Les microcavités à semiconducteurs apparaissent aujourd’hui comme une plateforme particulièrement propice à l’étude des fluides quantiques en interactions. Dans ces cavités, la lumière et les excitations électroniques sont confinées dans de petits volumes et leur couplage est rendu si fort que les propriétés optiques sont gouvernées par des quasi-particules hybrides lumière-matière appelées polaritons de cavité. Ces quasi-particules se propagent comme des photons, mais interagissent avec leur environnement via leur partie matière. Elles peuvent occuper massivement un même état quantique et se comporter comme une onde macroscopique cohérente et non-linéaire. On parle alors de fluide quantique de lumière. Dans cette thèse, nous étudions la dynamique de fluides quantiques de polaritons dans différentes microstructures unidimensionnelles. La technologie de gravure de microcavités planaires, développée au C2N, permet de réaliser une ingénierie complète du potentiel dans lequel nous générons ces fluides de polaritons et d’implémenter des géométries complexes. Dans une première partie, nous avons étudié les propriétés de localisation des états propres de réseaux synthétiques quasi-périodes. L’exploration théorique du diagramme de phase de localisation des modes propres a dévoilé une nouvelle transition de type délocalisation-localisation lors d’une déformation originale d’un quasi-cristal, transition que nous avons pu observer expérimentalement. Une deuxième partie de la thèse est consacrée à l’étude de la dynamique non-linéaire de deux fluides contra-propageant dans un canal unidimensionnel. La compétition entre énergie cinétique et énergie d’interactions conduit alors à l’apparition de solitons sombres, dont le nombre discret et la position peuvent être contrôlés optiquement. Nous avons mis en évidence une bistabilité contrôlée par la différence de phase imprimée sur les deux fluides. La dernière partie du travail concerne l’étude des non-linéarités pour un fluide de polaritons occupant une bande plate. L’énergie cinétique du fluide y est nulle, si bien que sa propagation est gelée. Nous observons alors la formation de domaines non-linéaires de taille quantifiée. Ce travail ouvre des perspectives prometteuses, tout particulièrement pour l’exploration de phases topologiques de bosons en interactions. De plus, augmenter les interactions permettrait d’utiliser notre plate-forme comme un simulateur quantique. / Semiconductor microcavities have emerged as a powerful platform for the study of interacting quantum fluids. In these cavities, light and electronic excitations are confined in small volumes, and their coupling is so strongly enhanced that optical properties are governed by hybrid light-matter quasiparticles, known as cavity polaritons. These quasiparticles propagate like photons and interact with their environment via their matter part. They can macroscopically occupy a single quantum state and then behave as an extended coherent nonlinear wave, i.e. as a quantum fluid of light. In this thesis, we study the nonlinear dynamics of polariton quantum fluids in various one-dimensional microstructures. The possibility to etch microstructures out of planar cavities, a technology developed at C2N, allows full engineering of the potential landscape for the polariton fluid, and implementing complex geometries. In a first part, we have studied the localization properties of the eigenstates in synthetic quasiperiodic lattices. Theoretical exploration of the localization phase diagram revealed a novel delocalization-localization transition in an original deformation of a quasicrystal and we have experimentally evidenced this transition. A second part of the thesis is dedicated to the study of the nonlinear dynamics of two counterpropagating polariton fluids in a one-dimensional channel. The interplay between kinetic and interaction energy is responsible for the formation of dark solitons, whose number and position can be controlled by optical means. We have evidenced a bistable behaviour controlled by the phase twist imprinted on the two fluids. The last part of this work addresses the study of nonlinearities for a fluid injected in a flat band. Therein, the kinetic energy of the fluid is quenched, so that propagation is frozen. We then observe the formation of nonlinear domains with quantized size. This work opens us exciting perspectives, specifically towards the exploration of topological phases of interacting bosons. Enhancing interactions would also allow using our platform for quantum simulation.

Mieux appréhender la relation entre fluides, sismicité et déformation asismique est crucial en terme de risques et de ressources. Dans les zones d'injections de fluide une augmentation du taux de sismicité est observée, certains événements dépassant Mw=5. Quel est alors le rôle des fluides dans le déclenchement et le contrôle de la sismicité ? Une série d'injections de fluide à haute-pression a été réalisée dans les séries carbonatées du LSBB (Rustrel), dans la zone endommagée d'une faille inactive à 280 m de profondeur. Ces expériences in-situ ont permis l'étude des réponses sismiques et hydromécaniques (enregistrées par un large réseau de capteurs) de différentes structures géologiques à une stimulation hydraulique. Seuls certains tests ont été impactés par des séismes bien qu'une rupture ait été mesurée au point d'injection par un extensomètre. 215 séismes ont été détectés et se caractérisent par un contenu haute-fréquence (0.6 à 3 kHz) et de faible magnitude (-4.1 à -3.1). Leur localisation absolue et relative (précision de 1.5 m) a mis en évidence un manque de séismes à proximité du puits d'injection. En comparant le moment sismique cumulé et un moment équivalent de déformation, plus de 96 % de la déformation est asismique. Deux comportements sismiques distincts ont montré qu'au moins une partie de la sismicité était contrôlée par un transfert de contraintes. L'interprétation jointe des données géologiques, mécaniques, hydrogéologiques et sismiques a permis de reconstruire le mouvement des blocs de roches au point d'injection. Ainsi, la stimulation hydraulique de faille génèrerait un mouvement asismique, qui par transfert de contrainte, déclencherait la sismicité. / Better understanding how fluids pressure produce seismic or aseismic motion along faults is an important goal for seismic hazard assessment and for geological reservoir monitoring. Seismicity rate increase in fluid injection areas where some events may reach magnitude greater than 5. How fluids may induce and control seismicity? High-pressure fluid injections were performed in limestones, in the damaged zone of an inactive fault at 280m depth. These in-situ experiments allow to study the seismological and hydromechanical responses (recorded by 31 sensors) of different fracture types to a fluid perturbation. Only a few tests have generated seismicity even if ruptures are observed with a displacement sensor at the injection point. 215 earthquakes were detected and are characterized by high frequency content (0.6 to 3 KHz) and weak magnitude (-4.1 to -3.1). The relative and absolute locations (1.5m accuracy) indicate a lack of events in the vicinity of injection borehole. Comparing cumulated seismic moment with an equivalent deformation moment, more than 96% of the deformation is aseismic. Two distinct seismic behavior show that at least one part of the seismicity might be controlled by a stress transfer in the medium. Moreover, the joined interpretation geological, mechanical, hydrogeological and seismic data allow to build bloc motions at the injection point. Finally, our experiments showed that fluid injection mainly drives aseismic motion and the seismicity might be only an indirect effect related to stress transferred from the volume deformed by fluid pressurization.

