Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le phénomène de dérive constitue un enjeu environnemental et sanitaire majeur lors de la pulvérisation de solutions phytosanitaires sur les surfaces agricoles. Sous l'action du vent, des gouttelettes peuvent dériver loin des champs ciblés et être source de pollution. Une stratégie pour limiter la dérive est de contrôler la distribution de taille des gouttes de spray, en réduisant la proportion de petites gouttes. Dans ce but, des additifs anti-dérives, tels que des émulsions diluées d'huile dans l'eau, ont été développés. Bien que largement étudiés, les effets de ces émulsions ne sont pas encore bien compris. L'objectif de cette thèse est d'élucider les mécanismes à l'origine de l'augmentation de la taille des gouttes de spray à base d'émulsions.La pulvérisation implique la fragmentation d'un flux de liquide par une buse hydraulique. A la sortie de la buse, une nappe libre de liquide est formée, puis déstabilisée en gouttes. Afin d'élucider les mécanismes à l'origine des effets anti-dérives des émulsions, nous étudions l'influence de ces émulsions sur les mécanismes de déstabilisation des nappes liquides. Une expérience modèle basée sur la collision d'une goutte de solution sur une cible solide est utilisée pour produire et visualiser des nappes liquides. Lors de l'impact, la goutte s'aplatit en une nappe qui s'étend radialement dans l'air, bordée par un bourrelet plus épais. Différents mécanismes de déstabilisation sont observés en fonction des propriétés des fluides. Une nappe d'eau pure s'étale radialement puis se rétracte par effet de la tension de surface ; simultanément, le bourrelet est déstabilisé en gouttes. Pour une émulsion diluée d'huile dans l'eau, le mécanisme de déstabilisation dominant est considérablement modifié: les nappes sont déstabilisées par la nucléation de trous qui perforent le film liquide lors de son expansion; les trous grandissent jusqu'à la formation d'un réseau de ligaments, qui est ensuite déstabilisé en gouttes.Une étude systématique de l'influence des paramètres physico-chimiques de l'émulsion, tels que la concentration en huile et la distribution de taille de gouttelettes d'huile, sur le mécanisme de perforation est conduite. Nous établissons une corrélation entre le nombre d'évènements de perforations observés dans les nappes modèles et la distribution de taille de gouttes de sprays formés avec des buses de pulvérisation agricoles. Ce résultat démontre la pertinence expérimentale de notre expérience modèle pour comprendre les mécanismes d'actions des formulations anti-dérives. Nous montrons ainsi que le mécanisme à l'origine de l'augmentation de la taille des gouttes de spray à base d'émulsion est un mécanisme de perforation.Pour comprendre les mécanismes à l'origine de la perforation, nous développons une technique optique permettant de mesurer le champ d'épaisseur de nappes liquides. Nous constatons que la formation d'un trou dans la nappe est systématiquement précédée par un amincissement local du film liquide. Nous montrons que cet amincissement est le résultat de l'entrée puis de l'étalement par effet Marangoni de gouttelettes d'huile à l'interface air/eau. L'amincissement du film liquide conduit in fine à sa rupture.Nous proposons un mécanisme de perforation en deux étapes: les gouttelettes d'huile (i) entrent à l'interface air/eau, et (ii) s'étalent à l'interface. La formulation de l'émulsion est un paramètre critique pour contrôler le processus de perforation. L'addition de sels ou de copolymères amphiphiles à des émulsions stabilisées par des tensio-actifs ioniques peut soit déclencher, soit inhiber le mécanisme de perforation. Nous montrons que l'entrée de gouttes d'huile à l'interface air/eau est l'étape limitante de ce mécanisme. Les interactions répulsives de nature stérique et/ou électrostatique entre les gouttelettes d'huile et l'interface stabilisent le film liquide, empêchant les gouttelettes d'entrer à l'interface, et ainsi