In dem aktuellen Beitrag wird eine kurze Einführung in die Mischung bzw. Entmischung hochviskoser inkompressibler Fluide gegeben. Hierzu wird die Methode der Phasenfeldmodellierung und ihre numerische Diskretisierung vorgestellt. Anhand eines konkreten Beispiels wird die technische Relevanz des vorgestellten Ansatzes demonstriert.

La question de la propulsion spatiale a été un enjeu politique au coeur de la guerre froide et reste un enjeu stratégique de nos jours. La technologie chimique déjà en place sur les moteurs fusées s'avère être limitée par la vitesse d'éjection et la durée de vie des appareils. La propulsion électrique et plus particulièrement le moteur à effet Hall apparait ainsi comme la technologie la plus performante et la plus utilisée pour diriger un satellite dans l'espace. Cependant, la physique à l'intérieur d'un propulseur étant complexe, de par les champs électromagnétiques ou les processus de collisions importants, toutes les particularités de fonctionnement du moteur ne sont pas parfaitement expliquées. Au bout de centaines d'heures d'essais, certains prototypes voient leur paroi s'éroder de façon anormale et des instabilités électromagnétiques se développent au sein de la chambre d'ionisation. La mobilité des électrons mesurée est en contradiction avec les modèles analytiques et soulèvent des problématiques sur la physique du plasma à l'intérieur de ces moteurs. Par conséquent, le code AVIP a été développé afin de proposer un code 3D massivement parallèle et non-structuré à Safran Aircraft Engines modélisant le plasma instationnaire à l'intérieur du propulseur. Des méthodes lagrangiennes et eulériennes sont utilisées et intégrées dans le code et mon travail s'est concentré sur le développement d'un modèle fluide, étant plus rapide et donc mieux adapté à la conception et au design industriel. Le modèle fluide est basé sur un modèle aux moments avec une expression rigoureuse des termes de collisions et une description précise des conditions limites pour les gaines. Ce modèle a été implémenté numériquement dans un formalisme non structuré et optimisé de façon à être performant sur les nouvelles architectures de calcul. La modélisation retenue et les efforts d'optimisation ont permis de réaliser un calcul réel de moteur à effet Hall afin de retrouver les propriétés globales de fonctionnement telles que l'accélération des ions ou encore la localisation de la zone d'ionisation. Un second cas d'application a finalement reproduit avec succès les instabilités azimutales dans le propulseur avec un modèle fluide et a justifié le rôle de ces instabilités dans le transport anormal des électrons et l'érosion des parois / The space propulsion has been a political issue in the midst of the Cold War and remains nowadays a strategic and industrial issue. The chemical propulsion on rocket engines is limited by its ejection velocity and its lifetime. Electric propulsion and more particularly Hall effect thrusters appear then as the most powerful and used technology for space satellite operation. The physic inside a thruster is complex because of the electromagnetic fields and important collision processes. Therefore, all specificities of the engine operation are not perfectly understood. After hundreds of hours of tests, thruster walls are curiously eroded and electromagnetic instabilities are developping within the ionization chamber. The measured electron mobility is in contradiction with the analytical models and raises issues on the plasma behavior inside the discharg chamber. As a result, the AVIP code was developed to provide a massively parallel and unstructured 3D code to Safran Aircraft Engines modeling unsteady plasma inside the thruster. Lagrangian and Eulerian methods are used and integrated in the solver and my work has focused on the development of a fluid model which is faster and therefore better suited to industrial conception. The model is based on a set of equations