Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie et physico-chimie des polymères : Le Mans : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 151-154.

Thèse de doctorat : Physique des liquides. Milieux denses : Paris 12 : 2005. / La thèse électronique est uniquement consultable au sein de l'Université Paris 12 (Intranet). Titre provenant de l'écran-titre. Pagination : 123 f. Bibliogr. f. 116-123.

Dans ce travail de thèse, nous avons développé deux méthodologies permettant d'acquérir rapidement et facilement des propriétés physico-chimiques, cinétiques et thermodynamiques de fluides complexes. Nous nous sommes focalisés sur le rôle de la concentration sur ces propriétés. Les deux méthodes développées sont basées sur la concentration en continu d'une solution aqueuse par évaporation contrôlée du solvant. Le premier outil est une goutte de quelques microlitres confinée entre deux plaques dont la hauteur est de 100µm. Dans cette géométrie à deux dimensions, l'évaporation est entièrement décrite par un modèle que nous avons développé. L'observation du séchage de la goutte couplée à des mesures locales de concentration par spectroscopie Raman, permet d'accéder quantitativement au diagramme de phase d'une solution de copolymères, et de mesurer l'activité ainsi que d'estimer le coefficient d'interdiffusion de la solution. Le second outil est une puce microfluidique permettant de concentrer des solutions aqueuses grâce à la pervaporation de l'eau à travers une membrane. Cet outil permet avec quelques microgrammes de soluté, de bâtir un gradient de concentration stationnaire le long d'un microcanal. Les techniques de spectroscopie Raman et de diffusion des rayons X aux petits angles permettent à nouveau de mesurer des propriétés physico-chimiques de la solution mais également de mettre en évidence le caractère discontinu du coefficient d'interdiffusion en fonction de la concentration, dépendant des mésophases présentes. / In this work, we developed two methods in order to access rapidly and easily physico-chemical, thermodynamic and kinetic properties of complex fluids. We focused on the role of the concentration on these properties. The two methods that we developed are based on the continuous concentration of an aqueous solution thanks to the evaporation of the solvent. The first tool is a microliter droplet confined between two circular plates with a cell height of about 100 µm. Within this two dimensional cylindrical geometry, the evaporation of the droplet is totally described by a model that we developed. The observation of the droplet evaporation combined to local Raman spectroscopy measurements permits us to build a quantitative phase diagram, to measure the activity of the solution and to estimate its mutual diffusion coefficient. The second tool is a microfluidic chip in which water is removed through a thin membrane. This device permits us to build with a few micrograms of solutes a stationary concentration gradient along a microchannel. Raman confocal spectroscopy and small angle X-ray scattering give access to the quantitative phase diagram and also permit to evidence that the mutual diffusion coefficient is discontinuous at some of the phase boundaries.

On s'attache à étudier des modèles mathématiques multi-échelles pour des domaines variés : la rhéologie des matériaux vitreux, la biochimie dans la balnéothérapie et la biomécanique des sutures craniofaciales. Pour les matériaux vitreux, nous étudions un modèle de type cinétique et justifions mathématiquement des propriétés macroscopiques (transition vitreuse à faible cisaillement et comportement de type fluide newtonien à fort taux de cisaillement) après avoir remarqué une certaine analogie avec la pénalisation d'obstacles en mécanique des fluides. Nous proposons également une généralisation multi-dimensionnelle de ce modèle afin de prendre en compte des types d'écoulements généraux. En biochimie nous présentons un premier modèle très simplifié de réaction-diffusion et montrons comment concevoir un schéma numérique adapté en utilisant les hypothèses de modélisation. Enfin nous proposons un modèle de couplage biomécanique pour le développement des sutures qui rend compte du phénomène d'interdigitation que l'on observe en pratique.

