained to provide a consistent database that would be useful for numerical simulation of this type of two-phase flows

Ce travail porte sur l’étude expérimentale et théorique du comportement des gouttelettes d’eau (instabilité, déformation, coalescence), déposées à la surface d’un isolateur composite haute tension, en présence d’un champ électrique. La déformation des gouttelettes d’eau est étudiée en fonction de plusieurs paramètres tels que le volume, le nombre et la conductivité des gouttelettes ainsi que leurs positions par rapport aux électrodes. Un intérêt particulier est porté à la charge accumulée sur la surface d’une gouttelette. L’influence des gouttelettes sur la répartition du champ électrique ainsi que le facteur d’amplification du champ électrique par une méthode numérique sont étudiés. Une formulation mathématique de la déformation d’une gouttelette d’eau posée sur une surface d’isolateur est développée. Les mécanismes ainsi que les paramètres impliqués dans la coalescence d’une paire de gouttelettes d’eau sous l’effet du champ électrique sont également traités. Un modèle mathématique permettant d’analyser la coalescence d’une paire de gouttelettes d’eau posées sur la surface d’un isolateur en présence du champ électrique est proposé. Ce modèle est basé sur une approche à interface diffuse qui consiste essentiellement en un couplage entre les équations de Navier-Stokes, le calcul de la force électrique et une équation de type Cahn-Hilliard décrivant l’évolution de l’interface en prenant en compte les phénomènes de tensions superficielles. La démarche suivie et les résultats présentés dans ce travail ouvrent de multiples perspectives tant d’un point de vue expérimental que d’un point de vue de la modélisation et de la simulation numérique des phénomènes physiques intervenant sur des isolateurs de lignes de transport et de distribution de l’énergie électrique dans des conditions d’humidité (pluie, rosée ...). / This work is devoted to experimental and theoretical study of the behavior of water droplets (instability, deformation, coalescence), located on the surface of a high voltage composite insulator, in presence of electric field. The deformation of droplets is investigated according to several parameters such as volume, number and conductivity of the droplets as well as their positions with respect to the electrodes. A particular interest is focused on the electric charge accumulated on the droplet surface. The droplet influences on the electric field distribution as well as the amplification factor of the electric field are studied by a numerical method. A mathematical formulation of the deformation of water droplet located on a surface of insulator is developed. The mechanisms as well as parameters involved in coalescence of a pair of water droplets under the electric field stress are also investigated. A mathematical model is developed for analyzing the coalescence of a pair of water droplets sitting on the surface of an insulator in presence of the electric field. It is based on a diffuse interface model that essentially consists of a coupling between Navier-Stokes equations, the computing of electric force and a Cahn-Hilliard type equation describing the interface evolution including capillary phenomena. The approach followed and the results presented in this work open several perspectives as well from an experimental point of view as from a point of view of modeling and numerical simulation of physical phenomena affecting insulators of high voltage transport and distribution lines in humidity conditions (rain, dew...).

Ce travail est consacré à la modélisation mathématique et numérique des écoulements eau-air en conduite qui interviennent notamment dans les centrales de production d’électricité ou les réseaux d’eaux usées. On s’intéresse particulièrement aux écoulements mixtes caractérisés par la présence de régimes stratifiés pilotés par des ondes gravitaires lentes, de régimes en charge ou secs (conduite remplie d’eau ou d’air) pilotés par des ondes acoustiques rapides, et de poches d’air piégées. Une modélisation précise de ces écoulements est nécessaire afin de garantir le bon fonctionnement du circuit hydraulique sous-jacent. Alors que la plupart des modèles disponibles dans la littérature se concentrent sur la phase eau en négligeant la présence de l’air, un modèle bicouche compressible prenant en compte les interactions eau-air est proposé dans cette thèse. Sa construction réside dans l’intégration des équations d’Euler barotropes sur la hauteur de chaque phase et dans l’application de la contrainte hydrostatique sur le gradient de pression de l’eau. Le modèle obtenu est hyperbolique et satisfait une inégalité d’entropie en plus d’autres propriétés mathématiques notables, telles que l’unicité des relations de saut ou la positivité des hauteurs et densités de chaque phase. Au niveau discret, la simulation d’écoulements mixtes avec le modèle bicouche compressible soulève plusieurs défis en raison de la disparité des vitesses d’ondes caractérisant chaque régime, des processus de relaxation rapide sous-jacents, et de la disparition de l’une des phases dans les régimes en charge ou sec. Une méthode à pas fractionnaires implicite-explicite est alors développée en s’appuyant sur la relaxation rapide en pression et sur le mimétisme avec les équations de Saint-Venant pour la dynamique lente de la phase eau. En particulier, une approche par relaxation permet d’obtenir une stabilisation du schéma en fonction du régime d’écoulement. Plusieurs cas tests sont traités et démontrent la capacité du modèle proposé à gérer des écoulements mixtes incluant la présence de poches d’air piégées. / The present work is dedicated to the mathematical and numerical modelling of transient air-water flows in pipes which occur in piping systems of several industrial areas such as nuclear or hydroelectric power plants or sewage pipelines. It deals more specifically with the so-called mixed flows which involve stratified regimes driven by slow gravity waves, pressurized or dry regimes (pipe full of water or air) driven by fast acoustic waves and entrapped air pockets. An accurate modelling of these flows is necessary to guarantee the operability of the related hydraulic system. While most of available models in the literature focus on the water phase neglecting the air phase, a compressible two-layer model which accounts for air-water interactions is proposed herein. The derivation process relies on a depth averaging of the isentropic Euler set of equations for both phases where the hydrostatic constraint is applied on the water pressure gradient. The resulting system is hyperbolic and satisfies an entropy inequality in addition to other significant mathematical properties, including the uniqueness of jump conditions and the positivity of heights and densities for each layer. Regarding the discrete level, the simulation of mixed flows with the compressible two-layer model raises key challenges due to the discrepancy of wave speeds characterizing each regime combined with the fast underlying relaxation processes and with phase vanishing when the flow becomes pressurized or dry. Thus, an implicit-explicit fractional step method is derived. It relies on the fast pressure relaxation in addition to a mimetic approach with the shallow water equations for the slow dynamics of the water phase. In particular, a relaxation method provides stabilization terms activated according to the flow regime. Several test cases are performed and attest the ability of the compressible two-layer model to deal with mixed flows in pipes involving air pocket entrapment.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La première partie de cette thèse est une étude expérimentale de l'adsorption de complexes polyélectrolytes/tensioactifs de charge opposée à l'interface eau-air à l'aide la tensiométrie, l'ellipsométrie et l'observation de drainage de films de savon. Ces complexes peuvent former des globules hydrophobes s'adsorbant en des couches épaisses et hétérogènes, aux temps de réarrangement très longs. La structure et l'épaisseur des couches dépend fortement du ratio des concentrations tensioactif/polyélectrolyte et de l'hydrophobie du tensioactif, qui permettent de modifier l'affinité des complexes pour la surface. De plus, la masse moléculaire du polyélectrolyte contrôle la taille des complexes formés. La deuxième partie traite de la rhéologie de surface en cisaillement et en dilatation de ces couches de complexes. Les mesures montrent la formation de gels physiques mous de surface. Enfin, nous présentons les détails de la construction d'un viscosimètre magnétique de surface.