Un grand nombre d’industries (chimiques, pharmaceutiques et agroalimentaires) utilisent, produisent ou transforment des fluides complexes. Ce sont des fluides à viscosité élevée, souvent de comportement non-Newtonien. Leur préparation nécessite souvent une étape de chauffe suivie d’une étape de refroidissement. La chauffe est indispensable afin de faciliter la fabrication (réaction chimique et/ou transformation physico-chimique). Le refroidissement, ou encore l’étape de finition, consiste à amener les fluides jusqu’à une température proche de la température ambiante pour aborder l'étape de conditionnement. Le refroidissement est le plus souvent réalisé « in situ » dans la même cuve agitée, équipée d’une double enveloppe (utilisée pour la fabrication), mais des technologies en continu peuvent également être envisagées. Ces travaux de thèse portent sur la mise en place d’une méthodologie de pilotage de la vitesse d’agitation lors du refroidissement de fluides complexes dans des cuves agitées, ainsi que sur la comparaison des performances de la cuve agitée avec celles du mélangeur statique. Deux fluides de travail sont testés : Newtonien et viscoplastique, en régime d’écoulement laminaire et transitoire. Nous déterminons les limites de l’influence de l’agitation sur le transfert thermique, la durée de l’opération et la quantité d’énergie consommée. En premier lieu, le refroidissement est étudié à l’échelle laboratoire (réacteur de 0,6L). Il a été constaté que le changement de la vitesse d’agitation au cours du refroidissement affecte le profil de température. Cela a un impact avantageux sur le coût énergétique et/ ou la durée de refroidissement. Les tendances observées à l’échelle laboratoire sont transposées et validées à l’échelle pilote (réacteur de 60L). Puis deux types de mélangeurs statiques sont étudiés comme technologie en continu. Nous établissons des modèles de perte de charge que nous utilisons dans la détermination de l’énergie dépensée pour le refroidissement. Ensuite nous réalisons une comparaison de leurs performances en fonction des facteurs d’efficacité de transfert thermique et de consommation énergétique. Enfin, une brève analyse comparée est exposée, présentant les divers critères de choix entre la cuve agitée et la technologie en continu. / Highly viscous Newtonian and non-Newtonian fluids are frequently encountered in the process industries (like pharmaceutical, food and cosmetics). The preparing of such products involves heating and cooling steps. The heating stage is essential in order to facilitate the production (chemical reaction and/or physico-chemical transformation). The cooling step, named also final stage, leads the fluids to ambient temperature and prepares them for the conditioning. The cooling is mostly realized "in situ" in the same double jacketed stirred vessel, (used for the manufacturing), but continuous technologies may also be employed. This study aims to investigate the cooling of highly viscous fluids, and intends to define the best conditions for controlling the impeller speed (constant or variable) in a stirred vessel, as well as to compare the performances of the stirred vessel with those of the static mixer. Two fluids are tested: a Newtonian and a Non-Newtonian yield-stress fluid, in laminar and transitional conditions. The limits of the influence of the impeller speed on the heat transfer, the duration and the energy consumption are determined. In a first approach, the cooling is studied at small scale (0,6L vessel). The variation of the impeller speed during the cooling, affects the profile of temperature. This type of procedure has an advantageous impact on the energy cost and / or the duration of the cooling. The observed tendencies at a small scale are transposed and validated at a pilot scale (60L vessel). Two types of static mixers are studied as continuous technology. Models of pressure drop are established, which are used further in the determination of the energy consumption for the cooling. The performances of these two static mixers are compared, according to the factors of heat transfer efficiency and energy consumption. Finally, a brief comparative analysis is exposed, presenting diverse criteria of choice between the stirred tank and the continuous technology.