À l’heure actuelle, les écoulements à deux fluides non miscibles jouent un rôle très important dans plusieurs domaines, que ça soit en science ou en ingénierie. Leur complexité est tellement élevée que les modèles actuels ne permettent de résoudre que des cas particuliers ou simplifiés avec un degré de précision qui demeurent souvent plutôt modeste. Une nouvelle approche numérique parait être une nécessité pour capturer la complexité physique du phénomène. Pour ce faire nous avons besoin d’outils robustes. Au niveau de l’interface de séparation entre les deux fluides non miscibles, les variables physiques sont discontinues, ce qui pose un défi majeur dans la description des variables et des conditions aux limites à l’interface. Le fait que les densités et les viscosités de chaque fluide soient différentes de part et d’autre de l’interface donne naissance à des défauts et des impuretés dans le champ des vitesses, ce qu’on appelle une discontinuité faible. Pour sa part, l’existence de la force de tension superficielle au niveau de l’interface crée une discontinuité sur le champ de pression, ce qu’on appelle une discontinuité forte. Un autre grand problème se pose au niveau de l’étude numérique du problème, où les méthodes numériques classiques ont une précision assez limitée dans ce genre de situation. L’objectif de ce travail est de fournir une étude complète de la dynamique de l’interface entre deux fluides non miscibles à l’aide d’outils mathématiques, physiques et numériques robustes. D’abord, une étude analytique du problème a été faite où l’équation de Navier-Stokes et les conditions de saut sur les variables physiques au niveau de l’interface de séparation entre les fluides ont été prouvées en détail. Pour traiter les discontinuités, nous avons discrétisé nos variables à l’aide de la méthode XFEM. Dû aux larges distorsions rencontrées dans ce genre d’écoulement, nous avons utilisé l’approche Eulérienne, pour corriger les oscillations des solutions dues aux choix du système de coordonnées nous avons utilisé les techniques de stabilisation SUPG/PSPG. Le traitement de la courbure des interfaces K été fait à l’aide de l’opérateur Laplace Beltrami et le suivi d’interface à l’aide de la méthode ¨Level-set¨. Pour le traitement des conditions de saut au niveau de l’interface la méthode Nitsche est développée dans différents contextes. Après avoir développé un modèle physique et mathématique dans les premières parties de notre travail, nous avons fait une étude numérique à l’aide de la plateforme de calcul FEniCS, qui est une plateforme de développement en langage C++ avec une interface Python. Un code de calcul a été développé dans le cas des écoulements de deux fluides non miscibles avec les modèles physiques et les outils mathématiques développés dans les sections précédentes. / The two-phase flow problems have an important role in the multitude of domains in science and engineering. Their complexity is so high that the actual models can solve only particular or simplified cases with a certain degree of precision. A new approach is a necessity to understand the evolution of new ideas and the physical complexity in this kind of flow, to contribute to the study of this field. A good study requires solid and robust tools to have performing results and a maximum of efficacy. At the interface of separation between the two immiscible fluids, the physical parameters are discontinuous, which gives us difficulties for the description of the physical variables at the interface and boundary conditions. The fact that the density and the viscosity are discontinuous at the interface creates kinks in the velocity, which represent a weak discontinuity. The existence of the surface tension at the interface create a discontinuity for the pressure field, it represents a strong discontinuity. The main objective of this work is to make a complete study based on strong and robust physical, mathematical and numerical tools. A strong combination, capable of capturing the physical aspect of the interface between the two fluids with a very good precision. Building such a robust, cost effective and accurate numerical model is challenging and requires lots of efforts and a multidisciplinary knowledge in mathematics, physics and computer science. First, an analytical study was made where the one fluid model of the Navier-Stokes equation was proved from Newton’s laws and jump conditions at the interface was proved and detailed analytically. To treat the problem of discontinuity, we used the XFEM method to discretize our discontinuous variables. Due to the large distortion encountered in this kind of fluid mechanic problems, we are going to use the Eulerian approach, and to correct the oscillation of solutions we will use the SUPG/PSPG stabilization technic. The treatment of the interface curvature k was done with the Laplace Beltrami operator and the interface tracking with the Level-set method. To treat the jump conditions with a very sharp precision we used the Nitsche’s method, developed in different cases. After building a strong mathematical and physical model in the first parts of our work, we did a numerical study using the FEniCS computational platform, which is a platform of computational development based on C++ with a Python interface. A numerical code was developed in this study, in the case of two-phase flow problem, based on the previous mathematical and physical models detailed in previous sections.