for neutrals, ions and electrons without drift-diffusion hypothesis, combined with a Poisson equation to describe the electric potential. A rigorous expression of collision terms and a precise description of the boundary conditions for sheaths have been established. This model has been implemented numerically in an unstructured formalism and optimized to obtain good performances on new computing architectures. The model and the numerical implementation allow us to perform a real Hall effect thruster simulation. Overall operating properties such as the acceleration of the ions or the location of the ionization zone are captured. Finally, a second application has successfully reproduced azimuthal instabilities in the Hall thruster with the fluid model and justified the role of these instabilities in the anomalous electron transport and in theerosion of the walls

Dans une logique d’éco-conception et de développement durable, de nombreux travaux ont pour objectif l’étude de polymères biosourcés. Parmi les recherches menées à ce jour, une piste d’étude consiste à les structurer aux échelles micro et nanoscopiques tout en valorisant certaines de leurs propriétés spécifiques, l’objectif étant la création de matériaux à propriétés fonctionnelles originales et performantes. Dans ce contexte, une attention particulière a été portée sur l’utilisation du dioxyde de carbone supercritique (CO2-sc). En effet, sa capacité à se solubiliser en grande quantité dans de nombreux polymères et donc d’en modifier les propriétés (viscosité, tension interfaciale, …) peut permettre une amélioration des matériaux composites fabriqués. Ce projet s’intéresse plus particulièrement à l’élaboration d’assemblages de biopolymères nanostructurés et revêt deux enjeux principaux : (1) la synthèse de nanoparticules de biopolymères (dans notre cas, du chitosane), (2) l’élaboration d’assemblages de biopolymères nanostructurés. La première étape a consisté à concevoir et développer de nouveaux procédés de génération de nanoparticules de chitosane par des procédés utilisant le CO2-sc soit comme antisolvant soit comme agent de dissolution et d'atomisation. Pour la deuxième étape, des films composites à base de poly (acide lactique) PLA et de poly (hydroxybutyrate-co-valérate) PHBV ont été préparés par la voie hot-melt par extrusion bi-vis. Des analyses thermiques, moléculaires et structurales, morphologiques et de granulométrie ont permis de caractériser les films biocomposites ainsi produits. / In a logic of eco-design and sustainable development, many works aim to study the bio-sourced polymers. Among these studies, a promising concept consists in structuring materials at micro and nanoscales while enhancing some of their properties, the objective being the creation of original materials with improved functional properties and performance. In this context, particular attention has been paid to the use of supercritical carbon dioxide (sc-CO2). Its ability to dissolve into many polymers in large quantities and thus to change their properties (viscosity, interfacial tension, ...), can improve both the composite material and its manufacturing process. This project focuses on the development of nanostructured biopolymers and addresses two main issues: (1) the synthesis of biopolymer nanoparticles (in this case, chitosan), and (2) the development of nanostructured biopolymers. The first step consisted in designing and developing new processing methods to generate biopolymer nanoparticles, using sc-CO2 as antisolvent agent or as dissolving and atomizing agent. For the second step, poly (lactic acid) PLA and poly (hydroxybutyric-co-hydroxyvaleric acid) PHBV based composite films were prepared by a hot-melt process by twin-screw extrusion of the nanoparticles and the matrix. Thermal, molecular and structural analysis, as well as morphological and particle size distribution studies allowed a good characterization of the biocomposite films.

