Un milieu poreux ou un matériau poreux comprend deux régions interconnectées : une perméable par un gaz ou un liquide et l’autre imperméable. Beaucoup de substances naturelles comme les roches, le sol et les tissus biologiques (par exemple, os, bio-membranes) sont poreuses ainsi que les matériaux manufacturés comme les ciments et les céramiques, etc. Les matériaux poreux ont des applications technologiques importantes et nombreuses, par exemple, comme tamis moléculaires, catalyseurs ou senseurs chimiques. Il existe un nombre très important d’études en expérience et en théorie pour comprendre la structure des matériaux poreux ainsi que les propriétés des substances confinées dans ces matériaux. Dans leur travail de pionnier, Madden et Glandt ont proposé un modèle très simple pour l’adsorption de fluide dans des milieux poreux désordonnés. Dans ce modèle, on forme la matrice en prenant une configuration figée instantanément d’un système à l’équilibre (“quench” en anglais) et puis un fluide est introduit dans une telle matrice. Récemment, T. Patsahan, M. Holovko et W. Dong ont généralisé la “scaled particle theory” (SPT) aux fluides confinés et obtenu ainsi des équations d’état analytiques pour un fluide de sphère dure dans plusieurs modèles de matrice. Dans un premier temps, j’ai développé la version de la SPT pour un mélange de sphères dures additives confiné en milieu poreux. Les expressions pour les valeurs au contact de différentes fonctions de distribution ont été obtenues également. J’ai effectué aussi des simulations de Monte Carlo. Les résultats de ces simulations sont utilisés pour valider les résultats théoriques. Ensuite, j’ai étudié aussi la séparation de phase d’un mélange binaire des sphères dures non additives confiné dans un milieu poreux. Pour obtenir l’équation d’état, nous avons utilisé une théorie de perturbation en prenant un fluide de sphères dures additive comme système de référence. Les résultats donnés par cette théorie sont en bon accord avec les résultats de simulation Monte Carlo. / A porous medium or a porous material (called as frame or matrix also) usually consists of two interconnected rejoins: one permeable by a gas or a liquid, i.e., pore or void, and the other impermeable. Many natural substances such as rocks, soils, biological tissues (e.g., bio membranes, bones), and manmade materials such as cements, foams and ceramics are porous materials. Porous materials have important technological applications such as molecular sieve, catalyst, chemical sensor, etc. In recent years, there have been considerable investigations for understanding thoroughly the structure of these materials as well as the behavior of substances confined in them. Much effort (both experimental and theoretical) has been devoted to the study of porous materials. In their pioneering work, a very simple model for the fluid adsorption in random porous media was proposed by Madden and Glandt. The matrix in Madden-Glandt model is made by quenching an equilibrium system. Then, a fluid is adsorbed in such a matrix. Recently, T. Patsahan, M. Holovko and W. Dong have extended the scaled particle theory (SPT) to confined fluids and derived analytical equations of state (EOS) for a hard sphere (HS) fluid in some matrix models. In this thesis, using SPT method, I obtained the equation of state of additive hard-sphere (AHS) fluid mixtures confined in porous media. The contact values of the fluid-fluid and fluid-matrix radial distribution functions (RDF) were derived as well. The results of the contact values of the RDFs and the chemical potentials of different species were assessed against Monte Carlo simulations. Moreover, I analyzed also the fluid-fluid phase separation of non-additive hard sphere (NAHS) fluid confined in porous media. An equation of state is derived by using a perturbation theory with a multi-component fluid reference. The results of this theory are in good agreement with those obtained from semi grand canonical ensemble Monte Carlo simulations.