Le processus de plugging et d'abandon (P&A) des puits de pétrole et de gaz en fin de vie est essentiel pour atténuer les risques tels que la contamination de l'eau, les ruptures de pression, les émissions de gaz et les fuites d'hydrocarbures. Ce processus implique le retrait de segments de cuvelage, le nettoyage interne et externe du cuvelage pour éviter la contamination du ciment, et la mise en place de bouchons de ciment pour sceller le puits. Dans ce contexte, le nettoyage par jet, qui consiste à déplacer des fluides plus légers avec un liquide plus dense, est une technique clé. Cette technique est influencée par des facteurs tels que l'inertie, la flottabilité, la viscosité, la miscibilité et contrainte d'écoulement. Motivée par cette application industrielle, cette thèse de doctorat explore les effets des principaux paramètres de flux sur les jets miscibles flottants, en utilisant des techniques expérimentales non intrusives telles que l'imagerie haute vitesse, la vélocimétrie par images de particules tomographique résolue dans le temps, la fluorescence induite par laser planaire et la vélocimétrie Doppler à ultrasons. Nos travaux examinent notamment comment la vitesse d'injection du jet, le diamètre de la buse, la différence de densité, le rapport de viscosité et la contrainte d'écoulement affectent la dynamique du jet. Plus précisément, nous analysons des caractéristiques telles que la longueur laminaire, la longueur de pénétration, le rayon du jet, le profil de vitesse, l'énergie dissipée, l'indice de mélange et l'énergie cinétique turbulente pour caractériser le comportement des jets flottants. Les résultats sont présentés en fonction de nombres adimensionnels, y compris les nombres de Reynolds (Re), Froude (F r), Archimède (Ar) et Bingham (BN ), ainsi que le rapport de viscosité (m). Pour les jets Newtoniens verticaux isovisqueux, nous étudions le flux sur une gamme de Re, F r, et Ar pour classifier les régimes de flux, basés sur l'absence ou la présence de longueur laminaire, en jets semi-turbulents et totalement turbulents. Nous quantifions également les transitions entre ces régimes (Re critique) et développons des corrélations prédictives pour les caractéristiques du jet. Nous employons ensuite des techniques d'apprentissage automatique supervisé, y compris les forêts aléatoires, pour améliorer les prédictions des caractéristiques du jet à travers divers Re et Ar, surpassant les méthodes traditionnelles. Nous étudions ensuite les effets de m sur les comportements de flux de jet flottant, identifiant trois régimes de flux distincts (méduse, entonnoir et cône) et quantifiant comment l'augmentation de m influence l'instabilité ou la stabilité selon le régime de flux. En considérant les fluides ambiants à contrainte d'écoulement, pour les jets neutres flottants, nous identifions quatre régimes de flux de jet, y compris les motifs de mélange, de champignon, de doigts et de fracture, par rapport à Re et BN , et démontrons comment l'augmentation du rapport de la contrainte d'écoulement à la contrainte d'inertie du jet (BN /Re) régit la transition entre ces régimes. Enfin, en élargissant le champ de notre travail, nous explorons l'impact de l'épaisseur de la couche de fluide ambiant et de la contrainte d'écoulement sur l'efficacité du nettoyage d'un jet turbulent frappant des fluides Newtoniens et à contrainte d'écoulement, révélant que la contrainte d'écoulement modifie les dynamiques de nettoyage et l'entraînement de l'air. / The plug and abandonment (P&A) of oil and gas wells at their lifecycle end is crucial to mitigate risks, such as water contamination, pressure breakdowns, gas emissions, and hydrocarbon leaks. The P&A process involves removing casing segments, cleaning both interior and exterior of the casing to prevent cement contamination, and placing cement plugs to seal the well. In this context, jet cleaning, which involves displacing lighter fluids with a denser liquid, is a key cleaning technique, and it is influenced by inertia, buoyancy, viscosity, miscibility, and yield stress properties. Motivated by this industrial application, the current Ph.D. thesis investigates the effects of the key flow parameters on miscible buoyant jets, using non-intrusive experimental techniques, including high-speed imaging, time-resolved tomographic particle image velocimetry, planar laser-induced fluorescence, and ultrasound Doppler velocimetry. Our work explores, in particular, how the jet injection velocity, nozzle diameter, density difference, viscosity ratio, and yield stress affect the jet dynamics. Specifically, the jet flow characteristics, such as the laminar length, penetration length, jet radius, velocity profile, dissipated energy, mixing index, and turbulent kinetic energy are analyzed to characterize buoyant jet behavior. The results are accordingly presented versus the dimensionless numbers, including the Reynolds (Re), Froude (F r), Archimedes (Ar), and Bingham (BN ) numbers, as well as the viscosity ratio (m). For iso-viscous Newtonian vertical buoyant jets, we study the flow across a range of Re, F r, and Ar, to classify the flow regimes, based on the absence or presence of the laminar length, into semi-turbulent and fully-turbulent jets. We also quantify the transitions between these regimes (critical Re), and develop predictive correlations for the jet characteristics. We subsequently employ supervised machine learning techniques, including random forests, to enhance the jet characteristic predictions, across various Re and Ar, outperforming traditional methods. We then investigate the effects of m on buoyant jet flow behaviors, identifying three distinct flow regimes (jellyfish, funnel, and cone), and quantifying how increasing m influences instability/stability depending on the flow regime. Considering yield stress ambient fluids, for neutrally buoyant jets, we identify four jet flow regimes, including mixing, mushroom, fingering, and fracturing patterns, versus Re and BN and demonstrate how increasing the ratio of the yield stress to jet inertia stress (BN /Re), governs the transition among these regimes. Finally, expanding the scope of our work, we explore the impact of the ambient fluid layer thickness and yield stress on the cleaning efficacy of a turbulent jet impinging on Newtonian and yield stress fluids, revealing that the yield stress modifies cleaning dynamics and air entrainment.