Nous avons étudié expérimentalement la dynamique de remontée de bulles dans des fluides complexes, allant de solutions de polymère à des milieux granulaires immergés, dans le cas d'une géométrie confinée (cellule de Hele-Shaw). Dans un premier temps, nous avons considéré la remontée d'une bulle unique dans une solution de polymère confinée. Le fluide choisi (PEO) est viscoélastique et rhéofluidifiant. Au-delà d'un volume critique, nous avons mis en évidence et caractérisé deux types d'instabilités : la bulle est défléchie de sa trajectoire verticale, ou se fragmente. L'extension de cette expérience au cas de l'injection continue d'air en base de la cellule a permis de quantifier la dynamique couplée entre les bulles et en particulier leur coalescence, qui dépend fortement du débit d'injection. Dans un deuxième temps, nous avons considéré le cas d'un milieu granulaire immergé : un lit de grains à surface libre, dans lequel de l'air est injecté à débit constant par un unique point d'injection en base de la cellule. En régime stationnaire, la mise en mouvement des grains par le passage répété de l'air conduit à la formation d'une zone fluide. Nous avons quantifié la dynamique des bulles dans cette zone et montré que même en variant la taille des grains et le débit de gaz, la fraction de gaz piégée dans la zone fluide reste constante. Enfin, nous avons considéré l'influence d'un obstacle fixe sur la dynamique du canal d'air central. Un diagramme des régimes est établi en fonction de la taille et de la hauteur de l'obstacle : soit le canal est stabilisé par l'obstacle, soit il est instable et explore de manière intermittente l'un ou l'autre côté de l'obstacle. / We have studied experimentally the dynamics of bubbles rising in complex fluids, from polymer solutions to immersed granular media, in a confined geometry (Hele-Shaw cell). In a first part, we considered the rise of a single bubble in a confined polymer solution. The fluid (PEO) is viscoelastic and shear-thinning. Above a critical volume, we have observed and characterized two types of instabilities : the bubble is deflected from its vertical trajectory, or fragments. The extension of this experiment to continuous air injection at of the cell bottom made it possible to quantify the coupled dynamics between bubbles and in particular their coalescence, which is highly dependent on the injection rate. In a second part, we considered the case of a immersed granular medium, in which air is injected at constant flow rate through a single nozzle at the cell bottom. In the steady state, the movement of the grains generated by the successive air pathways leads to the formation of a fluidized zone. We quantified the bubble dynamics in this zone and showed that even when varying the grains size and gas flow rate, the fraction of gas trapped in the fluidized zone remains constant. Finally, we considered the influence of a fixed obstacle on the dynamics of the central air channel. A phase diagram is established depending on the size and height of the obstacle: either the channel is stabilized by the obstacle, or it is unstable and intermittently explores each side of the obstacle.

Les écoulements de fluides complexes à l’échelle sub-micronique est une problématique rencontrée dans des domaines aussi divers que la récupération assistée du pétrole ou la lubrification des surfaces. Un fluide complexe a des propriétés rhéologiques riches, dues à la présence d’objets déformables en solution, comme les pelotes de polymère. Les phénomènes de surface, comme le glissement jouent un rôle important aux petites échelles. La question de l’effet du confinement sur la rhéologie de solutions de polymères est abordée. Nous caractérisons la taille des objets en solution et la rhéologie volumique des fluides. Grâce au développement d’une technique de photobleaching de fluorescence pour la mesure de vitesse d’écoulement dans des canaux sub-microniques, nous déterminons la viscosité effective des fluides en géométrie confinée. Cette approche expérimentale nous permet de montrer que le confinement induit une diminution de la viscosité effective des fluides. Une mesure directe des vitesses et longueurs de glissement est réalisée en microcanaux par vélocimétrie de particules (micro-PIV). Ces données mettent en évidence une réduction du glissement en géométrie confinée, qui est interprétée en termes de modification du mécanisme de glissement. Une distinction entre le comportement volumique et les phénomènes de surface ne permet plus de rendre compte du comportement du fluide à l’échelle sub-micronique. Une étude préliminaire des écoulements de solutions de tensioactifs à l’échelle sub-micronique est également proposée. / Rheology of high molecular weight polymer solutions at submicroscale is investigated, with a particular emphasis on the wall slip characterization. Our approach is to measure the velocity of a pressure-driven flow in sub-microchannels in order to determine an effective viscosity of fluids. We have been using fluorescence photobleaching as a non-invasive technique to evaluate the velocity of a pressure-driven flow in 175 to 4000 nm high channels. A striking reduction of the effective viscosity is observed with the confinement, as compared to the bulk one. Direct measurement of slip velocity in microchannels is performed, using z-resolved micro-Particle Image Velocimetry (PIV). This study enables to draw two important conclusions, which have never been experimentally demonstrated. Slippage of polymer solutions in the semi-dilute unentangled regime is greatly reduced by confinement. A distinction of bulk and surface phenomena seems no longer valid at the submicroscale. This experimental method is also adapted to the study of surfactant solutions flows at the submicroscale.

Dans cette thèse, on s'intéresse au caractère bien posé et à la contrôlabilité de quelques systèmes d'interaction fluide-structure. Plus précisément, on considère le système constitué de structures déformables ou indéformables et d'un fluide visqueux incompressible. On suppose que le fluide satisfait les équations non linéaires de Navier-Stokes en dimension 2 ou 3 et de Burgers visqueux en dimension 1. Les équations du mouvement des structures sont obtenues en minimisant une énergie du système (principe de D'Alembert) ou en appliquant le principe fondamental de la dynamique (lois de Newton). Les principaux résultats de cette thèse concernent l?existence des solutions (faibles ou fortes) dans le cas déformable, et la contrôlabilité à zéro dans le cas indéformable / In this thesis, we consider the well-posedness and controllability of some systems of fluid-structure interaction. More precisely, we consider the system consisted of deformable or non-deformable structure and of a viscous incompressible fluid. We suppose that the fluid satisfy the Navier-Stokes equation in 2 or 3 dimensions and the viscous Burger equation in 1-d. The equations for the structures are obtained by minimizing certain energy of the system (D?Alembert principle) or by applying the fundamental principle of dynamics (Newton?s laws). The principal results of this thesis are: the existence of solutions (strong or weak) in the deformable case and the null-controllability in the non-deformable case

