L'application de l'injection fluidique dans le divergent d’une tuyère axisymétrique supersonique pour dévier le vecteur poussée est une alternative attrayante aux systèmes classiques, puisqu’elle peut se substituer aux dispositifs mécaniques. Un tel concept de vectorisation est actuellement en cours d'application sur de récents avions de combat équipés de tuyères planes. La vectorisation fluidique peut trouver également son application dans les systèmes de contrôle d’altitude de satellites ; ce principe peut réduire le nombre de tuyères habituellement utilisées. L’un des objectifs principaux de ce travail consiste à analyser et étudier les différents phénomènes mis en jeu lors de l'injection d'un fluide secondaire dans le divergent de la tuyère. Partant de cette étude, un modèle analytique, basé sur le calcul d'un bilan complet de tous les efforts exercés sur les parois de la tuyère a été construit. Ce modèle permet de donner une estimation rapide de la déviation du vecteur-poussée. L'influence de certains paramètres sur cette déviation a été également abordée. Des calculs numériques ont été réalisés par la suite afin de valider ce modèle. Les résultats obtenus par notre modèle ont été par ailleurs comparés avec les données expérimentales disponibles dans la littérature. / Fluid injection application in the divergent of a supersonic axisymmetrical nozzle is an attractive way to produce vectored thrust since it can remove the need for complex mechanical devices. Such concept of thrust vectoring is currently applied for some recent jet-fighters with planar nozzles. However, fluidic thrust-vectoring may be interesting for satellite attitude control system; thrust-vectoring may reduce the number of nozzles usually used. One of the aims of this work is to analyse and study the numerous parameters concerned by the fluid secondary injection in the divergent nozzle. From this study, an analytical model, based on calculation of all efforts applied on the nozzle walls, is constructed. This model makes it possible to give a fast estimation of the thrust-vectoring. The effect of many parameters on the thrust vectoring was also studied. Extensive numerical calculations have been carried out thereafter to validate this model. The results obtained by our model were also compared to some existing experimental data which give a significant confidence of the model.

This PhD thesis experimentally studies the volumetric efficiency of gerotor pumps in aero-engine gas turbine oil systems. This efficiency is the ratio of the effective measured flow rate and the theoretical flow rate computed based on pump displacement. In case of low inlet pressure and high rotational speed, which is often the case in aeronautical applications, the pump performance is severely affected by cavitation. This phase change from liquid to vapour causes a large portion of the flow to be occupied by gas, reducing the volume available for the liquid and reducing the overall mass flow rate. Due to its nature, the lubrication oil used in gas turbine engines is subjected to aeration which is the dissolution of air in oil. The air is dissolved in the liquid at high ambient pressure and released at lower pressure causing more air to occupy the cavities inside the pump. The change in liquid aeration is a relatively slower phenomenon causing the variation of aeration to be delayed with respect to the actual pressure and therefore varying also accordingly to the previous oil condition.The essential part of the work presented in this thesis is based on experimental research realised at the ATM department. This was conducted on a dedicated oil system test rig. This rig is build to reproduce the complete set of operating conditions encountered in a flying embedded oil system. This test rig was modified and equipped with several specific measurement systems to acquire data on pump performance and oil aeration. Precisely, a series of single-phase performance characterisations and transients have been recorded. The oil aeration was measured with two density-based instruments. The pump outlet pressure was recorded with a high-frequency pressure transducer. A new set-up of the test rig was also developed to allow the testing of pumps in two-phase flows conditions. Two-phase flows performance characterisations and transients have then also been studied.The data processing provided information necessary to build empirical models and to understand pump and cavitation behaviours. The focus is on pump performance in cavitation. This justify the extensive use of the cavitation number indicating the tendency of a flow to experience cavitation in given conditions. The base models can be used to determine if a given condition leads to cavitation or not, and predict the pump efficiency in both cases. The high-frequency pressure measurements provided an efficient tool to detect cavitation. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce document est consacré à l’étude de quelques écoulements de fluides complexes appliquée à la micro-fluidique. Deux études indépendantes sont effectuées : d’une part l’étude des mélanges de fluides Newtoniens dans des micro-canaux fins, et d’autre part l’étude d’écoulements de Micelles géantes (fluides non-Newtoniens). Dans chaque étude on traite tout d’abord des modèles en détail, puis on effectue une étude numérique des modèles en question. Dans la première partie nous traiterons de l’hydrodynamique de mélanges de fluides de différentes viscosités en régime de Stokes. Nous dériverons alors un modèle réduit de type Reynolds à partir du modèle complet de Stokes. Cette réduction de modèle est particulièrement adaptée à des écoulements dans des micro-canaux dont le rapport d’aspect largeur/hauteur est important. Les modèles obtenus au final peuvent être 2D ou bien 2.5D (2D pour la pression 3D pour le mélange) selon que l’on souhaite ou non prendre en compte les variations de viscosité dans la direction ”?ne”. De plus, les conditions aux limites en haut et au fond du canal pour le modèle complet (canal à reliefs, motifs de matériaux glissants) apparaissent dans le modèle réduit comme de simples coefficients de résistance à l’écoulement. Un résultat d’existence de solution est donné pour le modèle 2D. Une méthode numérique est alors donnée pour approcher ces modèles. Cette méthode numérique est basée sur une discrétisation des équations sur une grille cartésienne, ce qui permet une résolution rapide des systèmes linéaires obtenus après discrétisation. Deux études numériques sont alors menées, tout d’abord une étude de l’inter-diffusion de deux fluides dont les viscosités sont différentes dans des expériences dites de ”co-flow”, puis une autre étude sur des écoulements mono-fluides pour des canaux à reliefs et à surfaces glissantes utilisant des modèles 2.5D adaptées. La deuxième partie de ce document est consacrée à l’étude d’écoulements micro-fluidiques de micelles géantes en solution. Ce type particulier de fluide a tendance à former spontanément dans l’écoulement des phases dont les propriétés mécaniques peuvent être très différentes. (...) Cette étude a permis en particulier de déterminer le rôle exact de la diffusion dans le modèle. Une deuxième étude concernant des écoulements 3D dans des jonctions micro-fluidiques en T a permis de mieux comprendre les phénomènes étranges observés sur la répartition des débits dans les branches de sortie de ces jonctions. / Abstract

De par leur importante compressibilité et leur fréquence de résonance extrêmement basse, les bulles sont des objets physiques singuliers du point de vue de l'acoustique et de la mécanique des fluides. En utilisant la technique de la microfluidique afin de créer des assemblées de bulles bi-dimensionnelles, que nous excitons acoustiquement, nous étudions à la fois leur influence sur une onde sonore et sur le fluide présent à leur voisinage.Les bulles étant des résonateurs sub-longueur d'onde, nous montrons qu'une assemblée de micro-bulles va interagir avec une onde sonore de longueur d'onde bien plus importante que la taille des bulles individuelles. En proposant une méthode pour extraire la contribution des bulles au signal acoustique, nous montrons que leur résonance suit une loi légèrement modifiée par rapport à celle proposée par Minnaert pour des bulles sphériques.Nous avons également exploré le potentiel de ce système expérimental comme méta-matériau pour l'acoustique. Nous observons en effet une baisse de la transmission d'une onde sonore à travers ce matériau et ce, dans une gamme de fréquence située au-delà de la fréquence de résonance.Cette baisse de la transmission peut être ajustée à la fois en fréquence et en amplitude ce qui fait de ce système un méta-matériau adaptable dont les caractéristiques peuvent être facilement ajustées. / Because of the important compressibility of gas bubbles in water, inducing a very low resonance frequency, one can find interest in studying bubbles from an acoustic and a fluid mechanics point of view. Using microfluidics techniques in order to produce