Dans cette thèse, le transport de scalaires dans des ferrofluides / ferrogels est étudié théoriquement et expérimentalement. L’intérêt principal est de quantifier expérimentalement le processus de transport de masse dans des ferrofluides / ferrogels exposés à un champ magnétique externe et de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus à la lumière de simulations ferrohydrodynamiques (FHD). Nous visons également à utiliser les phénomènes de transport améliorés, identifiés dans les ferrofluides pour des applications de génie de la réaction chimique, par le biais d'études expérimentales sur le mélange / micromélange en micro-canal. L’introduction présente les principes de base de la dynamique des ferrofluides et des nanoparticules magnétiques (NPM) du point de vue de la mécanique des fluides et de la physique des colloïdes. Le cadre de ferrohydrodynamique, englobant les équations du mouvement des ferrofluides en relation avec la relaxation magnétique, y est expliqué. La littérature récente pertinente au transport de scalaires et au mélange dans les ferrofluides est examinée et les mécanismes d'intensification de transport de masse dans le ferrofluides excités par divers types de champs magnétiques sont discutés. Le première chapitre présente des observations expérimentales et des simulations numériques sur le transport de scalaires dans un ferrofluide de type Brownien au repos mais soumis à un champ magnétique rotatif (CMR). Les expériences de transport de masse ont été conduites dans un mélangeur capillaire en T excité transversalement par un champ magnétique uniforme. Une augmentation significative du transport de masse a été observée en présence de CMR dans une direction normale à l'axe de rotation du champ magnétique. Un tel contrôle directionnel par CMR a permis de mettre en évidence le caractère anisotrope du flux de masse puisque la diffusion moléculaire était le seul mécanisme de transport agissant dans une direction parallèle à l'axe du capillaire. Le rôle de l'advection du ferrofluide induite par CMR (écoulement spin-up) quant à l'amélioration du transport de masse a été examiné à la lumière de la solution de l'équation d’advection-diffusion et de la comparaison des prédictions numériques de FHD avec les résultats expérimentaux. Une analyse comparative systématique des simulations numériques par rapport aux observations expérimentales a révélé que la diffusivité effective dans le ferrofluide peut être représentée par un tenseur diagonal dont les composantes sont fonction de la fréquence du CMR et de la concentration des NPM. / Dans cette thèse, le transport de scalaires dans des ferrofluides / ferrogels est étudié théoriquement et expérimentalement. L’intérêt principal est de quantifier expérimentalement le processus de transport de masse dans des ferrofluides / ferrogels exposés à un champ magnétique externe et de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus à la lumière de simulations ferrohydrodynamiques (FHD). Nous visons également à utiliser les phénomènes de transport améliorés, identifiés dans les ferrofluides pour des applications de génie de la réaction chimique, par le biais d'études expérimentales sur le mélange / micromélange en micro-canal. L’introduction présente les principes de base de la dynamique des ferrofluides et des nanoparticules magnétiques (NPM) du point de vue de la mécanique des fluides et de la physique des colloïdes. Le cadre de ferrohydrodynamique, englobant les équations du mouvement des ferrofluides en relation avec la relaxation magnétique, y est expliqué. La littérature récente pertinente au transport de scalaires et au mélange dans les ferrofluides est examinée et les mécanismes d'intensification de transport de masse dans le ferrofluides excités par divers types de champs magnétiques sont discutés. Le première chapitre présente des observations expérimentales et des simulations numériques sur le transport de scalaires dans un ferrofluide de type Brownien au repos mais soumis à un champ magnétique rotatif (CMR). Les expériences de transport de masse ont été conduites dans un mélangeur capillaire en T excité transversalement par un champ magnétique uniforme. Une augmentation significative du transport de masse a été observée en présence de CMR dans une direction normale à l'axe de rotation du champ magnétique. Un tel contrôle directionnel par CMR a permis de mettre en évidence le caractère anisotrope du flux de masse puisque la diffusion moléculaire était le seul mécanisme de transport agissant dans une direction parallèle à l'axe du capillaire. Le rôle de l'advection du ferrofluide induite par CMR (écoulement spin-up) quant à l'amélioration du transport de masse a été examiné à la lumière de la solution de l'équation d’advection-diffusion et de la comparaison des prédictions numériques de FHD avec les résultats expérimentaux. Une analyse comparative systématique des simulations numériques par rapport aux observations expérimentales a révélé que la diffusivité effective dans le ferrofluide peut être représentée par un tenseur diagonal dont les composantes sont fonction de la fréquence du CMR et de la concentration des NPM. Dans le deuxième chapitre, nous avons exploité le concept de diffusion effective anormale anisotrope dans les ferrofluides pour expliquer les variations de la dispersion axiale observées expérimentalement pour un écoulement de Poiseuille en présence de CMR. Les résultats expérimentaux ont montré que la distribution des temps de séjour (DTS) en présence de CMR est moins asymétrique avec un temps de percée de plus en plus retardé lorsque la fréquence de CMR et/ou la concentration en nanoparticules magnétiques augmente(nt). La solution de l'équation d'advection-diffusion couplée aux équations de transport de quantité de mouvement sous champ magnétique rotatif signale une faible contribution de l'advection dans le phénomène observé. Les simulations numériques ont également montré que la réduction de la dispersion axiale était le résultat d'une diffusivité effective anisotrope anormale dans le