inhibent le processus de perforation. / One of the major environmental issues related to spraying of pesticides on cultivated crops is the drift phenomenon. Because of the wind, small droplets may drift away from the targeted crop and cause contamination. One way to reduce the drift is to control the spray drop size distribution and reduce the proportion of small drops. In this context, anti-drift additives have been developed, including dilute oil-in-water emulsions. Although being documented, the effects of oil-in-water emulsions on spray drop size distribution are not yet understood. The objective of this thesis is to determine the mechanisms at the origin of the changes of the spray drop size distribution for emulsion-based sprays.Agricultural spraying involves atomizing a liquid stream through a hydraulic nozzle. At the exit of the nozzle, a free liquid sheet is formed, which is subsequently destabilized into droplets. In order to elucidate the mechanisms causing the changes of the spray drop size distribution, we investigate the influence of emulsions on the destabilization mechanisms of liquid sheets. Model single-tear experiments based on the collision of one tear of liquid on a small solid target are used to produce and visualize liquid sheets with a fast camera. Upon impact, the tear flattens into a sheet radially expanding in the air bounded by a thicker rim. Different destabilization mechanisms of the sheet are observed depending on the fluid properties. A pure water sheet spreads out radially and then retracts due to the effect of surface tension. Simultaneously, the rim corrugates forming radial ligaments, which are subsequently destabilized into droplets. The destabilization mechanism is drastically modified when a dilute oil-in-water emulsion is used. Emulsion-based liquid sheets are destabilized through the nucleation of holes within the sheet that perforate the sheet during its expansion. The holes grow until they merge together and form a web of ligaments, which are then destabilized into drops.The physical-chemical parameters of the emulsion, such as emulsion concentration and emulsion droplet size distribution, are modified to rationalize their influence on the perforation mechanism. We correlate the size distribution of drops issued from conventional agricultural spray with the amount of perforation events in single-tear experiments, demonstrating that the single-tear experiment is an appropriate model experiment to investigate the physical mechanisms governing the spray drop size distribution of anti-drift formulations. We show that the relevant mechanism causing the increase of drops size in the emulsion-based spray is a perforation mechanism.To gain an understanding of the physical mechanisms at the origin of the perforation events, we develop an optical technique that allows the determination of the time and space-resolved thickness of the sheet. We find that the formation of a hole in the sheet is systematically preceded by a localized thinning of the liquid film. We show that the thinning results from the entering and Marangoni-driven spreading of emulsion oil droplet at the air/water interface. The localized thinning of the liquid film ultimately leads to the rupture of the film. We propose the perforation mechanism as a sequence of two necessary steps: the emulsion oil droplets (i) enter the air/water interface, and (ii) spread at the interface. We show that the formulation of the emulsion is a critical parameter to control the perforation. The addition of salt or amphiphilic copolymers can trigger or completely inhibit the perforation mechanism. We show that the entering of oil droplets at the air/water interface is the limiting step of the mechanism. Thin-film forces such as electrostatic or steric repulsion forces stabilize the thin film formed between the interface and the approaching oil droplets preventing the entering of oil droplets at the interface and so inhibit the perforation process.

