Th. doct.-ing.--Génie chim.--Toulouse--I.N.P., 1981. N°: 168.

Th. doct.-ing.--Méc.--Toulouse--I.N.P., 1982. N°: 212.

Th. doct.-ing.--Méc.--Nancy--I.N.P.L., 1982.

Th.--Sci. phys.--Nancy--I.N.P.L., 1980.

La stabilité de l'écoulement de Poiseuille Rayleigh-Bénard pour des fluides à seuil à été examinée via des approches linéaires, faiblement non linéaire et non linéaire. Ces fluides sont présents dans plusieurs procédés industriels et à plus grande échelle en géophysique. Le comportement rhéologique du fluide est supposé être décrit par le modèle de Bingham. Ce modèle suppose que lorsque la contrainte appliquée au matériau est inférieure à la contrainte seuil, le matériau se déplace comme un solide indéformable. Au-delà de la contrainte seuil, le matériau se comporte comme un fluide visqueux. L'objet de cette étude est de comprendre l'influence de la contrainte seuil sur les conditions de stabilité. Celle-ci se manifeste à travers la modification de l'épaisseur de la zone cisaillée, la stratification de la viscosité dans cette zone et la modification de la dissipation. Une difficulté fondamentale liée à ce problème réside dans le traitement de l'interface séparant les phases ``sol-gel ". Dans un premier temps, une analyse linéaire de stabilité avec des approches modale et énergétique a été conduite. Les résultats mettent clairement en évidence l'effet stabilisant de la contrainte seuil. Ensuite, une analyse faiblement non linéaire a été abordée pour qualifier la nature de la bifurcation. Des résultats originaux ont été obtenus et montrent un changement de la nature de la bifurcation pour un nombre de Péclet . Ceci est une conséquence de la forte stratification de la viscosité. Finalement, une analyse non linéaire de stabilité a été réalisée à partir d'une équation du type Reynolds-Orr. Le comportement des conditions critiques en fonction de la contrainte seuil a été déterminé. / The stability of the Poiseuille Rayleigh-Bénard flow for yield stress fluids is performed via linear, weakly non linear and non linear approaches. These fluids are widely used in industrial processes and at a larger scale in geophysics. It is assumed that the rheological behaviour of the material is described by the Bingham model. This model assumes that the material moves as a rigid solid when the applied stress is less than the yield stress and as a viscous fluid when the yield stress is exceeded. The aim of this study is to understand the influence of the yield stress on the stability conditions. It arises from the modification of the thickness of the yielded regions, the viscosity stratification inside these regions and the modification of the viscous dissipation. A fundamental difficulty by comparison with the Newtonian case lies in the description of the behaviour of the interface separating the ``gel-like" and ``fluid-like" phases. First, a linear analysis using modal and energetic approaches is developped. Results clearly highlight the stabilizing effect of the yield stress. Then, a weakly non linear analysis is performed to identify the nature of the bifurcation. Original results are obtained and show a change in the nature of the bifurcation at Péclet number . This is a consequence of the strong viscosity stratification. Finally, a non linear analysis was done using Reynolds-Orr type equation. The behaviour of the critical conditions as function of the yield stress is determined.