Dans cette thèse, nous avons étudié la simulation numérique des phénomènes d'interaction fluide-structure entre un fluide compressible et une structure déformable. En particulier, nous nous sommes intéressés au couplage par une approche partitionnée entre une méthode de Volumes Finis pour résoudre les équations de la mécanique des fluides compressibles et une méthode d'Eléments discrets pour le solide, capable de prendre en compte la fissuration. La revue des méthodes existantes de domaines fictifs ainsi que des algorithmes partitionnés couramment utilisés pour le couplage conduit à choisir une méthode de frontières immergées conservative et un schéma de couplage explicite. Il est établi que la méthode d'Eléments Discrets utilisée permet de retrouver le comportement macroscopique du matériau et que le schéma symplectique employé assure la préservation de l'énergie du solide. Puis nous avons développé un algorithme de couplage explicite entre un fluide compressible non-visqueux et un solide indéformable. Nous avons montré des propriétés de conservation exacte de masse, de quantité de mouvement et d'énergie du système ainsi que de consistance du schéma de couplage. Cet algorithme a été étendu au couplage avec un solide déformable, sous la forme d'un schéma semi-implicite. Cette méthode a été appliquée à l'étude de problèmes d'écoulements non-visqueux autour de structures mobiles : les comparaisons avec des résultats numériques et expérimentaux existants démontrent la très bonne précision de notre méthode / This work aims at the numerical simulation of compressible fluid/deformable structure interactions. In particular, we have developed a partitioned coupling algorithm between a Finite Volume method for the compressible fluid and a Discrete Element method capable of taking into account fractures in the solid. A survey of existing fictitious domain methods and partitioned algorithms has led to choose an Embedded Boundary method and an explicit coupling scheme. We first showed that the Discrete Element method used for the solid yielded the correct macroscopic behaviour and that the symplectic time-integration scheme ensured the preservation of energy. We then developed an explicit coupling algorithm between a compressible inviscid fluid and an undeformable solid. Mass, momentum and energy conservation and consistency properties were proved for the coupling scheme. The algorithm was then extended to the coupling with a deformable solid, in the form of a semi-implicit scheme. Finally, we applied this method to unsteady inviscid flows around moving structures: comparisons with existing numerical and experimental results demonstrate the excellent accuracy of our method

Cette thèse expérimentale et numérique s’intéresse à l’écoulement à inertie négligeable d’un fluide newtonien et d’un fluide à seuil autour d’une plaque ou d’un cylindre en présence d’une paroi. Les efforts générés et les structures d’écoulement ont été particulièrement étudiés. Pour le fluide à seuil, l’étude est centrée sur le domaine des effets de seuil grands par rapport aux effets visqueux. Pour l’approche expérimentale, un dispositif a été conçu permettant de mesurer simultanément les forces de traînée et de portance en fonction de la vitesse et de la distance obstacle/paroi. Les fluides étudiés sont un sirop de glucose Newtonien et un gel de Carbopol considéré comme un fluide à seuil modèle. Ces matériaux ont été finement caractérisés du point de vue rhéologique. Des simulations numériques utilisant le modèle viscoplastique anélastique d’Herschel-Bulkley régularisé par le modèle de Papanastasiou ont été réalisées. Les résultats obtenus avec le fluide newtonien ont permis de valider l’installation expérimentale et l’approche numérique. Les effets de la contrainte seuil, de la distance paroi/obstacle, de la rhéofluidification, de l’angle d’inclinaison de la plaque sur les coefficients de traînée et de portance ont été examinés en détail. Le régime de lubrification a été étudié pour le cylindre expérimentalement et théoriquement. La morphologie de l’écoulement (zones rigides) et les grandeurs locales ont été montrées. Des solutions analytiques de la traînée et de la portance ont été proposées. Les comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques ainsi qu’avec les solutions issues de la plasticité de la mécanique des sols sont analysées. Les écarts sont discutés en termes d’influence de l’élasticité et de plasticité du fluide à seuil. / This experimental and numerical thesis deals with the creeping flow of a Newtonian fluid and a yield stress fluid around a plate or a cylinder in the presence of a wall. The generated forces and the flow structures have been particularly studied. The study focuses for the yield stress fluid on large yield stress effects compared to the viscous effects. For the experimental approach, a device has been designed to measure simultaneously the drag and lift forces as a function of velocity and obstacle / wall distance. The fluids studied are a Newtonian glucose syrup and a Carbopol gel considered as a yield stress fluid model. These materials have been finely characterized from the rheological point of view. Numerical simulations using the Herschel-Bulkley anelastic viscoplastic model regularized by the Papanastasiou model were carried out. The results obtained with the Newtonian fluid allowed to validate the experimental set-up and the numerical approach. The effects of the yield stress, the wall / obstacle distance, the power law index and the inclined plate on the drag and lift coefficients were carefully examined. The lubrication regime has been studied for the cylinder both experimentally and theoretically. The morphology of the flow (rigid zones) and the local field quantities have been shown. Analytical solutions of drag and lift have been proposed. Comparisons between the experimental and numerical results as well as the solutions resulting from the plasticity of soil mechanics are analyzed. Deviations are discussed in terms of the elasticity and plasticity influence of the yield stress fluid.