ferrofluide suggérant une échelle de mélange de l’ordre de quelques nanomètres dictée par l’effet de la rotation du champ magnétique sur la matrice liquide porteuse non-magnétique des NPM. Dans le troisième chapitre, les propriétés de transport de masse du ferrofluide identifiées ont ensuite été examinées pour des applications de mélange et de micromélange via des techniques réactionnelles. Une étude comparative a été menée pour évaluer l'efficacité du mélange entre des fluides magnétiques et non magnétiques dans un mélangeur de type T capillaire, cylindrique et soumis à des champs magnétiques statique (CMS), oscillant (CMO) et rotatif. En utilisant la réaction modèle de Villermaux-Dushman, nous avons mis en évidence la sensibilité de la sélectivité de cette réaction au micromélange et au transfert de masse au niveau moléculaire. Les résultats ont montré une réduction substantielle de la résistance au transport à l’échelle nanométrique avec des effets mesurables sur la distribution des produits lorsque le mélange est stimulé par un cham magnétique rotatif. Dans le chapitre quatre, nous étendons le concept de mélange NPM/CMR aux ferrogels, préparés en ensemençant des (dipôles durs) nanoparticules de cobalt-ferrite dans un hydrogel de polyacrylamide. L'analyse quantitative des données d’aimantation a révélé l'existence de NPM hydrodynamiquement libres, donc sensibles à la relaxation brownienne, ainsi que des NPM mécaniquement bloquées dans la structure du ferrogel. Un ferrogel contenant des MNP hydrodynamiquement libres engendre des diffusivités effectives d’un soluté passif largement supérieures à la diffusion moléculaire intrinsèque mesurée pour le même soluté au sein de la structure de ferrogel en absence de champ magnétique rotatif. Les résultats expérimentaux et théoriques de cette thèse pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de MNP/ferrofluide stimulés par champ magnétique pour la conception et le développement de systèmes micro-fluidiques et de matériaux magnétiques multifonctionnels dotés de propriétés de transport contrôlables à distance. / Dans le deuxième chapitre, nous avons exploité le concept de diffusion effective anormale anisotrope dans les ferrofluides pour expliquer les variations de la dispersion axiale observées expérimentalement pour un écoulement de Poiseuille en présence de CMR. Les résultats expérimentaux ont montré que la distribution des temps de séjour (DTS) en présence de CMR est moins asymétrique avec un temps de percée de plus en plus retardé lorsque la fréquence de CMR et/ou la concentration en nanoparticules magnétiques augmente(nt). La solution de l'équation d'advection-diffusion couplée aux équations de transport de quantité de mouvement sous champ magnétique rotatif signale une faible contribution de l'advection dans le phénomène observé. Les simulations numériques ont également montré que la réduction de la dispersion axiale était le résultat d'une diffusivité effective anisotrope anormale dans le ferrofluide suggérant une échelle de mélange de l’ordre de quelques nanomètres dictée par l’effet de la rotation du champ magnétique sur la matrice liquide porteuse non-magnétique des NPM.. Dans le troisième chapitre, les propriétés de transport de masse du ferrofluide identifiées ont ensuite été examinées pour des applications de mélange et de micromélange via des techniques réactionnelles. Une étude comparative a été menée pour évaluer l'efficacité du mélange entre des fluides magnétiques et non magnétiques dans un mélangeur de type T capillaire, cylindrique et soumis à des champs magnétiques statique (CMS), oscillant (CMO) et rotatif. En utilisant la réaction modèle de Villermaux-Dushman, nous avons mis en évidence la sensibilité de la sélectivité de cette réaction au micromélange et au transfert de masse au niveau moléculaire. Les résultats ont montré une réduction substantielle de la résistance au transport à l’échelle nanométrique avec des effets mesurables sur la distribution des produits lorsque le mélange est stimulé par un cham magnétique rotatif. Dans le chapitre quatre, nous étendons le concept de mélange NPM/CMR aux ferrogels, préparés en ensemençant des (dipôles durs) nanoparticules de cobalt-ferrite dans un hydrogel de polyacrylamide. L'analyse quantitative des données d’aimantation a révélé l'existence de NPM hydrodynamiquement libres, donc sensibles à la relaxation brownienne, ainsi que des NPM mécaniquement bloquées dans la structure du ferrogel. Un ferrogel contenant des MNP hydrodynamiquement libres engendre des diffusivités effectives d’un soluté passif largement supérieures à la diffusion moléculaire intrinsèque mesurée pour le même soluté au sein de la structure de ferrogel en absence de champ magnétique rotatif. Les résultats expérimentaux et théoriques de cette thèse pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de MNP/ferrofluide stimulés par champ magnétique pour la conception et le développement de systèmes micro-fluidiques et de matériaux magnétiques multifonctionnels dotés de propriétés de transport contrôlables à distance. / The solution of advection-diffusion equation coupled to FHD equations of motion predicted weak contribution of advection in the observed phenomenon. The numerical simulations showed that the reduced axial dispersion is the outcome of anomalous anisotropic effective diffusivity in ferrofluid exposed to external uniform RMF. In chapter three, the identified mass transport properties of ferrofluid were further examined for (micro)-mixing applications in reaction engineering. A comparative study was conducted to evaluate the mixing efficiency between magnetic and non-magnetic fluids in a cylindrical capillary T-type mixer subjected to static (SMF), oscillating (OMF) and rotating magnetic fields. By using a probe reaction set (the Villermaux-Dushman reaction) with sensitive selectivity to mass transfer rate, mixing at molecular level was also investigated. The results showed substantial elimination of mass transfer rate influence on product distribution of chemical reactions