Les interactions entre des gouttes ou des bulles sont rencontrées dans de nombreuses applications industrielles et/ou environnementales. Ici, nous nous intéressons à l’électro-coalescence qui a des applications importantes comme par exemple la séparation eau/pétrole (coalescence de gouttelettes d'eau dans du pétrole). L’étude a été consacrée à l’élaboration et à la mise point de modèles basés sur les équations de Navier-Stokes et les équations régissant les champs électriques au niveau d’une seule goutte ainsi que l’interaction entre deux gouttes et plus particulièrement l’effet des forces hydrodynamiques et électrostatiques sur le mécanisme d’amincissement du film séparant les deux gouttes. Selon les cas traités, le suivi de l’interface est réalisé soit à l’aide de la méthode LS (Level Set) ou bien à l’aide de la méthode MM (Moving Mesh). Les solutions numériques ont été obtenues à l’aide du code de calcul COMSOL Multiphysics. Dans une première étape, nous avons analysé l’effet d’un champ électrique sur la déformation d’une seule goutte suspendue dans un autre fluide visqueux, pour différentes propriétés physiques et électriques des deux fluides. Le modèle a été testé et validé par confrontation avec les solutions analytiques existantes et avec des études numériques de la littérature. Nous avons examiné aussi l’influence du champ électrique sur la génération d’une goutte secondaire lors de la coalescence entre une goutte et une interface liquide-liquide déformable. Dans une seconde étape, nous avons étudié le drainage et la déformation de deux gouttes en interaction sous l’action d’une force constante. Contrairement à la théorie de lubrification basée entre autre sur l’hypothèse d’une petite déformation de l’interface, aucune hypothèse simplificatrice n’a été utilisée pour la résolution des équations, ce qui a permis d’obtenir des solutions numériques aussi bien pour les petites que pour les grandes déformations. Dans une troisième étape, nous avons examiné l’ascension d’une goutte isolée ou de deux gouttes de n-butanol dans l’eau sous l’influence de la force de flottabilité. L’évolution des vitesses terminales d’ascension des gouttes (goutte de tête/goutte suiveuse) et le drainage du film séparant les deux gouttes ont été analysées en présence et en l’absence de champ électrique. / Drops and bubbles interactions are encountered in various industrial and environmental applications. In this work, we focus on the electro-coalescence which has important industrial uses such as the destabilization of water / oil emulsions (coalescence of water droplets in oil). This study was devoted to the development and the elaboration of numerical models based on the Navier-Stokes equations and those describing the electrical field on a single drop as well as the interaction between two drops, and more particularly the effect of hydrodynamic and electrostatic forces on the thinning mechanism of the film separating the two drops. According to the treated cases, the interface tracking is achieved either by using the LS method (Level Set) or using the MM method (Moving Mesh). Numerical solutions were obtained using the commercial CFD software COMSOL Multiphysics. During the first step, we analyzed the effect of an electrical field on the deformation of a single suspended drop in another viscous fluid, for different physical and electrical properties of the two fluids. The model was tested and validated by comparison with existing analytical solutions and numerical studies found in the literature. We also analyzed the influence of the electric field on the generation of a secondary drop during the coalescence between a drop and a deformable liquid-liquid interface. In a second step, we investigated the drainage and deformation of two drops in interaction under the effect of a constant force. Unlike the lubrication theory which is based among others, on the assumption of a small interface deformation, in this work, no simplifying assumptions were used for the solution of equations, which allowed us to obtain numerical solutions for both small and large deformations. For the third step, we examined the rise of two drops of n-butanol in water under the influence of buoyancy force. The evolution of the drops terminal ascension velocity (leading drop/trailing drop), and the drainage of the film separating the two drops were analyzed in the presence and in the absence of electrical field.

L’objectif de ce travail porte sur l’étude et la réalisation de résonateurs optiques à état liquide en microfluidique digitale. Les gouttes sphériques constituent des résonateurs à mode de galerie, dans lesquels la lumière peut être piégée par réflexion totale interne. A l’échelle microscopique, elles exhibent des propriétés optiques remarquables. Leurs facteurs de qualité très élevés en font notamment des objets propices à l’étude de phénomènes optiques non linéaires, tel l’effet laser, et leur confèrent un potentiel certain en spectroscopie. Par ailleurs, la microfluidique digitale, qui a trait aux systèmes multiphasiques dans des microcanaux artificiels, offre une grande liberté de manipulation des microgouttes : génération au kHz, transport, encapsulation, fusion, division, stockage, triage… Aussi, pour les laboratoires-sur-puce, le développement de ces microgouttes en cavités résonantes constitue une opportunité d’intégrer des outils d’analyse optique capables de sonder des échantillons allant du picolitre au nanolitre.Après un exposé des