Cette thèse est une étude expérimentale de la formation et de la maturation d’un anneau tourbillonnaire. Elle porte sur les écoulements faiblement inertiels (Reynolds : 5 à 500) en fluide newtonien puis non newtonien. Les anneaux sont générés par un système cylindre-piston. Ils sont analysés par visualisation et par vélocimétrie par images de particules (PIV). La dynamique en fluide newtonien à faible nombre de Reynolds se révèle plus complexe que celle à grands Reynolds avec l’apparition d’un anneau secondaire contrarotatif. Les résultats obtenus en fluide rhéofluidifiant montrent l’influence de l’indice de comportement ainsi que les zones de comportement rhéofluidifiant et newtonien. Les explorations en fluides viscoplastique et viscoélastique montrent la formation d’un ou plusieurs anneaux secondaires contrarotatifs, qui diffèrent dans leur formation et leur dynamique des anneaux observés en fluide newtonien et que l’on associe aux propriétés physiques intrinsèques du fluide. / The present work is an experimental study of the generation and the maturation of vortex rings, in order to characterize their structure and their global dynamics for small to moderate Reynolds numbers (between 5 and 500) in Newtonian and non-Newtonian fluids. The experimental set-up consists of a vertical cylindrical piston-tube system with the lower part immersed in a filled tank. Measurement campaigns have been carried out using dye visualization and Particle Image Velocimetry (PIV). A first part of the work is focussed on Newtonian fluid and allows the dynamics at low Reynolds numbers to be investigated qualitatively and quantitatively. This dynamics turns out to be more complex than the one classically observed at high Reynolds numbers, and is characterized by the production of a counter-rotating secondary vortex ring. The results obtained for shear thinning fluids show the influence of the power-law index on the development and the propagation of the ring. The computation of the shear rate field allows the results to be analyzed in terms of shear thinning and Newtonian regions. Finally a preliminary investigation for viscoplastic and viscoelastic fluids has been performed. In both cases, it is shown that one (for viscoplastic fluids) or several (for viscoelastic fluids) counter-rotating secondary vortex rings are generated, a phenomenon that can be associated with the intrinsic physical properties of the fluid. All these results provide several perspectives of study in the field of vortex rings dynamics in the weakly inertial regimes.

Ce mémoire présente une nouvelle méthode pour simuler de l'air en interaction avec des solides en se basant sur le modèle particulaire Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Après avoir rappelé les bases de SPH ainsi que ses variantes incompressibles WCSPH et PCISPH pour simuler de l'eau, nous présentons un modèle de simulation d'air réaliste permettant de simuler des effets aérodynamiques. Par exemple nous arrivons à faire léviter une balle dans un flux d'air grâce à une gestion des interactions air-solide dans les deux sens. Nous proposons aussi une initialisation simple et rapide pour échantillonner rapidement l'air avec des particules SPH tout en prenant en compte les objets solides de la scène 3D. La technique consiste à échantillonner le domaine en se basant sur une grille uniforme puis à abaisser progressivement la densité cible appellé aussi densité au repos poussant les particules d'air à occuper tout l'espace de la simulation. Cette diminution s'arrête lorsque la densité cible vaut la densité moyenne des particules, c'est-à-dire la somme des densités des particules divisée par le nombre total de particules de fluides. Les résultats obtenus ont été comparés avec des expériences réelles dans le but de valider notre modèle.

Cette recherche porte sur le phénomène des vibrations éoliennes de structures cylindriques, une instabilité aérodynamique qui affecte généralement les corps non-profilés. Le détachement tourbillonnaire causé par l'interaction fluide-structure peut amener une structure en résonance si la fréquence d'émission tourbillonnaire correspond à une de ses fréquences naturelles. Il est possible d'estimer les vitesses critiques de ce détachement en appliquant la relation de Strouhal qui utilise la fréquence naturelle de la structure, la vitesse d'écoulement et le nombre de Strouhal propre à la géométrie extérieure. Les expérimentations antérieures ont démontré que différents types de détachement tourbillonnaire se produisaient lors de cette instabilité, les dit 2P et 2S par exemple. Chaque type de détachement est associé à une différente courbe ou"branche" d'amplitude de vibration en fonction de la vitesse. Il a également été observé que ces deux courbes d'amplitude peuvent être présentes pour une même plage de vitesse, causant ainsi un hystétéris au phénomène. En utilisant un montage expérimental à très faible amortissement mécanique, ces branches d'amplitude ont été observées et étudiées pour extraire les caractéristiques des comportements instationnaire et permanent. L'ajout d'un nouveau système de visualisation haute vitesse a permis d'observer les types de détachement tourbillonnaire associés à ces branches. Les données obtenues étaient cohérentes avec la littérature et présentaient certains éléments de nouveauté. Une modélisation semi-empirique basée sur les travaux de Scanlan et les données expérimentales ont permis de déterminer les paramètres aérodynamiques nécessaires à sa formulation. Une solution numérique a été mise au point et le développement d'un code numérique a permis de reproduire les comportements vibratoires observés expérimentalement. Afin de recréer certains comportements, tels que la composante hystérétique du phénomène, l'utilisation de générateurs de nombres aléatoires s'est avérée indispensable.