assemblies of acoustically driven bi-dimensional bubbles, we are studying their influence on both acoustic waves and the surrounding fluid.Bubbles being sub-wavelength resonators, we show that a micro-bubbles assembly interacts with acoustical waves which wavelengths that are substantially bigger than the bubbles size. Developing a way to extract bubbles contribution to the acoustic signal, we show that their resonance frequency follows a law slightly different from the one Minnaert had found for spherical bubbles. The impact of this medium on the acoustical wave has been studied and we show that a decrease in the acoustical transmission happens in a range of frequencies above the resonance. This decrease can be adjusted in amplitude and in frequency making our system an easily tunable metameterial.Because of the strong response of bubbles induced by acoustical waves, the bubbles surface oscillates with a great amplitude in the surrounding fluid. This oscillation, working together with a coupling present between the bubbles, can drive a strong steady streaming in the fluid. Systems of several bubbles are studied, and a theory is proposed in order to predict the flow they induce. The interaction between the streaming phenomenon and an external flow is also presented, showing that exclusion zones can be present under certain circumstances in these systems. These exclusion zones can be useful in micro-fluidics in order to trap particles or chemicals.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre applicatif général de l'analyse de cellules uniques. Afin d’améliorer la sélectivité du tri de cellules uniques, les équipes de FEMTO-ST proposent de contrôler en boucle fermée les trajectoires des cellules entemps réel pendant leur trajet dans les puces dédiées au tri. Dans ce cadre, mes travaux de thèse portent sur une méthode novatrice de détection en temps-réel de la position des cellules, directement intégrée aux puces et basée sur le principephysique de la mesure d'impédance.Lors du passage d’une cellule dans un microcanal, celle-ci vient modifier l’impédance mesurable entre des électrodes placées sur les bords du canal.Une méthode générique permettant de formuler les variations d'impédance en fonction de la position de la particule été proposée (modèledirect).Une méthode d'estimation de la position d’une particule reposant sur les mesures d’impédance a également été proposée (modèle inverse). Celle-ci exploite un filtre de Kalman étendu, permettant la fusion de données en provenance de plusieurspaires d'électrodes, et exploitant les informations disponibles telles que la distribution du bruit de mesure et le modèle dynamique de la particule.La validation de la méthode a été effectuée sur un banc expérimental qui a été développé lors de cette thèse et sur des simulations numériques.Ces travaux montrent la pertinence d’exploiter l’impédancemétrie pour construire un capteur de position de particules immergées dans un microcanal. Cette méthode est une alternative à l’utilisation de microscopes optiques et présente l’avantage d’une grande compacité. / This thesis is part of the general application framework of single cell analysis. In order to improve the selectivity of single cell sorting, FEMTO-ST teams propose to control in closed loop the trajectories of the cells in real time during their journey in the chips dedicated to sorting. In this context, my thesis work focuses on an innovative method for real-time detection of cell position, directly integrated into chips and based on the physical principle of impedance measurement.When a cell passes through a microchannel, it changes the measurable impedance between electrodes placed on the edges of the channel.A generic method for formulating impedance variations as a function of particle position has been proposed (direct model). A method for estimating the position of a particle based on impedance measurements has also been proposed (inverse model). It uses an extended Kalman filter, allowing data from several pairs ofelectrodes to be merged, and exploiting available information such as measurement noise distribution and particle dynamic model. The validation of the method was carried out on an experimental bench that was developed during this thesis and on numerical simulations.This work shows the relevance of using impedance measurement to build a position sensor for particles immersed in a microchannel. This method is an alternative to the use of optical microscopes and has the advantage of being very compact.

