Les propriétés thermodynamiques et mécaniques des fluides confinés à l'échelle sub-microscopique diffèrent profondément de celles du liquide macroscopique. Dans le cadre de la simulation numérique, les études actuelles sur les fluides confinés concernent pour la plupart des cas de haute symétrie où le grand potentiel du système est aisément accessible. Cette limitation restreint grandement le champ des systèmes complexes étudiés théoriquement, alors même que les progrès réalisés dans le domaine des microtechnologies permettent la préparation d'une grande variété de substrats confinants présentant une structure nanométrique. Dans cette thèse nous avons donc développé une méthode de calcul du grand potentiel par intégration thermodynamique applicable aux cas de basse symétrie. Un travail de simulation de Monte Carlo dans l'ensemble Grand Canonique sur un fluide simple confiné dans deux systèmes modèles (où les substrats portent une structure chimique ou géométrique) associé à cette méthode nous a permis de réaliser une étude approfondie du comportement de phase du fluide dans ces systèmes, notamment en identifiant les différentes morphologies que le fluide peut adopter ainsi que leur domaine de stabilité thermodynamique. Nous avons aussi étudié pour la première fois les effets de la torsion sur un fluide confiné. On s'est penché tout particulièrement sur le comportement de phase des morphologies pont (que l'on voit apparaître lors du confinement par des substrats nanostructurés), et sur leur rhéologie lors de la torsion.

Cette thèse porte sur le frottement et le blocage des écoulements de grains secs. Notre étude rhéologique porte sur des matériaux modèles dans des géométries de cisaillement simple, annulaire et de plan incliné, et combine expériences et des simulations numériques discrètes. Nous montrons que l'état de cisaillement d'un matériau granulaire est entièrement déterminé par la connaissance du nombre inertiel sans dimension I, traduisant le rapport des forces d'inertie sur les forces de confinement. Les faibles I correspondent au régime quasi statique et les grands I au régime dynamique. La loi de comportement se déduit alors de la variation de la compacité et du frottement effectif avec ce nombre. En cisaillement à vitesse imposée, nous observons une transition progressive entre les régimes quasi statique et dynamique. Dans ce régime intermédiaire, la loi de comportement est indépendante des caractéristiques mécaniques du matériau (faiblement ou fortement dissipatif) et reste qualitativement identique dans les diverses géométries. On observe une localisation du cisaillement dans le cas où la distribution de contrainte est hétérogène, et des intermittences de l'écoulement dans la limite quasi statique. En cisaillement à force imposée, nous montrons que la transition fluide solide (blocage) est brutale, hystérétique et présente de fortes analogies avec celle observée pour des fluides thixotropes (pâtes, mousses, etc.). Les expériences, tant en cisaillement annulaire que sur plan incliné, montrent qu'il existe une plage de taux de cisaillement qui ne peut être atteinte de façon stable (bifurcation de viscosité). Ces différentes observations nous ont conduit à mesurer par simulation l'évolution de la structure du réseau de contacts lors de l'arrêt, et à modéliser l'hysteresis de seuil et la bifurcation de viscosité en tenant compte de la force de piégeage induite par la rugosité. Nos observations montrent aussi l'intérêt de modèle de rhéologie non locale dans la descritpion du phénomène de blocage.

Nous nous intéressons à l'analyse mathématique et aux simulations numériques d'un modèle de fluides non newtoniens. Nous couplons le modèle d'Hébraud et Lequeux décrivant l'écoulement de Couette, plan de suspensions concentrés à l'échelle mésoscopique avec l'équation de conservation de la quantité de mouvement. Outre le couplage multi-échelle, la difficulté principale de ce modèle vient du fait que l'équation mésoscopique est une équation parabolique de type Fokker-Planck non linéaire qui peut dégénérer en une équation hyperbolique. Le but de cette thèse est d'étudier des deux points de vue théorique et numérique le modèle obtenu. Ainsi, dans la première partie, nous démontrons les théorèmes d'existence et d'unicité de solutions dans des espaces fonctionnels appropriés, et dans la seconde partie, nous développons des schémas numériques pour approcher les solutions du problème. Deux méthodes (déterministe et stochastique) ont été implémentées. Des tests de réduction de variance relatifs à la méthode stochastique ont été réalisés. Finalement, le problème de calibrage des paramètres par la méthode de l'adjoint a été abordé.