Les bétons fluides à rhéologie adaptée représentent une nouvelle génération de bétons à hautes performances. Ces bétons possèdent un faible seuil de cisaillement et une viscosité plastique similaire à celui [i.e. celle] du béton conventionnel. Pour concevoir un tel matériau, l'utilisation des adjuvants chimiques est indispensable, notamment, des superplastifiants, des agents de viscosité et des agents entraîneurs d'air. De manière pragmatique, il s'avère nécessaire de comprendre les interactions entre différents types d'adjuvants et de développer une base de données qui sera d'une grande utilité dans la phase de conception des matériaux cimentaires à rhéologie adaptée. Une méthode simple, la méthode mortier de béton équivalent (MBE), est proposée afin d'analyser rapidement les exigences d'efficacité des adjuvants chimiques et de maintien théologique et mécanique dans les matériaux cimentaires. Avec cette méthode, cinq compositions de mortier et les rapports eau / liant de 0,41 à 0,5 ont été utilisées.Les superplastifiants seuls, les combinaisons superplastifiants / agents de viscosité et les combinaisons superplastifiants / agents entraîneur d'air sont utilisées [i.e. utilisés] séparément dans le mortier afin d'étudier les effets de ces différentes combinaisons d'adjuvants chimique [i.e. chimiques]. Pour terminer, quelques validations du béton ont [été] effectuées. Les résultats obtenus sur les mortiers issus de différentes compositions de béton ont montré que : l'augmentation du dosage en superplastifiant peut diminuer le seuil et la viscosité plastique en même temps; l'incorporation d'agent de viscosité augmente la viscosité même s'il y a une augmentation du dosage en superplastifiant pour garder le même étalement. Le type du superplastifiant choisit [i.e. choisi] est un facteur principal qui influence la rétention de maniabilité dans le temps; La résistance à la compression et la teneur en air possèdent une corrélation linéaire, les différences de la perte de résistance sur la teneur en air dépend [i.e. dépendent] du type de combinaison superplastifiant / agent entraîneur d'air employé. Enfin, après les validations sur les bétons autoplaçants pour la construction des bâtiments et les bétons de masse avec une fluidité identique au béton semi-autoplaçant, les résultats de recherche démontrent que les effets des adjuvants chimiques sur les propriétés dans les bétons et leurs mortiers sont corrélés.Les phénomènes qui existent dans les mortiers peuvent se retrouver dans leur béton correspondant.

Le projet de recherche financé par une subvention RDC du CRSNG et le CRIAQ est un partenariat entre Bombardier Aéronautique, Bell Helicopter, l'Université de Sherbrooke et l'Université Laval. Le principal objectif de ce projet est d'évaluer le potentiel de remplacer les actionneurs hydromécaniques par des actionneurs électromécaniques pour les commandes de vols primaires du Bell 407. La composante critique de l'actionneur électromécanique visé est un embrayage magnétorhéologique (MR). En effet, le fonctionnement de ce type d'embrayage est bien connu, mais la fiabilité ainsi que la durabilité de cette technologie restent à être prouvées. Le présent projet de maîtrise consiste donc à étudier la fiabilité ainsi que la durabilité d'un embrayage MR utilisé en glissement continu. Dans un premier temps, une analyse de fiabilité du système complet aux composantes (Top-Down) a été réalisée selon les méthodes et les techniques standards (FMEA et FTA) utilisées dans le domaine de l'aéronautique. Le manque d'informations concernant les modes de défaillance et la durabilité des embrayages MR a nécessité une étude expérimentale. Pour ce faire, un banc d'essais de longue durée complètement autonome a été conçu et fabriqué. Au total, 1750 heures de tests en glissement continu ont été réalisées sur des embrayages MR. Il y avait deux objectifs à ces tests. Le premier était d'étudier l'effet des paramètres d'opération (température, vitesse, couple) sur la durée de vie du fluide MR. Le deuxième était d'évaluer l'impact de la dégradation du fluide MR sur les performances d'un embrayage MR. Au final, le projet de recherche a permis de : 1. Évaluer les requis de fiabilité pour chacune des composantes d'un embrayage MR lorsqu'utilisé dans un système d'actuation pour des commandes de vol primaire d'un hélicoptère ; 2. Obtenir une compréhension plus fine du processus de dégradation du fluide MR et l'impact sur les performances des embrayages MR; 3. Doubler la durée de vie des embrayages MR par le développement d'une technique de circulation interne du fluide MR permettant l'utilisation d'un plus grand volume de fluide MR et ce, sans pénalité de poids, de volume et de coût.