L'ambition du projet Européen « FELICITAS » est le développement de générateurs piles à combustible performants pour les applications transport de type ferroviaire, routier lourd et maritime. Les travaux présentés concernent plus particulièrement l'évaluation d'une hybridation de sources originale où sont couplées en série une pile haute température de type oxyde solide (SOFC) alimentée en diesel et une pile basse température de type électrolyte polymère (PEFC). La SOFC participe ainsi à la fourniture de puissance électrique et contribue également au procédé de purification du combustible destiné à la PEFC en oxydant une fraction du monoxyde de carbone.<br /><br />Une approche de modélisation macroscopique a été développée. La complexité d'une pile à combustible réside notamment dans la prise en compte de son caractère multiphysique : elle est le siège des phénomènes électrochimique, fluidiques et thermiques. Cette difficulté a été surmontée en utilisant une analogie avec un circuit électrique équivalent pour unifier ses trois aspects, implanter et coupler ces sous-modèles dans un logiciel unique sous Matlab/Simulink™. <br /><br />Un modèle de pile SOFC est proposé, appliquant le principe d'analogie électrique pour les circuits anodiques et cathodiques ainsi qu'une méthode nodale pour le comportement thermique. Le combustible considéré est un mélange d'hydrogène, d'azote, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau, dont la composition est proche de celle obtenue à la sortie d'un reformeur. Un banc d'essai spécifique a été conçu et réalisé pour le test de petits empilements afin de valider le modèle. Deux types de conception de stack ont été étudiés : une technologie à combustion libre du gaz anodique dans le fluide et une technologie à collecteur de gaz d'échappement anodique.<br /><br />Un modèle de pile PEFC isotherme a également été développé sur le même principe. La validation expérimentale a été faite sur un banc disponible au laboratoire. Une bibliothèque des éléments fluidique d'un générateur à pile à combustible a été enrichie (électrovanne, régulateur de débit, détendeur...) notamment par un modèle simplifié de compresseur d'air.

La réfrigération magnétique est une technologie innovante de production de froid, qui peut remplacer la technique classique de compression-détente de fluides frigorigènes. Son principe est basé sur l'effet magnétocalorique qui se traduit par le refroidissement ou l'échauffement de certains matériaux sous l'action d'un champ magnétique. Ce travail de thèse s'est déroulé dans le cadre d'un projet " CARNOT Energies du futur " et s'oriente vers l'étude magnétothermique et fluidique de systèmes de réfrigération. Pour cela, un outil numérique a été développé à l'aide du logiciel FLUENT afin de décrire le comportement thermique de différents régénérateurs, cœur même des systèmes de RM. En parallèle, deux systèmes de réfrigération magnétique ont été développés et améliorés, chacun d'eux présentant des performances intéressantes. Ces résultats ont permis de comprendre et définir les facteurs les plus influents sur leurs performances, et en déduire ainsi leurs conditions de fonctionnement optimales

Th. doct.-ing.--Méc. des fluides--Toulouse--I.N.P., 1977. N°: 8.

La mucoviscidose est une maladie génétique mortelle qui limite ou empêche la production de composés antimicrobiens tels que l’hypothiocyanite (OSCN-) et la lactoferrine. L’objectif de cette étude est de produire un médicament contenant ces deux composés antimicrobiens (10 mL). Cependant l’hypothiocyanite est instable et nécessite une production juste avant administration. Pour cela, une unité de production de médicament portable, destinée à une utilisation par le patient à domicile, est développée avec un appareil réutilisable comprenant le système de pilotage du procédé et une cassette jetable composée par le circuit fluidique et le module membranaire. Le développement du circuit fluidique associé à un module membranaire nécessaire à la purification de l’hypothiocyanite, présent dans le milieu réactionnel, en prenant en compte les contraintes pharmaceutiques, constitue le verrou scientifique et technologique de cette thèse. Au travers de deux géométries membranaires testées, l’étude des paramètres opératoires pour la réalisation de la réaction enzymatique (mécanique des fluides, ultrafiltration, réaction) a permis de mieux appréhender et d’optimiser la production d’hypothiocyanite mais aussi de mettre en évidence les paramètres clés de l’élimination de la glycérine, présente initialement dans les membranes. En parallèle des essais cliniques modifiant les contraintes imposées, l’unité de production et la cassette jetable développées ont permis d’obtenir des résultats proches de ces nouvelles contraintes. / Cystic fibrosis is a fatal genetic disease that limits or prevents antimicrobial compounds such as hypothiocyanite (OSCN-) or lactoferrin. The aim of this study is to produce a drug with those two antimicrobial compounds (10 mL). However hypothiocyanite is unstable and requires production just prior to administration. In order to do so, a portable drug production unit, to be used by the patient at home, is developed. It is made with a reusable device including a control process system and a disposable cassette composed by a fluidic circuit and a membrane module. The scientific and technological challenge of this work is the development of a fluidic circuit incorporating the membrane module for the purification of hypothiocyanite present in a reaction medium while taking into account pharmaceutical constraints. Through two membrane geometries tested, the study of operating parameters to achieve enzymatic reaction (fluid mechanics, ultrafiltration and reaction) allowed to better understand and to optimize the hypothiocyanite production. Furthermore it highlighted the important parameters of the removal of glycerin, initially contained in the membranes. Finally the production unit and the disposable cassette allowed to obtain results close to the specifications. Even though these specifications were redefined and more stringent for clinical trials.