On s'attache à étudier des modèles mathématiques multi-échelles pour des domaines variés : la rhéologie des matériaux vitreux, la biochimie dans la balnéothérapie et la biomécanique des sutures craniofaciales. Pour les matériaux vitreux, nous étudions un modèle de type cinétique et justifions mathématiquement des propriétés macroscopiques (transition vitreuse à faible cisaillement et comportement de type fluide newtonien à fort taux de cisaillement) après avoir remarqué une certaine analogie avec la pénalisation d'obstacles en mécanique des fluides. Nous proposons également une généralisation multi-dimensionnelle de ce modèle afin de prendre en compte des types d'écoulements généraux. En biochimie nous présentons un premier modèle très simplifié de réaction-diffusion et montrons comment concevoir un schéma numérique adapté en utilisant les hypothèses de modélisation. Enfin nous proposons un modèle de couplage biomécanique pour le développement des sutures qui rend compte du phénomène d'interdigitation que l'on observe en pratique. / We study multiscale mathematical models for various scientific fields: soft glassy rheology, biochemistry for balneotherapy, and the biomechanics of craniofacial suture development. In soft flassy rheology, we study a kinetic-type of model and justify mathematically some macroscopic properties of the model (especially the glass transition at low shear rate and the Newtonian behaviour at large shear rate) by noticing an analogy with the problem of obstacle penalization in fluid mechanics. Moreover, we propose a multidimensional generalization of this model in order to handle more general flow types. In biochemistry, we introduce a first, very simplified model and show how we can design a numerical scheme based on the modelling hypotheses. Finally we present a model for suture growth coupling biology and mechanics which accounts for the interdigitation pattern observed in practice.

Le rhéoépaississement est un phénomène spectaculaire apparaissant dans certaines suspensions concentrées en particules. Il se manifeste par l’augmentation brutale de la viscosité de la suspension au delà d’une contrainte critique. L’exemple emblématique de suspension présentant ce type de comportement est le mélange d’amidon de maïs et d’eau. Le rhéoépaississement est longtemps resté une énigme, jusqu’à des travaux théoriques et numériques récents proposant un modèle microscopique cohérent. Selon celui-ci, le rhéoépaississement provient d’une transition frictionnelle due à la présence d’une force répulsive entre les grains. Au cours de ma thèse, j’ai réalisé une des premières démonstrations expérimentales directe de ce mécanisme. En m'inspirant de travaux venant du domaine des milieux granulaires, j'ai montré qu'en accord avec le modèle de transition frictionnelle, une suspension rhéoépaississante possède à faible pression granulaire un état non frottant. J'ai ensuite mis en évidence la transition en elle-même dans des suspensions contrôlées de billes de silice dans des solutions salines. Pour cela, j'ai dû développer de nouvelles méthodes de rhéologie à pression imposée. En effet, les rhéomètres standard ne permettent pas d'accéder aux propriétés de frottement des suspensions. Le seul rhéomètre qui le permet n'est pas adapté aux suspensions étudiées ici, qui sont constituées de particules colloïdales. Ce travail ouvre donc la voie au développement d’une nouvelle génération de rhéomètres permettant de mesurer le frottement dans les suspensions colloïdales, un enjeu majeur pour la rhéologie des fluides complexes. / Shear thickening is a spectacular phenomenon which takes place in some dense suspensions. It manifests itself by a brutal increase of the suspension's viscosity above a certain critical stress. The most iconic example of shear-thickening suspensions is cornstarch and water mixes. Shear thickening long remained a mystery, until recent theoretical and numerical works which proposed a consistent microscopic model. This model explains the shear thickening transition as a frictional one due to the presence of a repulsive force between the grains.During my PhD, I provided one of the first direct experimental proofs of this mechanism. Inspired by granular physics, I showed that shear-thickening suspensions possess a frictionless flowing state at low granular pressure, which is consistent with the proposed model. I then evidenced the frictional transition with controlled experiments using suspensions of silica beads in ionic solutions. To do this, I developed new rheological techniques enabling pressure imposed measurements. Indeed, standard rheological tools do not allow access to the frictional properties of suspensions. The only rheometer that does that is not adapted to the suspensions we study here, which are colloidal. This work thus paves the way for the development of a new generation of pressure imposed rheometers, giving access to colloidal suspensions friction, which is a major challenge in complex fluids rheology.

L'étude des fluides complexes présente un grand intérêt de par la richesse des phénomènes que font intervenir leur écoulement. Une étude de rhéologie locale de systèmes de micelles géantes en microcanal droit est effectuée. L'expérience montre que les propriétés du fluide soumis à un fort gradient de contrainte ne peuvent être décrites que par une équation rhéologique comportant des termes non locaux. Nous montrons alors l'influence du système de micelles géantes, du confinement ainsi que de la nature des surfaces du microcanal sur ces effets non locaux. Une étude des phénomènes temporels intervenant dans ces écoulements en microcanaux est alors proposée, ainsi qu'une étude préliminaire concernant les écoulements dans des milieux poreux modèles.