propriétés optiques des résonateurs à modes de galerie, ce mémoire rapporte les travaux réalisés. Une présentation des méthodes de microfabrication et du montage expérimental précède l’étude de la génération de cavités optiques liquides en dynamique. Ces cavités résonantes sont ensuite appliquées aux sources lasers microfluidiques. En particulier, un effet laser a été mis en évidence dans des microgouttes sphériques d’éthylène glycol contenant de la rhodamine 6G. Enfin, une ouverture sur des systèmes couplant microgouttes et cavités Fabry-Perot présente d’autres perspectives telles que l’analyse de gouttes passives en intravité laser ou bien la commutation rapide de la longueur d’onde d’émission de lasers microfluidiques monomodes. / The purpose of this work is to study and realize liquid state optical resonators in digital microfluidics. Spherical droplets may behave as whispering gallery mode resonators, in which light is trapped by total internal reflections. At the microscopic scale, they exhibit outstanding optical properties. Their high quality factors make them attractive for studying non-linear optical phenomena, such as lasing, and for spectroscopy. In another field of research, digital microfluidics, that deals with multiphase fluid systems in artificial microchannels, also involves microdroplets. It offers a high degree of freedom in handling microdroplets: kHz generation, transport, encapsulation, fusion, division, stockpiling, sorting… Therefore, in lab-on-chip systems, turning microdroplets into resonant microcavities constitutes an opportunity for integrating optical analysis tools that can probe picoliter to nanoliter samples.After a review of the optical properties of whispering gallery mode resonators, this thesis reports the experimental results. A presentation of the methods of microfabrication and of the experimental bench top precedes the study of the dynamic generation of liquid optical microcavities. Then, these resonant cavities are applied to microfluidic laser sources. In particular, lasing effect has been demonstrated in spherical microdroplets of ethylene glycol and rhodamine 6G. Finally, an opening towards systems that combine microdroplets and Fabry-Perot cavities presents other perspectives such as the analysis of passive droplets in laser intacavity or the capability of fast switching the output wavelength of single mode microfluidic dye lasers.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse sont orientés vers la compréhension des mécanismes réactionnels propres aux produits pétroliers tels que les lubrifiants et les graisses par analyse thermique. La technique d’analyse thermique principalement utilisée était la calorimétrie de réaction. Dans un premier temps, une étude approfondie de la réponse instrumentale a été conduite. Une nouvelle méthode d’étalonnage a été proposée en se basant sur l’étalonnage par effet Joule. Avec ce type de correction, une étude cinétique plus précise peut alors être conduite, elle permet en outre d’étudier la cinétique de mécanisme complexes comme celles rencontrées avec les produits pétroliers. Dans un second temps, l’étude de la neutralisation de l’acide sulfurique par un lubrifiant marin a été effectuée. Cette étude a permis de développer une méthode d’analyse de routine permettant de comparer l’efficacité d’un lubrifiant à neutraliser une quantité précise d’acide sulfurique. Il devient alors possible d’estimer le temps nécessaire pour neutraliser l’acide afin d’éviter qu’il n’endommage l’intégrité des parties métalliques sensées être protégées par le lubrifiant marin. Une étude cinétique du phénomène de neutralisation, par l’intermédiaire des méthodes isoconversionnelles, a permis d’avoir une indication sur le modèle réactionnel pilotant ce mécanisme. Pour finir, l’influence du choix des paramètres tels que la température, les vitesses de chauffe où les temps de cuisson de graisse, a été étudié par en mêlant des techniques d’analyses thermique et rhéologiques. / The research work presented in this thesis are oriented on the understanding of reactional mechanisms occurring in the field of oil products, such as lubricants and greases, by thermal analysis. The main thermal analysis technique used was the reaction calorimetry. Firstly, the instrumental response study of the calorimeter was led. A new calibration method have been proposed, this method is based on the calibration by Joule effect. From this correction, a more accurate kinetic evaluation can be done in order to study the complex mechanisms as those met with oil products. In a second time, the study of the neutralization of sulfuric acid by a marine cylinder lubricant was carried out. This work allowed to develop a routine analysis method to compare the lubricant ability to neutralize a precise amount of sulfuric acid. The time estimation is important to determine the frequency of lubricant replacement and to avoid the damage on the metallic parts. A kinetic study of the neutralization phenomena using isoconversional kinetic method, allowed to obtain the reactional model. Finally, the influence of parameters choice such as temperature, heating rate or cooking time have been evaluated by thermal and rheological analysis. Greases have been produced in a reaction calorimeter using a stirring system specifically developed. Information obtained allow to choose accurately the parameters used during the manufacturing processes in order to save time and decrease production costs.