Ce travail porte sur l'tude de l'coulement d'une phase lamellaire lyotrope et plus particulirement d'une transition de texture induite par le cisaillement. Au voisinage de cette transition, des comportements dynamiques sont observs : une contrainte fixe, la structure du fluide ainsi que le taux de cisaillement oscillent en phase sur des priodes de temps extrmement longues (environ 10 minutes). Ces comportements temporels appels "rhochaos" ont t analyss l'aide de la thorie des systmes dynamiques. Cette tude montre que les phnomnes observs ne correspondent pas du chaos dterministe de basse dimensionnalit. Ce rsultat est ensuite confirm par l'tude locale de l'coulement au voisinage de la transition l'aide d'une technique de vlocimtrie locale : la diffusion dynamique de la lumire en gomtrie htrodyne. Nous montrons alors que les dynamiques temporelles du taux de cisaillement rsultent d'une structuration spatio-temporelle de l'coulement.

Ce travail de thèse développe un modèle physique de découpe de métaux par laser. Le procédé complet est divisé en une série de processus élémentaires qui s'étend de la propagation de faisceaux laser gaussiens jusqu'à l'évacuation du métal fondu sous l'action de cisaillement du gaz de découpe. L'ensemble des processus élémentaires est alors unifié au sein d'un modèle stationnaire 2D, « auto-consistant », fournissant la géométrie du front avant de la saignée de découpe. Les comparaisons entre résultats de simulation et expériences de « découpe pure » fournissent de très bonnes corrélations. Par ailleurs, des expériences complémentaires semblent indiquer que l'absorptivité réelle est d'environ 20% supérieure à celle prédite par le modèle de Drude et les équations de Fresnel. La non-planéité et la non-stationnarité du front d'absorption peuvent justifier une telle augmentation. Finalement, nous ouvrons les perspectives en présentant un modèle 3D de la géométrie de la saignée de découpe. Nous abordons la découpe laser sous oxygène et finissons par une approche des stries de découpe.

Au cours de cette thèse, nous avons effectué une étude de l'instabilité de Saffman-Taylor dans les fluides complexes. En particulier, nous avons mené une étude systématique de la relation entre les propriétés rhéologiques de fluides non-newtoniens et la formation de motif, en cellule de Hele-Shaw. Pour cela, nous avons utilisé des fluides modèles ne possédant chacun essentiellement qu'une seule propriété non-newtonienne. Une étude rhéologique a montré que la propriété non-newtonienne dominante d'une solution du polymère rigide Xanthane est la viscosité rhéofluidifiante, qu'une solution du polymère flexible PEO montre des effets élastiques, notamment une contrainte normale élevée, et qu'un gel de polymères possède un seuil d'écoulement. Pour des fluides classiques, la largeur des doigts de Saffman-Taylor est déterminée par le rapport entre les forces visqueuses et les forces capillaires. Dans le cas d'un fluide rhéofluidifiant, les forces visqueuses sont modifiées ce qui entraîne un amincissement des doigts par rapport aux résultats classiques. La modification des contraintes visqueuses par un seuil d'écoulement mène à des structures très ramifiées avec une largeur caractéristique de doigts, fonction de ce seuil. Pour un fluide élastique, la contrainte normale exerce une pression supplémentaire sur le doigt qui s'ajoute aux forces capillaires et qui entraîne un élargissement des doigts. Nous pensons que la connaissance des effets sur l'instabilité des Saffman-Taylor de chacune de ces propriétés, considérée séparément, constitue une base pour l'étude de l'instabilité dans des fluides plus complexes. Les propriétés non-newtoniennes étudiées ici sont parmi les propriétés non-newtoniennes les plus courantes, ce qui devrait permettre de mieux comprendre l'instabilité dans des fluides présentant simultanément plusieurs de ces propriétés non-newtoniennes.