La situation durable de volatilité des prix du pétrole est considérée à la fois comme une menace et un défi par l'industrie pétrolière. Au cours de cette crise, les compagnies pétrolières ont l’opportunité de se recentrer sur la recherche de solutions de production rentables, ce qui implique souvent l’apport des nouvelles technologies, en plus de l'amélioration des processus.Ce travail présente une avancée pour la synthèse d’une nouvelle génération de fluides de forage pétrolier sans surfactants/émulsifiants pour des applications dans le forage des puits profonds et ultra profonds. Cette nouvelle génération repose sur l’introduction des émulsions de Pickering dans la formulation des fluides de forage. Ces dernières sont des émulsions stabilisées uniquement par des particules solides (dans ce cas des particules de silice). Différents types de nano particules de silice de différentes hydrophobicités ont été utilisées pour stabiliser des fluides de forage de types huile-dans-eau et eau-dans-huile. Ces fluides ont été conçus pour être utilisés dans des conditions hostiles de température et de pression. Par conséquent, une caractérisation expérimentale de leur stabilité ainsi que de leurs propriétés rhéologiques sous ces conditions extrêmes étaient nécessaires. Au cours de ce travail, les profils rhéologiques de ces fluides reflétant leurs capacités de nettoyage du puits, leur coulabilité ainsi que leurs capacités à transporter les débris jusqu'à la surface, ont été établis. D’autre part, la stabilité électrique des émulsions ainsi que leur morphologie (distribution de taille des gouttelettes) ont été étudiées et une comparaison avec celles stabilisées par des agents tensioactifs a été établie. Les fluides ont été exposés à un processus de vieillissement qui permet d’étudier l'effet de l'environnement du réservoir hostile sur la stabilité et la rhéologie des nouveaux fluides préparés. Ces fluides de haute qualité se sont révélés très fiables, offrant une grande stabilité et une capacité à résister à des conditions extrêmes de réservoir. Ils représentent une nouvelle génération de fluides de forage ouvrant la voie à une exploitation optimisée de réservoirs profonds et ultra profonds. / This enduring situation of volatile oil prices has been seen as a decline and a challenge at the same time for the oil and gas industry. It is during this slump that the oil and gas companies own the opportunity to focus on cost-effective production solutions, which very often means bringing new technologies and further improving processes.This work presents a novel frontier of surfactant-free drilling and completion fluids for deep and ultra-deep wells. This new generation of drilling fluids is based on the principle of Pickering emulsions (emulsions stabilized solely by solid nano particles). Hydrophobic and hydrophilic silica nano particles were used to stabilize Oil-Based Mud and Water-Based Mud. These fluids were designed to be used under hostile conditions of temperature and pressure. Therefore, a concrete characterization of their stability as well as their rheological properties under HTHP conditions was mandatory. Rheological profiles reflecting the flowability, hole cleaning capacity as well as cutting transport ability of the fluids were established. On the other hand, the electrical stability as well as the morphology (Droplet Size Distribution) of the emulsions were studied and compared with surfactant-stabilized drilling fluids. The fluids were submitted to an aging process allowing one to study the effect of hostile reservoir environment on the stability and rheology of the new fluids prepared.These high quality fluids were seen very reliable offering high stability as well as high capacity to withstand extreme reservoir conditions giving rise to a new generation of drilling fluids allowing breaking the frontiers of deep and ultra-deep reservoirs.

Les fluides Magnéto-Rhéologiques (MR) de par leurs caractéristiques variant avec le champ magnétique qui leur est appliqué, sont utilisés dans la dissipation d’énergie mécanique. Ainsi, il existe de nombreux dispositifs utilisant ces fluides, par exemple des amortisseurs ou des freins, permettant de contrôler aisément leurs performances. Cependant ces dissipateurs d’énergie mécanique sont amenés à opérer dans des milieux soumis à des perturbations externes notamment des vibrations. Dans le cadre de cette thèse, nous étudions la stabilité des propriétés des fluides magnéto-rhéologiques lorsqu’ils sont perturbés par une stimulation de type vibratoire.Une comparaison analytique de l’ordre de grandeur des efforts vibratoires relativement aux efforts de cohésion magnétique ayant lieu dans le fluide laisse apparaître une possible perturbation du fluide par des vibrations.Nous avons mis en place un banc de test permettant à la fois d’injecter des perturbations vibratoires et de mesurer leur impact sur le fluide utilisé dans un mode classique de cisaillement.Dans certaines conditions, nous avons pu mesurer une diminution de la contrainte de cisaillement du fluide. La variation observée est liée à l’amplitude du mode de déformation de l’élément cisaillant. Trois directions de propagation de vibration selon un repère cylindrique sont étudiées et leurs impacts discutés. La direction normale à la surface est celle qui présente le plus d’effet. La variation maximale