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Ce mémoire de thèse concerne l’analyse mathématique et numérique du comportement asymptotique de certains modèles de type coagulation-fragmentation intervenant en physique ou en biologie.Dans la première partie, on considère le système d’équations de Lifshitz-Slyozov qui modélise l’immersion d’une population de macro-particules en interaction avec un bain de monomères. Ce modèle développe en temps long un comportement dépendant d’une manière très particulière de l’état initial et ses spécificités techniques en font un véritable challenge pour la simulation numérique.On introduit un nouveau schéma numérique de type volumes finis basé sur une stratégie anti-dissipative ; ce schéma parvient à capturer les profils asymptotiques attendus par la théorie et dépasse en performances les méthodes utilisées jusqu’alors. L’investigation numérique est poursuivie en prenant en compte dans le modèle des phénomènes de coalescence entremacro-particules à travers l’opérateur de Smoluchowski. La question est de déterminer par l’expérimentation numérique comment ces phénomènes influencent le comportement asymptotique. On envisage aussi une extension du modèle classique de Lifshitz-Slyozov qui prend en compte des effets spatiaux via la diffusion des monomères. On établit l’existence et l’unicité des solutions du système couplé hyperbolique-parabolique correspondant. La seconde partie de ce mémoire aborde des modèles d’agrégation fragmentation issus de la biologie. On s’intéresse en effet à des équations décrivant les phénomènes de croissance et de division pour une population de cellules caractérisée par sa densité de répartition en taille. Le comportement asymptotique de cette densité de répartition est accessible à l’expérience et peut être établi théoriquement. L’enjeu biologique consiste, à partir de données mesurées de la densité cellulaire, à estimer le taux de division cellulaire qui, lui, n’est pas expérimentalement mesurable. Ainsi, retrouver ce taux de division cellulaire fait appel à l’étude d’un problème inverse que nous abordons théoriquement et numériquement par des techniques de régularisations par quasi-reversibilité et par filtrage.La troisième partie de ce travail de thèse est consacrée à des systèmes couplés décrivant des interactions fluide-particules, avec des termes de coagulation–fragmentation, de type Becker–Döring. On étudie les propriétés de stabilité du modèle et on présente des résultats d’asymptotiques correspondant à des régimes de forte friction. / This thesis concerns the mathematical and numerical analysis of the asymptotic behavior of some coagulation-fragmentation type models arising in physics or in biology.In the first part we consider the Lifshitz-Slyozov system that models the dumping of a population of macro-particles in interaction with a bath of monomers. This model develops in long time a behavior depending in a very particular way on the initial data abd its technical specificities make a real challenge for the numerical simulation. We introduce a new numerical finite volume type scheme based on an anti-dissipative strategy; this scheme succeeds in capturing the asymptotic profiles waited by the theory and exceeds in performances the methods used before. The numerical investigation ispursued by taking into account in the model the phenomena of coalescence between macro-particles through the Smoluchowski operator. The question is to find by numerical experiment how these phenomena influence the asymptotic behavior. We also consider an extension of the classical Lifshitz-Slyozov model which takes into account the spatial effects via the diffusion of monomers. We establish the existence and the uniqueness of the solutions of the corresponding hyperbolic-parabolic coupled system.The second part of this thesis deals with approaches coagulation-fragmentation models stemming from biology. Indeed, we are interest in equations describing the phenomena of growth and division for a celles population caracterised by its size density repartition. The asymptotic behavior of this size density repartition is accessible to the experiment and can be established in theory. The biological stake consists, from measured data of the cellular density, to estimate the cellular division rate which is not experimentally measurable. So, to find this cellular division rate requires the study of an inverse problem which we approach numerically and theoretically by techniques of regularizations by quasi-reversibility and by filtering.This third part of this thesis work is devoted to coupled systems describing fluid-particles interactions with coagulation-fragmentation terms of Becker-Döring type. We study the stability properties of the model and we present some asymptotic results corresponding to the regime with strong friction force.