Nous avons mis au point une nouvelle technique optique de détection en temps réel des bioaérosols parmi un ensemble d'aérosols de fond, dont en particulier les suies de combustion. Cette technique repose sur l'excitation ultra-brève multi-impulsionnelle des fluorophores intrisèques des bioaérosols. Des signatures spécifiques aux bactéries et aux hydrocarbures ont ainsi été mises en évidence, alors que les spectres de fluorescence de ces espèces sont indiscernables. <br /><br />La spectroscopie pompe-sonde a aussi été mise en oeuvre pour sonder la dynamique de propagation d'une impulsion femtoseconde dans une microcavité 2D de forme spirale. Nous avons réalisé un dispositif d'imagerie de corrélation afin de suivre, avec une résolution temporelle, la propagation d'un paquet d'onde laser. Des simulations FDTD ont permis d'interpréter les observations et de mettre en évidence un processus original de couplage de sortie, impliquant la réflexion de l'onde évanescente sur la discontinuité de la spirale.

L'objectif principal consiste en une étude théorique et expérimentale sur l'effet de la force d'histoire exercée sur une inclusion fluide ou solide en mouvement accéléré dans un milieu visqueux. Cette force dite aussi force de mémoire est souvent négligée dans le bilan de quantité de mouvement. Elle dépend essentiellement de la diffusion de vorticité à l'intérieur et à l'extérieur de l'inclusion ainsi que de la géométrie de celle-ci. Elle s'exprime généralement sous une forme intégrale retenant toute l'histoire de l'accélération de la particule, et donne une forme intégro-différentielle à l'équation du mouvement. Dans un premier temps, nous avons considéré des inclusions sphériques et nous avons pu déterminer les expressions analytiques de cette force pour chaque type d'inclusion : liquide, gazeuse ou solide. Ceci a été effectué par la détermination des champs hydrodynamiques à l'aide d'une méthode générale basée sur la formulation de la fonction de courant en séries de fonctions de Gegenbauer. A l'aide d'une installation expérimentale originale, nous avons pu valider les résultats théoriques et mesurer avec précision les effets de mémoire significatifs sur les trajectoires des particules sphériques oscillantes pour des nombres de Reynolds faibles et intermédiaires. Dans un second temps, nous avons utilisé les techniques des perturbations régulières pour étendre la formulation théorique suivie dans le cas des particules sphériques, et déterminer ainsi l'expression de la traînée instationnaire exercée sur une inclusion fluide ellipsoïdale oscillante. Le résultat obtenu a permis de mettre en évidence un nouveau terme d'histoire dû principalement à la géométrie de la particule et à son écart à la sphéricité.

De par son fort pouvoir énergétique, la combustion des particules d'aluminium dans les moteurs à propergol solide permet d'accroître les performances des gros lanceurs spatiaux tel Ariane 5. Ces particules d'aluminium brûlent dans un environnement gazeux constitué essentiellement de H2O, CO2, N2, HCl, H2, et CO, à haute pression (P=60-70 atm) et haute température (T>3000 K). Dans le présent travail, nous nous sommes particulièrement intéressés à l'influence de l'atmosphère gazeuse sur les différents processus de combustion se déroulant à la fois en phase gazeuse et à la surface de la goutte d'aluminium. Nous avons pour cela développé un dispositif expérimental permettant de décrire précisément avec de multiples techniques et moyens d'analyse (caméra rapide, pyrométrie, spectrométrie, MEB, activation nucléaire) la combustion de gouttes d'aluminium millimétriques en lévitation aérodynamique dans des atmosphères oxydantes proches des conditions réelles dans les propergols (H2O, CO2, N2). Il en ressort que chaque espèce joue un rôle différent dans la combustion de l'aluminium. La vapeur d'eau est prépondérante dans les processus en phase gazeuse grâce à la production d'hydrogène qui facilite la diffusion de chaleur et de matière entre la flamme et la goutte. L'azote est essentiellement impliqué dans les réactions de surface avec la formation de nitrure d'aluminium (AlN) et d'oxynitrure d'aluminium (AlON) qui peuvent aboutir au recouvrement complet de la goutte et à l'arrêt de la combustion en phase gazeuse. Le dioxyde de carbone a un effet double. D'une part, CO2 brûle dans la flamme mais est moins efficace que H2O du fait des moins bonnes propriétés de transport de chaleur et de matière du CO en comparaison de H2. D'autre part, il se produit un phénomène de dissolution de carbone dans la goutte d'aluminium pendant la combustion qui peut atteindre des concentrations telles (20-25% molaire) qu'il peut entraîner un rejet de carbone à la surface aboutissant également à l'arrêt de la combustion en phase gazeuse.