de la contrainte de cisaillement observée peut atteindre 40 %. Ce phénomène intervient pour des champs magnétiques faibles, inférieurs à 250 mT, et pour une vitesse de cisaillement faible, inférieure à 100 s-1.Enfin l’effet des vibrations est étudié sur des fluides de différentes viscosités et concentrations de particules, afin d’évaluer l’impact de ces derniers sur la stabilité du fluide / When subjected to a magnetic field, the Magneto-Rheological (MR) fluid increases its apparent viscosity and becomes a viscoelastic solid. They are used in applications requiring dissipation of mechanical energy such as shock absorbers or brakes. These devices operate in environments subject to external disturbances. In this thesis, we study the stability of magneto-rheological fluid properties when they are subjected to vibrations.When comparing the magnitude of the applied forces generated by the vibrations to the magnetic force between the particules it appears that these forces are of the same order. This implies a modification of the fluid behaviour.We developed a dedicated test bench allowing to induce vibration disturbances and to measure their impact on the fluid used in a shear mode configuration.We observed experimentally a decrease in the shear stress of the fluid. This variation depends on the modal deformation of the shearing element. Three propagation directions of vibration according to a cylindrical coordinate are studied and compared. The normal direction to the surface is the one with the most significant effect. The maximum shear stress variation reached was 40%. This phenomenon occurs for low magnetic fields, less than 250 mT, and low shear rate, less than 100 s-1.Finally, the vibration effect is studied on fluids with different viscosities and particle concentrations in order to assess their impact on the fluid’s stability.

Nous présentons une contribution autour de la modélisation des écoulements viscoplastiques. En vue d'applications réalistes telle que la simulation numérique des coulées de lave volcanique, le travail se concentre particulièrement sur les fluides complexes dont la rhéologie dépend fortement de grandeurs physiques telle que la température ou la concentration en particule. Nous développons un nouvel algorithme de résolution numérique des équations de Herschel-Bulkley combinant une méthode de Lagrangien augmenté à paramètre d'augmentation variable, une méthode des caractéristiques d'ordre 2 et une adaptation de maillage automatique. Sur des problèmes stationnaires ou en évolution tel que le problème test de la cavité entraînée, il apporte une solution efficace pour garantir à la fois une précision numérique élevée et un temps de calcul raisonnable. Cet algorithme est ensuite étendue et adapté au cas des rhéologies non-isothermes et aux suspensions. Concernant la simulation numérique des coulées de lave volcanique, nous détaillons une méthode de réduction par analyse asymptotique des équations de Herschel-Bulkley pour des écoulements de faible épaisseur sur une topographie arbitraire. Elle permet alors de décrire ces écoulements tridimensionnels de fluides viscoplastiques à surface libre par des équations bidimensionnelles surfaciques. Cette approche est ensuite étendue au cas non-isotherme en y ajoutant l'équation de la chaleur et des dépendances thermiques sur la rhéologie. Par intégration verticale de l'équation de la chaleur, on retrouve un modèle bidimensionnel. Le modèle non-isotherme est validé sur une expérience de dôme réalisée en laboratoire et une simulation numérique est réalisée autour d'une coulée qui a eu lieu sur le volcan du Piton de la Fournaise à la Réunion, en décembre 2010. La comparaison donne des résultats qui sont de notre point de vue satisfaisants et encourageants. / We present a contribution about modeling of viscoplastic flows. For realistic applications such as numerical simulation of volcanic lava flows, the work focuses particularly on complex fluids whose rheology strongly depends on physical quantities such as temperature or the particle concentration. We develop a new numerical resolution algorithm of Herschel-Bulkley's equations combining an augmented Lagrangian method with variable augmentation parameter, a second order characteristic method and an auto-adaptive mesh procedure. On stationary or evolving problems as the lid-driven cavity flow benchmark, it provides an effective solution to ensure both a high numerical accuracy within a reasonable computing time. This algorithm is then extended and adapted to the case of non-isothermal rheological and suspensions. On the numerical simulation of volcanic lava flows, we describe a method of reducing by asymptotic analysis of the Herschel-Bulkley's equations for thin flows on arbitrary topography. It allows to describe the three-dimensional flows of viscoplastic fluid with free surface by bidimensional surface equations. This approach is then extended to the non-isothermal case by adding the heat equation and thermal dependencies on rheology. By vertical integration of the heat equation, a two-dimensional model is maintained . The non-isothermal model is validated on a laboratory experiment of dome and a numerical simulation is performed on a December 2010 Piton de la Fournaise lava flow from La Réunion island. In our view, the comparison gives satisfactory and encouraging results.