when the mixing process is intensified with RMF. In chapter four, we extend the concept of mixing by MNP/RMF to ferrogels, prepared by seeding hard-dipole cobalt-ferrite MNP in polyacrylamide hydrogels. Quantitative analysis of magnetization data indicated the existence of hydrodynamically free MNPs, susceptible to Brownian relaxation along with mechanically blocked ones. A ferrogel consisting of hydrodynamically free MNP exhibits effective diffusivities higher than the intrinsic molecular diffusion of passive solute within the ferrogel structure. The experimental and theoretical findings in this thesis may open the way for application of magnetic field-stimulated MNP/ferrofluid for design and development of microfluidic systems and multifunctional magnetic materials with remote-controllable transport properties. / In this PhD thesis, the transport of scalars in ferrofluids/ferrogels is theoretically and experimentally studied. The major interest is to experimentally quantify mass transport process in ferrofluids/ferrogels exposed to external magnetic fields and also to understand the mechanisms underlying the observed enhanced mass transport processes through ferrohydrodynamic (FHD) simulations. We also aim at utilizing the identified enhanced transport phenomena in ferrofluids for reaction engineering applications through experimental studies on mixing/micromixing in microchannels. The introduction presents the basic principles and fundamentals of ferrofluid and magnetic nanoparticles (MNP) dynamics from fluid mechanics and colloidal physics perspectives. The framework of ferrohydrodynamics (FHD), encompassing the ferrofluid equations of motion in connection with magnetic relaxation is explained. The recent literature relevant to the subject of scalar transport and mixing in ferrofluids is reviewed and the mechanisms of rate intensification of mass transport in ferrofluid subjected to various types of magnetic fields are discussed. The first chapter reports experimental observations and numerical simulations on the transport of scalars in quiescent Brownian ferrofluids under rotating magnetic field (RMF). The mass transport experiments were conducted in a cylindrical capillary T-mixer in presence/absence of transverse uniform RMF. Significant enhancement in mass transport was observed in presence of RMF in a direction normal to rotation axis of magnetic field. RMF directional control of mass flux enhancement was anisotropic since the molecular diffusion was the only detected transport mechanism in a direction parallel to the capillary axis. The significance of RMF driven ferrofluid advection (spin-up flow) in mass transport enhancement was examined in the light of the solution of advection-diffusion equation and subsequent comparison of numerical predictions with experimental results. Systematic analysis of numerical simulations compared to experimental observations unveiled that the effective diffusivity in ferrofluid consists of a diagonal tensor whose components are a function of RMF frequency and MNP concentration. In the second chapter, we exploited the concept of anisotropic anomalous effective diffusion in ferrofluids to explain the experimentally observed variations of axial dispersion in ferrofluid capillary Poiseuille flow in presence of external RMF. The experimental results showed that residence time distribution (RTD) in presence of RMF is more symmetric with retarded breakthrough time when frequency of RMF and magnetic nanoparticles (MNP) concentration are increased.

Les aspirateurs de turbines hydrauliques jouent un rôle crucial dans l’extraction de l’énergie disponible. Dans ce projet, les écoulements dans l’aspirateur d’une turbine de basse chute ont été simulés à l'aide de différents modèles de turbulence dont le modèle DDES, un hybride LES/RANS, qui permet de résoudre une partie du spectre turbulent. Déterminer des conditions aux limites pour ce modèle à l’entrée de l’aspirateur est un défi. Des profils d’entrée 1D axisymétriques et 2D instationnaires tenant compte des sillages et vortex induits par les aubes de la roue ont notamment été testés. Une fluctuation artificielle a également été imposée, afin d’imiter la turbulence qui existe juste après la roue. Les simulations ont été effectuées pour deux configurations d’aspirateur du projet BulbT. Pour la deuxième, plusieurs comparaisons avec des données expérimentales ont été faites pour deux conditions d'opération, à charge partielle et dans la zone de baisse rapide du rendement après le point de meilleur rendement. Cela a permis d’évaluer l'efficacité et les lacunes de la modélisation turbulente et des conditions limites à travers leurs effets sur les quantités globales et locales. Les résultats ont montrés que les structures tourbillonnaires et sillages sortant de la roue sont adéquatement résolus par les simulations DDES de l’aspirateur, en appliquant les profils instationnaires bidimensionnels et un schéma de faible dissipation pour le terme convectif. En outre, les effets de la turbulence artificielle à l'entrée de l’aspirateur ont été explorés à l'aide de l’estimation de l’intermittence du décollement, de corrélations en deux points, du spectre d'énergie et du concept de structures cohérentes lagrangiennes. Ces analyses ont montré que les détails de la dynamique de l'écoulement et de la séparation sont modifiés, ainsi que les patrons des lignes de transport à divers endroits de l’aspirateur. Cependant, les quantités globales comme le coefficient de récupération de l’aspirateur ne sont pas influencées par ces spécificités locales. / Draft tubes play a crucial role in elevating the available energy extraction of hydroturbines. In this project, turbulent flows in the draft tube of a low-head bulb turbine were simulated using, among others, an advance hybrid LES/RANS turbulent model, called DDES, which can resolve portions of the turbulent spectrum. Providing appropriate inflow boundary conditions for such models is a challenging issue. In this regard, different inflow boundary conditions were