Solides élastiques au repos, les fluides à seuil s’écoulent comme un liquide au-delà d’une certaine contrainte. Plusieurs applications industrielles concernent l’écoulement de ces fluides dans des milieux poreux. On peut citer par exemple les émulsions dans le processus de récupération du pétrole, les opérations de cimentation dans le sol, ou le nettoyage d’un sol contaminé par une boue. Pour ces applications, il est nécessaire de connaitre la pression nécessaire pour un débit voulu à la sortie du milieu poreux. Dans de tels cas, l’écoulement est perturbé par la complexité de la géométrie. Les modèles développés pour décrire la loi de Darcy supposent une loi rhéologique appliquée localement, mais ces modèles décrivent mal ce type d’écoulement. De plus, des effets complexes peuvent s’ajouter comme le glissement à la paroi ou la thixotropie. Dans cette thèse, nous étudions l’écoulement de carbopol (ETD 2050) à travers différentes géométries. Tout d’abord au rhéomètre, nous montrons que le fluide, sous certaines conditions, correspond bien à un fluide à seuil modèle. Nous démontrons que le protocole expérimental utilisé est très important et qu’un comportement thixotropique peut apparaitre s’il n’est pas respecté. Ce comportement apparait notamment lorsque le fluide reste sous le seuil, l’impact augmentant avec le temps d’attente. Ensuite, nous comparons la loi d’écoulement obtenue au rhéomètre à l’écoulement dans un canal droit obtenu par microfabrication. Nous montrons alors l’importance du glissement proche du seuil et ses conséquences sur la loi d’écoulement. Enfin nous étudions l’écoulement du carbopol dans un milieu poreux. Le milieu poreux de 5x5cm est obtenu par microfabrication. La largeur moyenne des canaux est égale à celle du canal droit. Nous avons développé une nouvelle méthode de mesure des champs de vitesse. Nous montrons l’apparition d’une chenalisation de l’écoulement à travers quelques canaux du milieu poreux. Nous comparons ensuite la loi d’écoulement du milieu poreux à celle obtenue dans le canal droit. On remarque que la vitesse d’écoulement est plus faible dans le milieu poreux que dans le canal droit. / Elastic solids at rest, yield stress fluids flow like a liquid beyond a certain stress. Many industrial applications required the flow of these fluids in porous media, for example: the emulsion flow in oil recovery processes, the cementing operations in the ground, or the cleaning of sludge in a contaminated soil. For many applications, it could be interesting to know the pressure required for a desired flow rate. In such cases, the flow behavior of the fluid is complicated by the complexity of the geometry. The models developed to describe Darcy's law assume a rheological law applied locally, but these models poorly describe this type of flow. Furthermore, complex effects can be added like the wall slip or the thixotropy. In this thesis, we study the flow of carbopol (ETD 2050) through different geometries. First we show that the fluid, for some conditions, corresponds to model yield stress fluids. The experimental protocol used is very important and a thixotropic behavior can appear if it is not respected. This behavior appears especially when the fluid remains below the yield stress, the impact increases with the waiting time. We then compare the flow law obtained by rheometer in a straight channel obtained by microfabrication. We show the importance of the wall slip near the yield stress and the impact on the flow law. Finally, using a new method to measure the velocity fields developed during this thesis, we study the flow of carbopol in a porous medium. This porous medium of 5x5cm is obtained by microfabrication. The mean width of the channels is equivalent to the one of the straight channel. We show the emergence of a channeling flow through some channels of the porous medium. We then compare the flow law of the porous medium to the one obtained in the straight channel. It can be observed that the flow rate is lower in the porous medium than in the straight channel.

La première contribution de cette thèse est l'étude de la modélisation ainsi que de la discrétisation des écoulements multiphasiques en géométrie microfluidique. Nous proposons un nouveau schéma d'ordre deux de discrétisation basé sur les méthodes mixtes volumes finis/éléments finis pour le système de Stokes bi-fluides avec tension de surface. Nous présentons alors des comparaison de la précision de ce nouveau schéma avec la discrétisation MAC, en 2D et en 3D-axi. La seconde contribution est relative à l'étude de schémas numériques en temps pour les fluides viscoélastiques. Nous présentons les limites actuelles des modélisations dans ce domaine en étudiant le cas des écoulements de micelles géantes, polymères ayant la capacité de se réorganiser spatialement en fonction du taux de cisaillement. Nous montrons qu'une condition de stabilité liée au ratio de viscosité du polymère et du solvant en temps - très restrictive - existe. Un nouveau schéma est alors proposé pour contourner cette limitation et des études stabilité sont menés pour démontrer nos résultats.

