Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Les puits de pétrole et de gaz sont scellés par le processus de cimentation primaire pendant les opérations de forage. L'étanchéité du puits est obtenue en plaçant du ciment dans la zone cible, qui est un espace étroit créé entre le trou de forage foré et l'extérieur d'un tubage en acier (ou d'un revêtement) qui est abaissé à l'intérieur du puits. Le ciment doit déplacer et éliminer le fluide en place d'abord dans le tubage, puis dans la section annulaire du puits avec un minimum de mélange. L'intégrité des bouchons de ciment placés est cruciale pendant toute la durée du forage du puits, ainsi que pendant la production du puits. Dans un tel écoulement par déplacement, plusieurs paramètres d'écoulement et propriétés du fluide contrôlent l'inter-pénétration des fluides, parmi lesquels les propriétés non newtoniennes (limite d'écoulement avec caractéristiques d'amincissement par cisaillement) des fluides impliqués sont considérées comme critiques. Presque toutes les études similaires antérieures dans la littérature envisagent l'injection d'un fluide newtonien dans un fluide non newtonien. Cependant, lors du processus de cimentation du puits, le fluide déplacé peut également posséder des propriétés non newtoniennes. Par conséquent, dans cette étude, l'imposition d'un fluide viscoplastique lourd dans un fluide newtonien léger est étudiée expérimentalement dans un tuyau vertical à grand allongement. Les densités des fluides sont légèrement différentes et ils sont miscibles. Le flux de déplacement est descendant. Les effets de la limite d'élasticité et du débit imposé sur la dynamique de l'écoulement, le mélange des fluides et la qualité de l'écoulement de déplacement sont analysés. Les résultats sont généralement utiles pour améliorer la qualité du processus de cimentation des puits primaires dans l'industrie pétrolière et gazière. / The oil and gas wells are sealed by the primary cementing process during drilling operations.The well sealing is achieved by placing cement into the target area, which is a narrow gapcreated between the drilled borehole and the outside of a steel casing (or liner) that is lowered down inside the well. The cement should displace and remove the in-place fluid initially in the casing and then in the annulus section of the well with minimum possible mixing. The integrity of placed cement plugs is crucial over the entire drilling time of the well, as wellas during the production of the well. In such a displacement flow, several flow parameters and fluid properties control the interpenetration of the fluids, among which non-Newtonianproperties (yield stress with shear thinning features) of the involved fluids are considered critical. Almost all previous similar studies in the literature consider injecting a Newtonianfluid into a non-Newtonian one. However, in the well cementing process, the displaced fluidcan also possess non-Newtonian properties. Therefore, In this study, the imposing of a heavy viscoplastic fluid into a light Newtonian fluid is investigated experimentally in a vertical pipewith a large aspect ratio. The densities of fluids are slightly different, and they are miscible.The displacement flow is downward. The effects of yield stress and the imposed flow rate onthe flow dynamics, the fluids mixing, and the quality of the displacement flow are analyzed.The results are generally helpful to improve the quality of the primary well cementing processin the oil and gas industry.

Cette thèse porte sur deux problèmes différents d'interaction fluide-structure dans le cas tridimensionnel: dans le premier problème, on effectue une étude théorique d'un problème d'interaction entre une structure déformable et un fluide Newtonien incompressible (Chapitre 2); dans le deuxième problème, on considère un problème inverse géométrique associé à un système fluide-corps rigide (Chapitre 3). Pour le premier problème nous démontrons un résultat d'existence et d'unicité des solutions fortes, en utilisant, pour la structure élastique, une approximation des équations de l'élasticité linéaire par un système de dimension finie. Dans le deuxième problème, nous démontrons le caractère bien-posé du système associé et nous montrons un résultat d'identifiabilité: la forme d'un corps convexe et sa position initiale sont identifiées par la mesure, en un temps positif, du tenseur de Cauchy du fluide sur une partie ouverte de la frontière extérieure. De plus, un résultat de stabilité pour ce problème est abordé. / This thesis deals with two different fluid-structure interaction problems in the three dimensional case: in the first problem, we make a theoretical analysis of a problem of interaction between a deformable structure and an incompressible Newtonian fluid (Chapter 2); in the second problem, we consider a geometrical inverse problem associated to a fluid-rigid body system (Chapter 3). For the first problem, we prove a result of existence and uniqueness of strong solutions by using, for the elastic structure, an approximation of the equations of linear elasticity by a finite-dimensional system. In the second problem, we prove the well-posedness of the corresponding system and we show an identifiability result: the form of a convex body and its initial position are identified by the measurement, at a positive time, of the Cauchy force of the fluid on an open part of the exterior boundary. Moreover, a stability result for this system is tackled.