tested, including axisymmetric 1D profiles, and unsteady 2D inflow profiles that take runner blade wakes and vortices into account. Artificial fluctuation at the inlet section of the draft tube was also included to mimic the turbulence existing after the runner. Simulations were conducted for two draft tube configurations of the BulbT project. For one of them, intensive comparisons with experimental data were done for two operating conditions, one at part load and another in the sharp drop-off portion of the efficiency hill after the best efficiency point. This allowed to assess the effectiveness and shortcomings of the adopted turbulence modeling and boundary conditions through their effects on the global and local quantities. The results showed that the runner-related vortical structures and wakes are appropriately resolved using stand-alone DDES simulation of the draft tube flows. This is achieved by applying unsteady 2D inflow profiles along with adopting low dissipation scheme for the convective term. Furthermore, the effects of applying artificial turbulence at inlet were explored using separation intermittency, two-point correlation, energy spectrum and Lagrangian coherent structure concepts. These analyses revealed that the type of inflow boundary conditions modifies the details of the flow and separation dynamics as well as patterns of the transport barriers in different regions of the draft tube. However, the global quantities such as recovery coefficient are not influenced by these local features.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / L'objectif du présent mémoire est de contribuer à la caractérisation de l'écoulement dans l'aspirateur d'une turbine hydraulique de type hélice. Pour y arriver, un anémomètre laser à effet Doppler (LDV) est utilisé dans plusieurs sections de l'aspirateur d'un modèle de cette turbine, maintenu sous plusieurs conditions d'opération, pour créer une base de données de vitesse. La composante radiale en sortie de roue est particulièrement recherchée puisque son acquisition constitue un défi technique au niveau expérimental et que son importance dans l'évolution de l'écoulement est établie. Les résultats principaux font ressortir que la vitesse radiale arbore une grandeur non négligeable en sortie de roue et varie de façon importante suivant les conditions d'opération. L'asymétrie circonférentielle des trois composantes de vitesse est également confirmée dans cette section. L'évolution de l'écoulement dans le coude de l'aspirateur engendre un débalancement du débit sortant à travers les deux pertuis. Finalement, l'écoulement dans l'aspirateur de ce type de turbine est fortement instationnaire, ce qui rend essentielle l'étude des fluctuations qui s'y développent.

La problématique de surverse du noyau de barrages en remblai lors de crues causées par une défaillance des systèmes de contrôle du niveau du réservoir préoccupent les gestionnaires de ces ouvrages. Une surverse de ce type peut entraîner des vitesses d’écoulement beaucoup plus importantes que celles de conception et causer un écoulement important dans des zones où aucun écoulement n’est initialement prévu. Pour évaluer l’impact des propriétés hydrauliques des composantes du barrage, de la géométrie du barrage et des caractéristiques de la crue, un modèle numérique 2D d’éléments finis a été conçu en utilisant le logiciel COMSOL Multiphysics 5.3. Le modèle numérique a permis de réaliser une série d’analyses de sensibilité sur un barrage modélisé typique qui a montré l’importance de la perméabilité de la crête et du noyau ainsi que de la hauteur maximale atteinte par la crue sur la vitesse à laquelle arrive la surverse et sur les vitesses d’érosion atteintes. L’érosion de contact selon le critère de Brauns (1985) ne semblait pas problématique lors des analyses de sensibilité alors que l’érosion interne selon le critère de Konrad & Côté (2013) paraissait très probable. Ensuite, une étude de cas a été réalisée portant sur un barrage existant d’Hydro-Québec. En raison des perméabilités très élevées de la crête pour ce barrage, les vitesses en crête dans le cas de hautes crues peuvent causer un écoulement turbulent à l’aval du noyau, sans toutefois être problématique pour cet ouvrage au niveau de l’érosion de contact. Finalement, la convergence numérique a été grandement meilleure lors de l’utilisation de courbes de rétention basée sur le modèle de van Genuchten (1980) comparativement à celles basées sur le modèle de Brooks & Corey (1964). / The issue of core overtopping in embankment dams during floods caused by failures of water-level control systems is a concern to dam managers. Core overtopping can generate flow velocities far greater than those considered during design and can result in intense flow in zones where no flow was intended. A 2D finite-element numeric model running on the COMSOL Multiphysics 5.3 software platform was generated to evaluate the impact of soil permeability, dam geometry and flood shape on seepage and internal flow systems. This numerical model was used to conduct a series of sensitivity analyses on a conceptual standard dam. These analyses have shown the importance of crest and core permeability and maximum height reached by the flood on the rate at wich core overtopping occurs and on erosion velocities generated. Contact erosion based on the Brauns (1985) criteria did not seem to be a concern for these sensitivity analyses as opposed to internal erosion based on the Konrad & Côté (2013) criteria which seemed highly probable. Subsequently, a case-study on an existing Hydro- Québec earthfill dam was also carried out. Because of the high permeability of the crest components of this structure, significant velocities and turbulent flow could be obtained in the crest material in cases of high floods, without however being problematic in terms of contact erosion. Furthermore, numerical convergence of the model has been greatly improved by using the van Genuchten-based (1980) water retention curves instead of the Brooks & Corey-based (1964) curves.