Cette thèse porte sur l'utilisation de champs électriques pour faciliter l'élimination de l'eau coproduite avec le pétrole brut, sous la forme d'émulsions stables, lors des étapes d'extraction et de dessalement. Ce procédé, connu sous le nom d'électrocoalescence, s'appuie sur la capacité qu'ont les forces électrostatiques à promouvoir l'attraction et la coalescence de gouttelettes d'eau proches afin d'en augmenter la taille et ainsi d'en accélérer la sédimentation par gravité. Bien que les premières observations expérimentales datent déjà d'un siècle, de nombreuses zones d'ombres subsistent, notamment en ce qui concerne l'optimisation de l'efficacité des électrocoalesceurs de dernière génération. Dans ce contexte, une démarche, combinant simulation numérique multiphysique et expérimentation, a été mise en place pour étudier les phénomènes de mouvement, de déformation et d'instabilité d'interfaces eau-huile induit par la présence d'un champ électrique. La contribution la plus marquante concerne la modélisation et l'analyse de l'effet des forces électrostatiques sur le mécanisme d'amincissement du film d'huile séparant les gouttes. Les résultats numériques mettent en évidence la singularité du problème et l'inadaptabilité des modèles théoriques de lubrification classiquement adoptées pour représenter la coalescence dans les écoulements diphasiques. Une nouvelle expression asymptotique pour le calcul du temps de drainage entre les gouttelettes de l'émulsion est proposée et utilisée pour déduire un critère prédisant la probabilité d'électrocoalescence lors d'une collision dans un écoulement cisaillé. En parallèle, un dispositif sophistiqué, permettant de reproduire expérimentalement le phénomène et d'améliorer la représentativité du critère, a été construit. Enfin, en réponse à un point bloquant décelé lors de la phase de conception de ce dernier, une technique innovante d'injection à la demande de gouttes conductrices non chargées dans un liquide visqueux isolant, utilisant des impulsions électrostatiques, a été développé.

Filtration, récupération assistée du pétrole, flux sanguin... La compréhension des écoulements dans ces exemples repose sur la connaissance du transport de particules en milieu confiné. Plus généralement, dans ces situations se pose la question de l'influence des intéractions entre particules sur le comportement général de l'écoulement. Pour répondre à cela, une approche expérimentale originale est proposée, basée sur la création de nouveaux outils microfluidiques. Dans une première partie, nous étudions la dynamique du trafic de gouttes (suspension diluée) dans des réseaux d'obstacles microfluidiques. La présence des interactions hydrodynamiques entre particules rend cet écoulement non linéaire et il peut alors être parfaitement décrit par une équation dynamique de Burgers, rationalisant ainsi la présence des chocs de densité observés expérimentalement. Nous avons aussi fait ressortir de notre étude des paramètres généraux qui, non seulement sont utiles en microfluidique, mais s'avèrent pertinents à l'étude des différents domaines de trafic (voiture, piétons, ...). Ce travail est poursuivi par l'étude du transport d'une suspension concentrée 2D. Cet écoulement, gouverné par une dynamique intermittente, a été compris à travers une approche numérique, rendant compte de la phénoménologie d'avalanche constatée. Ce code s'avère ainsi efficace quant à l'interprétation de l'écoulement de particules dans des réseaux de tubes, modèle simple des milieux poreux.