Nous présentons une contribution autour de la modélisation des écoulements viscoplastiques. En vue d'applications réalistes telle que la simulation numérique des coulées de lave volcanique, le travail se concentre particulièrement sur les fluides complexes dont la rhéologie dépend fortement de grandeurs physiques telle que la température ou la concentration en particule. Nous développons un nouvel algorithme de résolution numérique des équations de Herschel-Bulkley combinant une méthode de Lagrangien augmenté à paramètre d'augmentation variable, une méthode des caractéristiques d'ordre 2 et une adaptation de maillage automatique. Sur des problèmes stationnaires ou en évolution tel que le problème test de la cavité entraînée, il apporte une solution efficace pour garantir à la fois une précision numérique élevée et un temps de calcul raisonnable. Cet algorithme est ensuite étendue et adapté au cas des rhéologies non-isothermes et aux suspensions. Concernant la simulation numérique des coulées de lave volcanique, nous détaillons une méthode de réduction par analyse asymptotique des équations de Herschel-Bulkley pour des écoulements de faible épaisseur sur une topographie arbitraire. Elle permet alors de décrire ces écoulements tridimensionnels de fluides viscoplastiques à surface libre par des équations bidimensionnelles surfaciques. Cette approche est ensuite étendue au cas non-isotherme en y ajoutant l'équation de la chaleur et des dépendances thermiques sur la rhéologie. Par intégration verticale de l'équation de la chaleur, on retrouve un modèle bidimensionnel. Le modèle non-isotherme est validé sur une expérience de dôme réalisée en laboratoire et une simulation numérique est réalisée autour d'une coulée qui a eu lieu sur le volcan du Piton de la Fournaise à la Réunion, en décembre 2010. La comparaison donne des résultats qui sont de notre point de vue satisfaisants et encourageants. / We present a contribution about modeling of viscoplastic flows. For realistic applications such as numerical simulation of volcanic lava flows, the work focuses particularly on complex fluids whose rheology strongly depends on physical quantities such as temperature or the particle concentration. We develop a new numerical resolution algorithm of Herschel-Bulkley's equations combining an augmented Lagrangian method with variable augmentation parameter, a second order characteristic method and an auto-adaptive mesh procedure. On stationary or evolving problems as the lid-driven cavity flow benchmark, it provides an effective solution to ensure both a high numerical accuracy within a reasonable computing time. This algorithm is then extended and adapted to the case of non-isothermal rheological and suspensions. On the numerical simulation of volcanic lava flows, we describe a method of reducing by asymptotic analysis of the Herschel-Bulkley's equations for thin flows on arbitrary topography. It allows to describe the three-dimensional flows of viscoplastic fluid with free surface by bidimensional surface equations. This approach is then extended to the non-isothermal case by adding the heat equation and thermal dependencies on rheology. By vertical integration of the heat equation, a two-dimensional model is maintained . The non-isothermal model is validated on a laboratory experiment of dome and a numerical simulation is performed on a December 2010 Piton de la Fournaise lava flow from La Réunion island. In our view, the comparison gives satisfactory and encouraging results.