Ce travail est consacré à la modélisation des macroségrégations et des distorsions se produisant lors de la solidification de pièces métalliques. Un modèle bidimensionnel d'éléments finis est développé pour l'analyse des écoulements de convection thermo-solutale à l'origine des macroségrégations. Dans ce modèle, l'ensemble des équations, moyennées spatialement, de conservation de l'énergie, de la quantité de mouvement, de la masse et des espèces chimiques est résolu en prenant pour modèle de microségrégation la règle des leviers. Plusieurs formulations permettent une résolution avec couplage faible ou fort des différentes résolutions ainsi qu'une approche en système ouvert ou fermé. Dans le but d'augmenter la précision des résultats, un algorithme de remaillage dynamique est également proposé, de façon à enrichir le maillage au voisinage du front de solidification. L'orientation et la norme du gradient de fraction liquide guident le remaillage dans la zone pâteuse, tandis que la distance à l'isotherme liquidus est utilisée dans le liquide. L'approche numérique est validée grâce à un benchmark de macroségrégation tiré de la littérature et portant sur des alliages Pb-Sn. Les influences de la discrétisation spatiale et temporelle et des schémas de couplage sont discutées, notamment par rapport à la capacité de prédiction des canaux ségrégés. En outre, l'efficacité de l'adaptation de maillage est illustrée dans un cas de solidification dirigée, donnant lieu à l'apparition de " freckles ", ainsi que pour la prédiction de bandes ségrégées de type A dans un gros lingot d'acier. La dernière partie du document présente une modélisation thermo-mécanique visant à calculer le développement, pendant le procédé, des contraintes et distorsions dans les zones solidifiées, ainsi que le retrait et les mouvements de thermo-convection affectant les régions liquides. Le comportement de l'alliage est alors considéré comme newtonien à l'état liquide, comme celui d'un milieu continu viscoplastique à l'état pâteux, et comme élasto-visco-plastique à l'état solide. Cette simulation thermo-mécanique est utilisée pour calculer la formation des lames d'air, la génération des déformations, des contraintes et la formation des retassures primaires.

Les nanotubes de carbone possèdent d'excellentes propriétés mécaniques, thermiques, électriques..., ce qui en fait un candidat de choix pour le développement de nouveaux matériaux pour de nombreuses applications. Cependant, leur mauvaise dispersion dans les solvants et les matrices reste encore aujourd'hui le principal problème pour l'obtention de matériaux composites homogènes. Cette thèse présente une nouvelle voie de fonctionnalisation des nanotubes de carbone réalisée en milieux fluides supercritiques. La fonctionnalisation organique proposée via une oxydation de surface des NTC présente de nombreux avantages par rapport aux techniques conventionnelles. La fonctionnalisation inorganique des NTC par les nanoparticules de palladium et d'argent a servi de modèle pour mieux appréhender le dépôt de nanoparticules de cuivre et déboucher ainsi à la réalisation de matériaux composites cuivre/NTC.

Les travaux présentés dans ce mémoire concernent des équations aux dérivées partielles issues de la physique des plasmas ou de la mécanique des fluides. En amont, ils comportent une partie importante de modélisation : approximation de systèmes hyperboliques oscillants, dérivation de systèmes de types Zakharov, modèle Hele-Shaw, modèle de micelles géantes. En aval, ils abordent un certain nombre de problèmes théoriques : existence et unicité des solutions, stabilité/instabilité des ondes solitaires, controle optimal, estimations d'erreur et convergence de modèles. Ils explorent aussi des méthodes numériques de résolution qui ont toutes pour point commun d'utiliser des méthodes de volumes finis ou différences finies sur des grilles cartésiennes en utilisant éventuellement des méthodes de pénalisation.

La technique de microscopie SEEC (Surface Enhanced Ellipsometric Contrast) permet l'observation directe de couches moléculaires. Notre objectif global est d'exploiter cette possibilité pour étudier la structure d'équilibre de domaines amphiphiles d'épaisseur nanométrique et d'étendue finie (quelques microns) déposés sur une surface solide. Ces domaines subissent une pression de Laplace importante, qui dépend de leur rayon R comme 1/R. Cette pression agit sur ces systèmes 2D comme une contrainte externe qu'on peut moduler en faisant varier la taille des domaines. La mesure de leur épaisseur en fonction de leur taille est donc une façon d'explorer les isothermes de ces systèmes, ce qui est le pendant pour des systèmes supportés des études effectuées au moyen d'une cuve de Langmuir sur les monocouches à la surface de l'eau. Idéalement, ces domaines se réduisent à une simple monoou bicouche. En pratique, ils adoptent souvent la forme de ziggourats constitués de plusieurs étages (gouttes terrassées). Le travail présenté dans cette thèse est une première étape dans la démarche évoquée ci-dessus. Il a permis de mettre en évidence pour la première fois les effets de la tension de Laplace sur la structure de domaines bicouches. L'étude est réalisée à l'aide de molécules amphiphiles de natures très différentes : 1) des copolymères à blocs symétriques, 2) des phospholipides. Elle exige la maîtrise du dépôt, de l'environnement et de l'évolution de nano-gouttes smectiques sur une surface, et le développement d'outils d'analyse adaptés. Elle implique principalement deux techniques : la Microscopie à Force Atomique (AFM) et la microscopie optique en contraste SEEC.