L’électrophorèse est une technique puissante permettant de séparer des biomarqueurs présents dans les liquides biologiques.L’électrophorèse de zone libre transporte des molécules en milieu liquide sous l’influence de deux contributions : le flux électrophorétique et le flux électroosmotique (EOF). C’est ce dernier flux EOF qui permet d’optimiser la résolution analytique de la séparation et donc de simplifier le mélange avant sa détection. Notre équipe a développé un contrôle en temps réel de l’ EOF en intégrant une interface polarisable diélectrique dans un dispositif microfluidique. Le carbone amorphe azoté (CNx avec x=15%) a été choisi comme ce matériau.Comme le CNx ne peut pas être déposé directement sur un substrat de verre à cause de sa faible adhérence, deux matériaux différents ont été proposés comme couche d’accroche : le carbure de silicium (SiC) et le platine (Pt). Nous avons tout d’abord optimisé l’adhésion entre le film CNx et la couche d’accroche SiC par différentes procédures de fabrication. Cependant, en raison d’une faible adhérence, le film CNx s’est rapidement décollé en électrolyte liquide. Par contre, nous avons prouvé que certaines architectures hybrides incluant du Pt dans la couche d’accroche sont incroyablement robustes. Même après deux mois dans une solution millimolaire de KCl, le CNx adhérait toujours au verre sans aucune trace de délamination. Ce dispositif a fourni aussi une grande fenêtre de polarisabilité (de -1V à +1V). Nous avons enfin développé une architecture hybride « couche d’accroche isolée/couche électriquement polarisable/électrodes de grille enterrées/ polymère » afin d’éviter toute perte faradique dans l’électrolyte liquide ou vers les circuits conducteurs du dispositif. A l’issue de ces travaux, nous pensons être en mesure de proposer un composant fluidique complexe et robuste qui permet une modulation en temps réel de l’ EOF lors de migrations électrophorétiques. / Electrophoresis is currently an efficient way to separate precious biomarkers from complex mixtures. It takes place to transport molecules under two contributions: the electrophoretic flow and the electroosmotic flow (EOF). The latter allows to optimize the analytical resolution of the separation.Our team has developed a real-time dynamic control of the EOF by integrating a dielectric polarizable interface in the microfluidic device.Amorphous carbon nitride (CNx with x=15%) has dielectric properties and was chosen to be the polarizable interface. Since it cannot be deposited directly onto glass substrate, we have proposed and studied two different materials as the sticking underlayer: silicon carbide (SiC) and platinum (Pt).In the case of SiC, we have optimized the adhesion between CNx film and SiC underlayer through different fabrication procedures.However, due to poor adhesion, CNx film delaminated into liquid electrolyte quickly.Compared to SiC, Pt is a good sticking underlayerfor CNx. It was found out that even after two months in KCl solution, CNx still stuck robustly toPt. Meanwhile, the device provided a large windowof polarizability (from -1V to +1V). Finally, toavoid any faradic loss in the liquid electrolyte ortowards the conductive circuitry of the device, we have developed a sticking underlayer/electrically polarizable/polymeric hybrid architecture. This architecture appears to be the most robust existing polarizable interface for strong and long-term adhesion onto glass substrates.