Les techniques de recherche et d'exploitation des hydrocarbures en mer profonde nécessitent l'utilisation de longs tubes flexibles appelés « risers ». Le présent travail a pour but l'étude du comportement dynamique non linéaire des risers pour les grandes profondeurs, sous les effets des courants, de la houle, des déplacements et forces appliquées en tête du riser au niveau de la surface libre de l'eau. Les non linéarités du problème considéré sont de deux types : - non linéarités dues aux interactions fluide-structure de par la présence des forces hydrodynamiques de traînée, - non linéarité de structure dues aux grands déplacements de cette dernière en présence d'efforts axiaux importants. Dans cette étude, la loi du comportement du matériau qui constitue le riser est supposée linéaire. Le travail a développé un programme de calcul, utilisant l a méthode des déplacements associée à une modélisation du riser par des éléments finis de type poutre , ce qui conduit à un modèle mécanique ayant un nombre fini de degrés de liberté. Le programme permet d'étudier le comportement statique et dynamique non linéaire des risers de faible ou grande profondeur, de toute structure constituée d'un milieu continu curviligne avec des hypothèses mécaniques analogues, mais aux conditions aux limites plus générales.

Analyse et simulation numérique d'écoulements supersoniques réactifs. Étude de la stabilisation d'une flamme par effet Mach au sein d'un écoulement air-hydrogène prémélangé bidimensionnel. Analyse phénoménologique des conditions d'allumage et de stabilisation d'une flamme à l'aval d'un système stationnaire d'ondes de choc ; cette analyse montre qu'il faut tenir compte de la réaction chimique dans la structure considérée. Exploration de méthodes de résolution des équations de la cinétique chimique complexe explosive air-hydrogène ; analyse de la stabilité de ces méthodes.

Des anomalies géophysiques ont été observées avant des tremblements de terre. Ces signaux précurseurs ne sont pas systématiques et en général leur relation avec la sismicité ne peut pas être confirmée. Afin d'étudier si une relaton existe entre ces signaux géophysiques et les contraintes tectoniques au cours du cycle sismique, nous allons étudier le comportement géophysique d 'un milieu naturel en réponse à des sollicitations mécaniques. Le site choisi est le site de Sur-Frêtes en Savoie au voisinage des lacs artificiels de Roselend et La Gittaz. Les variations annuelles de niveau des lacs de plus de 50 m d'amplitude constituent le moteur de déformation cyclique sur le milieu. La réponse géophysique du site est étudiée principalement en termes de potentiel électrique, d'émanation de gaz radon, de niveau de puits et de déformation. Des variations de potentiel électrique ont été associées aux variations de niveau des lacs, avec un coefficient de couplage compris entre 0.6 et 4.2 mV /m d'eau. Nous montrons qu'elles sont produites par un mécanisme d'électrofiltration compatible avec les mesures en laboratoire réalisées sur des échantillons du site. Cette observation démontre que le phénomène d'électrofiltration est actif à l'échelle naturelle. De plus, cette expérience a mis en évidence des variations transitoires de potentiel électrique de l 'ordre de 20 mV associées à des pics d'émanation de gaz radon d'amplitude 5 à 40 fois supérieure au bruit de fond. Ces événements, dont la durée est comprise entre 1 et 10 semaines, sont corrélés à des déformations transitoires mesurées par inclinométrie, qui interviennent lors d'augmentation du taux de chargement du milieu. Des mesures en puits réalisées en fin d'expérience lors de la vidange décennale du lac de Roselend montrent que ces événements sont aussi associés à des surpressions de fluide de l'ordre de 1 bar. Les fluides jouent donc un rôle déterminant dans la génération des potentiels électriques et des pics de gaz radon. Nous proposons que ces signaux sont liés aux surpressions de fluide qui produisent localement une augmentation de la connectivité du milieu entrainant des circulations de fluide transitoires. Ces observations montrent la sensibilité des propriétés de transport de la roche aux variations du taux de déformation. Nous discutons sur la base de ces mécanismes la possibilité d'observer des précurseurs dans le cas du chevauchement actif Himalayen . Nos résultats suggèrent qu'une variation présismique du taux de déformation de la croûte pourrait produire des signaux géophysiques mesurables à l'aplomb de l 'extrémité de la zone sismogénique bloquée.