Cette thèse porte sur les mécanismes responsables de la croissance de systèmes de volcans de boue ainsi que sur les processus qui gouvernent leur évolution de surface. L’étude s’appuie sur une analyse structurale sur données sismiques faite sur deux structures anticlinales localisées dans le NW du Bassin Sud Caspien ainsi que sur une analyse structurale de terrain approfondie couplée à une imagerie de la sub-surface des édifices par résistivité électrique ainsi que par études géochimiques d’édifices volcaniques localisés dans la continuité onshore du bassin de la Kura en Azerbaïdjan. Les volcans à morphologie de mud pie montrent une morphologie plate car leur croissance est régie par la présence d’une réserve de matériel argileux non induré en surface que l’on appelle chambre superficielle. L’arrivée de matériel depuis une source de boue peu profonde induit le gonflement de cette chambre qui, en se rééquilibrant, provoque des déformations de surface et un élargissement de l’objet selon un modèle de Pousse-Muraille. Les édifices à morphologie coniques sont liés à des zones de stockage de matériel argileux plus profondes (chambre secondaire) voire à la source de boue, la zone de fluidisation du sédiment (chambre primaire). La source de fluides (eau et gaz) et nettement démarquée de la source de boue. La sédimentation est un facteur clé dans l’évolution des systèmes de volcan de boue car elle permet de sceller les chemins de migration de fluides, relançant la formation de surpression de fluide, créant une évolution par épisodes successifs de systèmes de volcans de boue emboîtés : les complexes de systèmes de volcan de boue. / This doctoral work studies the mechanisms involved in the growth of mud volcanoes systems and the processes involved with their surface evolution. The study is based on a structural analysis using seismic data acquired on two anticlines located in the NW of the South Caspian Basin and on an extensive structural field work combined with a sub-surface imagery based on electrical resistivity and geochemical analysis on edifices located on the onshore in continuity of the Kura Basin (Azerbaijan). Mud Pie are edifices having a flat morphology induced by the occurrence of a reserve of liquid mud on surface that we call Superficial Chamber. The input of material from a shallow mud source induce the inflation of this chamber which, reaching the equilibrium, induces a compressional stress that deform the edifice and make it grow, following a model named “Pushing Walls”. Conical edifices are linked to deeper storage zones (Secondary Chamber) or even to the source of mud itself (Primary Chamber). The fluid source (water and gas) is clearly disconnected to the source of mud. Sedimentation plays a dominant role on mud volcano systems evolution allowing to seal the fluid migration paths, thus the formation of fluids overpressure, inducing an evolution by successive pulses leading to interlocked mud volcano systems: mud volcano systems complexes.

Nous avons étudié le comportement rhéologique de suspensions de particules non colloïdales plongées dans des fluides à seuil. Nous nous sommes focalisé sur la contribution purement mécanique des particules. Nous avons dans un premier temps étudié le comportement en régime solide en formulant de nombreux systèmes expérimentaux modèles. Nous avons mesuré les propriétés d’élasticité linéaire, ainsi que les propriétés de seuil. Nous trouvons des lois reliant les propriétés rhéologiques de la suspension à celles du fluide ainsi qu’à la fraction volumique en particules monodisperses pour une distribution isotrope. Nous validons une approche d’homogénéisation proposée par Chateau et al. reliant les propriétés linéaires aux propriétés non-linéaire par une loi simple qui permet ainsi de prédire le seuil de contrainte de ce type de matériaux. Cette approche est validée sur des mortiers modélisés par une suspension de billes de verre dans une pâte de ciment thixotrope. Dans un second temps, nous explorons le régime liquide et caractérisons le comportement en écoulement d’un fluide à seuil modèle, une émulsion, selon une modélisation d’Herschel-Bulkley d’exposant n=½. Nous montrons que cette loi reste valable pour une suspension de particules dans cette émulsion. Nous mesurons la consistance d’Herschel-Bulkley en fonction de la fraction volumique en particules et nous constatons un bon accord entre ces mesures et une loi prédite par l’approche d’homogénéisation de Chateau et al. Enfin, nous observons une distinction entre seuil d’arrêt et seuil de démarrage probablement dû à la distribution des particules / We study