Le couchage rideau est un procédé d'enduction sans contact qui permet un couchage " contour " d'une feuille de papier dont le point clé est la stabilité du rideau. Ce procédé semble devoir se développer dans les années à venir pour la production de papiers impression-écriture et de papiers et cartons d'emballages. Néanmoins, il existe aujourd'hui un écart important entre la stabilité théorique du rideau et les observations. Nous avons donc analysé par CFD l'écoulement interne dans un dispositif de couchage pilote avec différents fluides Newtoniens et Non-Newtoniens ainsi que l'écoulement externe sur le plan incliné de l'appareil. L'étude de l'écoulement interne par CFD a permis de faire ressortir la cause de vortex pouvant apparaître dans le dispositif. Pour avoir un écoulement sans vortex, le nombre de Reynolds à l'entrée doit être inférieur à une valeur critique égale à 20 pour la géométrie étudiée quel que soit le fluide utilisé. De plus la présence d'une seconde cavité permet de filtrer les perturbations pour des fluides peu rhéofluidifiants, ce qui est le cas des sauces de couchages pour des papiers WFC. Ces résultats ont été validés expérimentalement à l'aide de traceurs et de PIV en utilisant une réplique exacte en Plexiglas de la coucheuse rideau. Enfin en ce qui concerne l'étude de l'écoulement externe sur le plan incliné, l'utilisation de la CFD a permis de conclure que, pour les dispositifs de couchage utilisés et les conditions opératoires de nos industries, certains problèmes présentés dans la littérature ne devraient pas exister.

Le couchage rideau est un procédé d'enduction sans contact qui permet un couchage « contour » d'une feuille de papier dont le point clé est la stabilité du rideau. Ce procédé semble devoir se développer dans les années à venir pour la production de papiers impression-écriture et de papiers et cartons d'emballages. Néanmoins, il existe aujourd'hui un écart important entre la stabilité théorique du rideau et les observations. Nous avons donc analysé par CFD l'écoulement interne dans un dispositif de couchage pilote avec différents fluides Newtoniens et Non-Newtoniens ainsi que l'écoulement externe sur le plan incliné de l'appareil. L'étude de l'écoulement interne par CFD a permis de faire ressortir la cause de vortex pouvant apparaître dans le dispositif. Pour avoir un écoulement sans vortex, le nombre de Reynolds à l'entrée doit être inférieur à une valeur critique égale à 20 pour la géométrie étudiée quel que soit le fluide utilisé. De plus la présence d'une seconde cavité permet de filtrer les perturbations pour des fluides peu rhéofluidifiants, ce qui est le cas des sauces de couchages pour des papiers WFC. Ces résultats ont été validés expérimentalement à l'aide de traceurs et de PIV en utilisant une réplique exacte en Plexiglas de la coucheuse rideau. Enfin en ce qui concerne l'étude de l'écoulement externe sur le plan incliné, l'utilisation de la CFD a permis de conclure que, pour les dispositifs de couchage utilisés et les conditions opératoires de nos industries, certains problèmes présentés dans la littérature ne devraient pas exister. / Curtain coating is a contactless coating process which permits a contour coating of the paper and the key parameter of this process is a perfect stable curtain. This technology is expected to spread widely for graphic paper grades and boards in the next few years. Nevertheless, many experimental works revealed some differences between stability theory and results observed on the curtain. In this work, we performed CFD simulations both for Newtonian and Non-Newtonian fluids on the internal flow in a pilot curtain coater and on the flow down the inclined plane. The CFD study of the internal flow revealed the cause of vortex creation into the coater. To maintain vortex-free operation, the Reynolds number at the inlet must remain below a critical value whatever the fluid, which is equal to 20 with the studied geometry whatever the studied fluid. Moreover, a second cavity is useful since instabilities coming from the first cavity could be filtered for low shear-thinning fluids, which is the case of the WFC coating colours. These simulation results were validated thanks to flow visualization experiments with tracers and PIV using a transparent replica of the coater. Finally CFD simulations on the inclined plane were carried out and permitted to conclude that for the range of operating conditions used on the pilot curtain coater, some issues presented in literature should not exist industrially.