Cette thèse présente une étude expérimentale sur l'évaporation de gouttes reposant sur un substrat solide. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à la description de l'évaporation d'une goutte liquide en regardant notamment l'influence du substrat. Le problème est approché sous un angle nouveau : en contrôlant avec précision les différentes propriétés du substrat que sont sa rugosité, son énergie de surface et ses propriétés thermiques. Cette méthode a permis de découpler les différentes influences du substrat et d'étudier l'évaporation pour différentes dynamiques de ligne triple et une large gamme d'angles de contact, de conductivités thermiques et de températures de substrat. Les résultats expérimentaux sont comparés au modèle classique d'évaporation. Ce modèle considère l'évaporation comme un processus contrôlé par la diffusion de la vapeur dans l'atmosphère. L'étude révèle les domaines de validité de ce modèle et met en évidence les différents mécanismes additionnels pouvant se développer ainsi que leur contribution. L'utilisation d'une caméra infrarouge dévoile le développement d'un motif hydrodynamique complexe non-axisymétrique. L'origine de cette instabilité, ces dynamiques spatiales et temporelles sont également explorées. Dans une seconde partie, l'étude a été étendue à l'évaporation d'une goutte de suspension biologique : le sang. Le séchage de ce fluide conduit à la formation d'un motif complexe dépendant de la mouillabilité du substrat. Alors qu'une situation mouillante met en évidence un dépôt de type annulaire accompagné de fractures radiales, une situation non-mouillante révèle une forme complexe composée de fractures et de plis. / This thesis presents an experimental study on the evaporation of droplets on a solid substrate. In the first part we describe the evaporation of a liquid droplet, taking a particular interest in the influence of the substrate. The problem is approached from a new angle by ensuring that the various properties of the substrate, such as its roughness, surface energy and thermal properties, are controlled precisely. Thanks to this method it is possible to decouple the different influences of the substrate and to study evaporation in relation to various dynamics of triple lines and a wide range of contact angles, thermal conductivities and temperatures of the substrate. Experimental results are compared with the classic evaporation model, which considers evaporation as a process determined by the diffusion of vapor into the atmosphere. The study reveals the range of validity of this model and highlights the different additional mechanisms which may develop as well as their contribution. The use of an infrared camera reveals the development of a complex hydrodynamic non-axisymmetric pattern. The origin of this instability and its spatial and temporal dynamics are also explored. In the second part, the study is extended to the evaporation of a dropl of a biological suspension: human blood. As this fluid dries a complex pattern is formed which is dependent on the wettability of the substrate. Whereas a wetting situation leads to a ring-like deposit with radial cracks, a non-wetting situation reveals a complex shape composed of cracks and folds. The study focuses on the understanding of the physical mechanisms leading to these patterns and of the role of biology.

La première contribution de cette thèse est l'étude de la modélisation ainsi que de la discrétisation des écoulements multiphasique en géométrie microfluidique. Nous proposons un nouveau schéma d'ordre deux de discrétisation basé sur les méthodes mixtes volumes finis/éléments finis pour le système de Stokes bi-fluides avec tension de surface.Nous présentons alors des comparaison de la précision de ce nouveau schéma avec la discrétisation MAC, en 2D et en 3D-axi. La seconde contribution est relative à l'étude de schémas numériques en temps pour les fluides viscoélastiques. Nous présentons les limites actuelles des modélisations dans ce domaine en étudiant le cas des écoulements de micelles géantes, polymères ayant la capacité de se réorganiser spatialement en fonction du taux de cisaillement. Nous montrons qu'une condition de stabilité liée au ratio de viscosité du polymère et du solvant en temps - très restrictive - existe. Un nouveau schéma est alors proposé pour contourner cette limitation et des études stabilité sont menés pour démontrer nos résultats. / The first contribution of this thesis is the analysis and discretization of multiphase flow in a microfluidic framework.We propose a new scheme wich is second order accurate, based on mixed finite volume / finite element method for the two phases Stokes system with surface tension.We then present the comparison of the accuracy of this new scheme with the MAC discretization in 2D and 3D axi.The second contribution is related to the study of numerical schemes in time for viscoelastic fluids.We present the current limitations in this area by studying the case of flows of wormlike micelles, polymers having the ability to reorganize themselves according to the shear rate.We show that a condition of stability related to the ratio of viscosity of the polymer and solvent in time - very restrictive - exists.A new scheme is then proposed to overcome this limitation and stability studies are conducted to demonstrate our results.