rheological behaviour of non colloïdal particles suspensions embedded in yield stress fluids. We focus on strictly mechanical particles influence. First, we study solid domain with a large experiment panel on model materials. We measure linear elasticity and yield stress. We found law which link suspensions properties to interstitial fluids one and monodisperses particles concentration for an isotropic distribution. We compare our results to a homogenization approach by Chateau et al. which give us a very simple law between linear and non linear properties. This approach could predict the yield stress variation as a function of particles concentration with a very good agreement. Then, we validate this approach on a model mortar (glass beads in a thixotropic cement paste). In a second part, we explore liquid domain and characterize flowing behaviour of a yield stress model fluid, an emulsion, as a Herschel-Bulkley fluid with an exponent n =½. We show that this law still applicable for particles suspension in this emulsion with the same Herschel-Bulkley exponent. Then, we measure Herschel-Bulkley consistency as a function of particles concentration and found a good agreement with a law predicted by Chateau et al. from a homogenization approach. Finally, we observe difference between stopping yield stress and starting yield stress, this difference is probably due to particles distribution

Depuis plusieurs décennies déjà, l'industrie aérospatiale tente de repousser les limites du possible, avec des véhicules de plus en plus légers, mais qui voyagent à des vitesses de plus en plus élevées. Pour ce faire, des recherches dans le domaine des régimes d'écoulement hypersonique ont été effectuées pour mieux comprendre le comportement des fluides lorsque soumis à ces régimes d'écoulement. Cependant, pour effectuer le design de véhicules voyageant dans ces régimes d'écoulement, les interactions entre le fluide et les structures doivent être prises en compte. Il est bien connu [1; 2], que différents types d'interactions prennent place dans ces situations aérothermoélastiques, telles que des interactions force-déplacement, des interactions thermiques fluide-structure et possiblement des interactions thermochimiques. Toutes ces interactions doivent donc être prises en compte pour dresser un portrait global du comportement d'une section ou de l'ensemble d'un véhicule hypersonique. Ce mémoire a donc pour objectifs d'investiguer les phénomènes d'interaction fluide, structure et thermique (FSTI) dans un contexte d'écoulement hypersonique. Plus spécifiquement, une méthodologie de couplage multiphysique a été développée pour résoudre des problèmes aérothermoélastiques en grande déformation. La méthodologie de couplage développée est basée sur une approche partitionnée avec un couplage itératif. Ces objectifs présentent un point de vue intéressant étant donné que l'étude des cas aérothermoélastiques en grandes déformations ne semble pas, selon la revue de la littérature, avoir été explorée. Les recherches présentées dans ce mémoire tentent donc d'étudier cette voie en proposant une méthodologie de simulation numérique. De plus, à titre de contribution supplémentaire des outils numériques ont été implémentés dans une librairie maison du logiciel OpenFOAM®. Ce logiciel libre de droit facilitera la reproduction et la distribution des outils et des simulations qui sont présentées dans ce document. Le contenu de ce mémoire se divise en trois sections. Dans un premier temps, les phénomènes physiques qui sont impliqués dans ces écoulements ont été modélisés individuellement. Des modèles mathématiques sont présentés et des modèles numériques ont été validés pour s'assurer de l'implémentation adéquate des programmes. Par la suite, un environnement modulaire de simulation multiphysique sous l'environnement OpenFOAM est présenté. Cet environnement permet l'intégration de différents solveurs physiques pour solutionner différentes régions physiques dans un contexte de simulation FSI, FSTI ou d'échauffement aérodynamique. Les interactions entre les différentes régions sont gérées via des conditions limites d'interface spécifiquement conçues. De plus, un algorithme de couplage itératif basé sur une approche partitionnée est également utilisé. Cette section mettra l'accent sur l'implémentation de la méthodologie de couplage avec le logiciel OpenFOAM et les contributions pour la communauté d'utilisateurs du logiciel. Pour finir, la méthodologie de couplage multiphysique a été validée en effectuant des simulations d'interaction FSTI simples présentées dans la littérature. De plus, des simulations