Les systèmes flottants de production, stockage et de déchargement (FPSO) ont été introduits dans les secteurs d'exploitation des hydrocarbures offshore en tant qu'outils facilement déplaçables pour l’exploitation de champs de pétrole et de gaz de petites ‘a moyenne tailles ou lorsque ceux-ci sont éloignés des côtes ou en eaux profondes. Ces systèmes sont de plus en plus envisagés pour les opérations de traitement et de raffinage des hydrocarbures à proximité des sites d'extraction des réservoirs sous-marins en utilisant des laveurs et des réacteurs à lit fixe embarqués. De nombreuses études dans la littérature pour découvrir l'hydrodynamique de l'écoulement polyphasiques dans des lits garnis ont révélé que la maîtrise de tels réacteurs continue d’être un défi quant à leur conception /mise à l'échelle ou à leur fonctionnement. De plus, lorsque de tels réacteurs sont soumis à des conditions fluctuantes propres au contexte marin, l'interaction des phases devient encore plus complexe, ce qui entraîne encore plus de défis dans leur conception. Les travaux de recherche proposés visent à fournir des informations cruciales sur les performances des réacteurs à lit fixes à deux phases dans le cadre d'applications industrielles flottantes. Pour atteindre cet objectif, un simulateur de mouvement de navire de type hexapode avec des mouvements à six degrés de liberté a été utilisé pour simuler les mouvements des FPSO tandis que des capteurs à maillage capacitif (WMS) et un tomographe à capacitance électrique (ECT) couplés avec le lit garni ont permis de suivre en ligne les caractéristiques dynamiques locales des écoulements diphasiques. L'effet des inclinaisons et des oscillations de la colonne sur le comportement hydrodynamique des lits garnis biphasiques a été étudié, puis les résultats ont été comparés à leurs analogues terrestres correspondants (colonne verticale immobile). De plus, des stratégies opérationnelles potentielles ont été proposées pour atténuer la maldistribution des fluides résultant des oscillations du lit ainsi que pour intensifier le processus de réactions dans les réacteurs à lit fixe. Parallèlement aux études expérimentales, un modèle Eulérien CFD transitoire 3D a été développé pour simuler le comportement hydrodynamique de lits garnis polyphasiques sous des inclinaisons et des oscillations de colonnes. Enfin, pour compléter le travail expérimental, une étude systématique a été réalisée pour étudier les performances de capture de CO2 à base d'amines d’un laveur à garnissage (en vrac et structuré) émulant une colonne à bord des ... / Floating production storage and offloading (FPSO) systems have been introduced to offshore hydrocarbon exploitation sectors as readily movable tools for development of small or remote oil and gas fields in deeper water. These systems are increasingly contemplated for onboard treatment and refining operations of hydrocarbons extracted from undersea reservoirs near extraction sites using embarked packed-bed scrubbers and reactors. Numerous efforts in the literature to uncover the hydrodynamics of multiphase flow in packed beds have disclosed that such reactors continue to challenge us either in their design/scale-up or their operation. Furthermore, when such reactors are subjected to marine conditions, the interaction of phases becomes even more complex, resulting in further challenges for design and scale-up. The proposed research aims at providing important insights into the performance of two-phase flow packed-bed reactors in the context of floating industrial applications. To achieve this aim, a hexapod ship motion simulator with six-degree-of-freedom motions was employed to emulate FPSO movements while capacitance wire mesh sensors (WMS) and electrical capacitance tomography (ECT) coupled with the packed bed scrutinized on-line and locally the two-phase flow dynamic features. The effect of column tilts and oscillations on the hydrodynamic behavior of multiphase packed beds was investigated and then the results were compared with their corresponding onshore analogs. Moreover, potential operational strategies were proposed to diminish fluid maldistribution resulting from bed oscillations as well as for process intensification of heterogeneous catalytic reactions in packed-bed reactors. In parallel with the experiment studies, a 3D transient Eulerian CFD model was developed to simulate the hydrodynamic behavior of multiphase packed beds under column tilts and oscillations. Ultimately, a systematic experimental study was performed to address the amine-based CO2 capture performance of packed-bed scrubbers on board offshore floating vessels/platforms. Apart from gaining a comprehensive knowledge on the influence of translational and rotational movements on multiphase flows in porous media, oil and gas sectors and ship industry would benefit from the results of this work for design and scale-up of industrial reactors and scrubbers. / Unité flottante de production, de stockage et de déchargement

Dans ce mémoire est présentée l'étude expérimentale de l'écoulement dans une roue de turbine axiale de type hélice. Les performances de ces machines étant grandement influencées par le comportement de l'écoulement dans cette partie de la turbine, il est donc important de bien connaître les phénomènes hydrauliques qui y sont présents. Au cours de ce projet, afin de réaliser une campagne de mesures un système PIV stéréoscopique a été utilisé. La configuration du montage expérimental, la technique d'acquisition utilisée ainsi que les méthodes de traitement de données employées ont permis d'analyser l'écoulement moyen dans une section couvrant environs 20% de l'envergure d'un canal délimité par deux aubes consécutives de la roue. Les résultats ont permis d'analyser la relation entre les différentes composantes de la vitesse de l'écoulement, et ce, pour plusieurs points d'opération. De plus, deux écoulements secondaires qui ont été répertoriés dans la littérature ont été identifiés à l'intérieur de la zone de mesure. Le premier de ceux-ci est le tourbillon de coin de bord d'attaque qui est le plus intense des deux, et le second est le tourbillon relatif. Une comparaison entre les mesures expérimentales ainsi que des résultats issus de simulations numériques a aussi été réalisé, exhibant une bonne concordance entre les deux jeux de données, principalement au point de fonctionnement nominal.