aérothermoélastiques complexes présentant des phénomènes de grandes déformations sont également analysées. / For several decades, the aerospace industry tries to improve their knowledge over the science of flight, to create vehicles that are lighter, but that can sustain faster speed regimes. Lately, research in the field of hypersonic flow allowed a better understanding of the fluid physics while sustaining those flow regimes. However, to design vehicles that are able to sustain these flow regimes, the interactions between the fluid and the structure must be considered. It is well known [1; 2] that several interaction phenomena will occur with those aerothermoelastic problems, such as force-displacement interactions, fluid-structure thermal interactions and in some cases thermochemical interactions. These interactions must be evaluated to understand the behaviour of a part or the overall hypersonic vehicle. The objective of this thesis is to investigate fluid, structure and thermal interactions (FSTI) phenomena for hypersonic flow regimes. More specifically, a multiphysic coupling method was developed to model aerothermoelastic problem by taking into consideration large structural deformation. The coupling methodology is based on the partitioned approach with an iterative coupling. These objectives present an interesting approach because the study of aerothermoelastic problems involving large structural deformation has not been explored, based on the literature review that was conducted for this thesis. Thus, the study of these physical phenomena will be presented in this research by proposing a numerical coupling strategy. Moreover, simulation tools were also developed using the OpenFOAM® environment. This open-source software will facilitate the reproduction and distribution of tools and simulations that are presented in this document. The thesis is divided in three sections. First, several physics that constitute the behaviour of the aerothermoelastic problematic will be modelled individually. Mathematical models will be presented and numerical models will be validated to ensure that the implementation of the code generate adequate results. Also, a modular framework for multiphysic simulation developed using OpenFOAM framework will be presented. This framework allows the integration of several physical solvers to modelled multiple physical regions for FSI, FSTI and aerodynamic heating problems. Interaction between regions are handled through specifically designed interfaces boundary conditions. An iterative coupling algorithm based on a partitioned approach is also used. This section will be focused on the implementation of the framework for OpenFOAM and the contribution for its community. In the last section, the coupling methodology will be validated with FSTI simulations. Moreover, simulations of more complexes aerothermoelastic problems will also be presented. Large deformation for those aerothermoelastic problems will also be evaluated with these last simulations.

Depuis plusieurs décennies déjà, l'industrie aérospatiale tente de repousser les limites du possible, avec des véhicules de plus en plus légers, mais qui voyagent à des vitesses de plus en plus élevées. Pour ce faire, des recherches dans le domaine des régimes d'écoulement hypersonique ont été effectuées pour mieux comprendre le comportement des fluides lorsque soumis à ces régimes d'écoulement. Cependant, pour effectuer le design de véhicules voyageant dans ces régimes d'écoulement, les interactions entre le fluide et les structures doivent être prises en compte. Il est bien connu [1; 2], que différents types d'interactions prennent place dans ces situations aérothermoélastiques, telles que des interactions force-déplacement, des interactions thermiques fluide-structure et possiblement des interactions thermochimiques. Toutes ces interactions doivent donc être prises en compte pour dresser un portrait global du comportement d'une section ou de l'ensemble d'un véhicule hypersonique. Ce mémoire a donc pour objectifs d'investiguer les phénomènes d'interaction fluide, structure et thermique (FSTI) dans un contexte d'écoulement hypersonique. Plus spécifiquement, une méthodologie de couplage multiphysique a été développée pour résoudre des problèmes aérothermoélastiques en grande déformation. La méthodologie de couplage développée est basée sur une approche partitionnée avec un couplage itératif. Ces objectifs présentent un point de vue intéressant étant donné que l'étude des cas aérothermoélastiques en grandes déformations ne semble pas, selon la revue de la littérature, avoir été explorée. Les recherches présentées dans ce mémoire tentent donc d'étudier cette voie en proposant une méthodologie de simulation numérique. De plus, à titre de contribution supplémentaire des outils numériques ont été implémentés dans une librairie maison du logiciel OpenFOAM®. Ce logiciel libre de droit facilitera la reproduction et la distribution des outils et des simulations qui sont présentées dans ce document. Le contenu de ce mémoire se divise en trois sections. Dans un premier temps, les phénomènes physiques qui sont impliqués dans ces écoulements ont été modélisés individuellement. Des modèles mathématiques sont présentés et des modèles numériques ont été validés pour s'assurer de l'implémentation adéquate des programmes. Par la suite, un environnement modulaire de simulation multiphysique sous l'environnement OpenFOAM est présenté. Cet environnement permet l'intégration de différents solveurs physiques pour solutionner différentes régions physiques dans un contexte de simulation FSI, FSTI ou d'échauffement aérodynamique. Les interactions entre les différentes régions sont gérées via des conditions limites d'interface spécifiquement conçues. De plus, un algorithme de couplage itératif basé sur une approche partitionnée est également utilisé. Cette section mettra l'accent sur l'implémentation de la méthodologie de couplage avec le logiciel OpenFOAM et les contributions pour la communauté d'utilisateurs du logiciel. Pour finir, la méthodologie de couplage multiphysique a été validée en effectuant des simulations d'interaction FSTI simples présentées dans la littérature. De plus, des simulations aérothermoélastiques complexes présentant des phénomènes de grandes déformations sont également analysées. / For several decades, the aerospace industry tries to improve their knowledge over the science of flight, to create vehicles that are lighter, but that can sustain faster speed regimes. Lately, research in the field of hypersonic flow allowed a better understanding of the fluid physics while sustaining those flow regimes. However, to design vehicles that are able to sustain these flow regimes, the interactions between the fluid and the structure must be considered. It is well known [1; 2] that several interaction phenomena will occur with those aerothermoelastic problems, such as force-displacement interactions, fluid-structure thermal interactions and in some cases thermochemical interactions. These interactions must be evaluated to understand the behaviour of a part or the overall hypersonic vehicle. The objective of this thesis is to investigate fluid, structure and thermal interactions (FSTI) phenomena for hypersonic flow regimes. More specifically, a multiphysic coupling method was developed to model aerothermoelastic problem by taking into consideration large structural deformation. The coupling methodology is based on the partitioned approach with an iterative coupling. These objectives present an interesting approach because the study of aerothermoelastic problems involving large structural deformation has not been explored, based on the literature review that was conducted for this thesis. Thus, the study of these physical phenomena will be presented in this research by proposing a numerical coupling strategy. Moreover, simulation tools were also developed using the OpenFOAM® environment. This open-source software will facilitate the reproduction and distribution of tools and simulations that are presented in this document. The thesis is divided in three sections. First, several physics that constitute the behaviour of the aerothermoelastic problematic will be modelled individually. Mathematical models will be presented and numerical models will be validated to ensure that the implementation of the code generate adequate results. Also, a modular framework for multiphysic simulation developed using OpenFOAM framework will be presented. This framework allows the integration of several physical solvers to modelled multiple physical regions for FSI, FSTI and aerodynamic heating problems. Interaction between regions are handled through specifically designed interfaces boundary conditions. An iterative coupling algorithm based on a partitioned approach is also used. This section will be focused on the implementation of the framework for OpenFOAM and the contribution for its community. In the last section, the coupling methodology will be validated with FSTI simulations. Moreover, simulations of more complexes aerothermoelastic problems will also be presented. Large deformation for those aerothermoelastic problems will also be evaluated with these last simulations.

Les écoulements à déplacement se produisent fréquemment dans les applications naturelles et industrielles. Bien que les déplacements Newtoniens aient été pris en considération dans une grande variété d’études théoriques et expérimentales dans les dernières décennies, un nombre considérable de fluides pratiques présentent des caractéristiques viscoplastiques, rendant la prévision du comportement des écoulements plus difficile. Les écoulement de déplacement viscoplastiques sont généralement contrôlés par un équilibre entre diverses forces, y compris la force visqueuse, la force de flottabilité, la force d’inertie, contrainte d’écoulement, etc., en plus de caractéristiques miscibles et non miscibles. Une compétition entre ces forces peut conduire à des comportements imprévisibles et exotiques de déplacement. Permettant une compréhension approfondie de ces écoulements, dans cette thèse de doctorat nous avons étudié l’écoulement à déplacement d’un fluide viscoplastique par un fluide Newtonien dans une géométrie simple, c.-à-d. un canal étroit et confiné. Dans la première partie de cette thèse (chapitres 1 à 3), nous étudions expérimentalement les écoulements à déplacement non-miscibles d’un fluide viscoplastique par un fluide Newtonien. En particulier, nous analysons le mouvement d’air dans un gel de Carbopol, dans une cellule de Hele-Shaw de section rectangulaire. Cette géométrie est composée de deux plaques parallèles rigides. Nous étudions les résultats en termes d’efficacité de déplacement et de morphologie des modèles d’écoulement. Nous démontrons que les comportements complexes du gel Carbopol, c.-à-d. les fortes propriétés viscoplastiques et les faibles propriétés viscoélastiques, affectent les caractéristiques d’écoulement de déplacement. Ensuite, nous étendons cette étude au déplacement d’un gel de Carbopol par une huile de silicone afin de considérer les effets de la mouillabilité sur l’écoulement. Nous observons qu’une combinaison de comportements viscoplastiques et de mouillabilité exerce un impact significatif sur les modèles d’écoulement à déplacement, pour lesquels quatre régimes d’écoulement différents sont identifiés : un régime capillaire, un régime de contrainte d’écoulement, un régime visqueux et un régime élastoinertiel. Enfin, nous étudions les impacts du rapport d’aspect de la section transversale de la cellule sur les caractéristiques de déplacement viscoplastique. Dans la deuxième partie de cette thèse (chapitres 4 à 5), nous étudions numériquement les écoulements à déplacement miscibles d’un fluide viscoplastique par un fluide Newtonien dans un long canal plan 2D. Pour un déplacement «heavy-light», l’analyse des modèles d’écoulement en fonction de divers paramètres sans dimension nous permet d’identifier trois régimes d’écoulement distincts : déplacements «center-type»/«slump- type», «back flow»/«no-back flow» et déplacement «stable/instable». Nous décrivons les effets du rapport de viscosité des fluides, de la flottabilité, de la contrainte d’écoulement et de l’inclinaison du canal sur les régimes d’écoulement susmentionnés. / Displacement flows frequently occur in natural and industrial applications. Although Newtonian displacements have been considered in a wide range of theoretical and experimental studies in the recent decades, a considerable number of practical fluids exhibit viscoplastic features, making it hard to predict the flow behaviors. Viscoplastic displacement flows are generally controlled by a balance between a variety of forces, including viscous, buoyant, inertial, yield stress, etc., in addition to miscible and immiscible features. A competition between these forces may lead to exotic, unpredictable displacement flow behaviors. To provide a deep understanding of these flows, in this Ph.D. thesis we investigate the displacement flow of a viscoplastic fluid by a Newtonian fluid in a simple flow geometry, i.e., a narrow confined channel. In the first part of this thesis (Chapters 1-3), we experimentally study immiscible displacement flows of a viscoplastic fluid by a Newtonian fluid. In particular, we analyze the invasion of air into a Carbopol gel in a rectangular cross-section Hele-Shaw cell. This flow geometry is composed of two rigid parallel plates with a small gap. We study the results in terms of the displacement efficiency and morphology of the flow patterns. We demonstrate that the complex behaviors of the Carbopol gel, i.e., strong viscoplastic properties and weak viscoelastic properties, affect the displacement flow features. We then extend this study to the displacement of a Carbopol gel by silicon oil in order to consider the effects of wettability on the flow. We observe that a combination of viscoplastic behaviors and wettability exerts a significant impact on the displacement flow patterns, for which four different flow regimes are identified a capillary regime, a yield stress regime, a viscous regime and an elasto-inertial regime. Finally, we investigate the impacts of the cell cross-section aspect ratio on viscoplastic displacement flow features. In the second part of this thesis (Chapters 4-5), we numerically study miscible displacement flows of a viscoplastic fluid by a Newtonian fluid in a long 2D plane channel. For a heavy-light displacement, analyzing the displacement flow patterns as a function of various dimensionless parameters allows us to identify three distinct flow regimes center/slump-type, back/no-backflow and stable/unstable displacements. We describe the effects of the viscosity ratio of fluids, buoyancy, yield stress and channel inclination on the aforementioned flow regimes.