Dans le cadre de la modélisation et de l’expérimentation multi-échelles (projet LabEx MMCD pour les matériaux pour la construction durable) de l’Université Paris-Est Marne-la-Vallée, cette thèse de doctorat vise à modéliser et caractériser les micro-matériaux conçus par impact de gouttelettes de céramique fondue. Les applications de ces matériaux revétus de couches minces sont des traitements de surface pour la construction durable tels que la protection anti-corrosion, les barrières thermiques, le traitement du verre ou les renforts mécaniques. En particulier, nous nous concentrons sur la physique associée à la dynamique des gouttelettes liquides (l'aire de contact et le temps de contact entre la gouttelette et la surface) en effectuant une série de simulations numériques pour les écoulements diphasiques à petite échelle avec le code maison Thetis. Nous avons considéré des variations des conditions d'impact initiales ainsi que l’influence des forces d'inertie, capillaire et visqueuses sur la dynamique des gouttelettes. Nous nous sommes intéressés en particulier au diamètre d'étalement maximal, au temps d’étalement maximal et au temps de contact, sur des surfaces solides de mouillabilité variable. Le code est basé sur l’utilisation d’une méthode Volume-Of-Fluid. Il introduit une fonction auxiliaire régularisée pour estimer la courbure locale et la normale à l'interface. Les principaux liquides de référence adoptés sont l'eau et la céramique fondue, l'eau est choisie pour valider notre code en comparant les simulations aux résultats expérimentaux. La céramique fondue est adoptée car elle est largement utilisée en projection thermique pour créer des barrières thermiques et chimiques (couches anti-oxydantes) ainsi que des renforts mécaniques sur des échantillons spécifiques. Nous nous concentrons sur les cas où les surfaces sont hydrophobes, même si les cas hydrophiles sont également considérés dans les configurations de validation pour des raisons de généralité. Egalement, en introduisant une partie de calcul de l'énergie dans la thèse, une analyse énergétique détaillée de la gouttelette après l'impact est effectuée dans les phases d'étalement et de rétraction pour bien comprendre la dynamique à l'intérieur de la gouttelette. Nous trouvons que le temps de projection est inversement proportionnel à la vitesse d’impact, indépendamment de l’angle de contact lors de l’étalement au temps courts. Une nouvelle mise à l'échelle entre l'étalement maximal et le temps d'étalement est proposée. Celle-ci s'accorde très bien avec les résultats expérimentaux. Par ailleurs, nous introduisons cette mise à l’échelle dans une classe de modèle basée sur la conservation de l’énergie pour prédire l’étalement maximal adimensionné, ce qui permet de mieux prévoir l’étalement maximal adimensionné. Pour finir, une mise à l'échelle du temps de contact est proposée en termes de nombre d'Ohnesorge et de Reynolds / Under the framework of the LabEx Multi-Scale Modelling and Experimentation of Materials for Sustainable Construction, of Université Paris-Est Marne-La-Vallée, the present PhD thesis aims at modelling and characterizing micro-material designed by impact of molten ceramic droplets. The applications of thin coating materials are surface treatments for sustainable construction such as anti-corrosion, heat barrier, glass treatment or mechanical reinforcement of specific structures.In particular, we focus on the physics behind the liquid droplets' dynamics (the contact area and the contact time between the droplet and surface) by conducting a series of small scale multiphase flow numerical simulations with home-made code Thetis. All simulations are axisymmetric. We have considered variations of initial impact conditions, and studied the influence of inertial, capillary and viscous forces on the droplets' dynamics, especially the maximum spreading diameter, spreading time and the contact time, on solid surfaces. The code is based on Volume-Of-Fluid techniques and introduces an auxiliary smooth function to estimate the local curvature and the normal to the interface. The major reference liquid adopted are the water and the molten ceramic, the water is chosen to validate our code against available experiments at the beginning. The molten ceramic is adopted as it is widely used in thermal spray to built thermal and chemical barriers (anti-oxidant layers) as well as mechanical reinforcements on specific samples. We focus on the cases in which the surfaces are hydrophobic, even if hydrophilic cases are also considered in validation configurations for the sake of generality. Meanwhile, by introducing an energy calculation part in the code, a detailed energetic analysis of the droplet after impact is performed in both the spreading and retraction stage to have a deep understanding of the dynamics inside the droplet.We find the jetting time is inversely proportional to the impact velocity, independent of the contact angle in the early spreading. A new scaling between maximum spreading and spreading time is observed, and agrees well with experimental results. Further, we introduce this scaling into the model based on energy conservation to predict the maximum spreading factor, which provides better prediction on maximum spreading factor than existing literature references. Also a scaling of contact time is proposed in terms of Ohnesorge number and Reynolds number

A une époque où la miniaturisation est l'un des principaux défis de la science, la physique du mouillage aux petites échelles est loin d'être complètement comprise. Le rôle structurant des interfaces, les hétérogénéités du substrat ou l'occurrence d'effets dits de "ligne" commencent à se faire sentir. Le but de la présente thèse, expérimentale, est d'apporter de nouveaux indices permettant le développement des analyses théoriques. Deux systèmes à petite échelle et complexes ont été étudiés : les films minces de cristaux liquides sur substrat liquide et les précurseurs de liquides ioniques sur substrats solides. La description des propriétés de mouillage des cristaux liquides nématiques nécessite deux ingrédients s'ajoutant à ceux des liquides usuels : l'élasticité, qui est source d'interactions à longue portée et l'ancrage qui décrit le rôle spécifique joué par les conditions aux limites. Sur un substrat liquide, les films minces nématiques avec des conditions d'ancrage antagonistes montrent des structures complexes ainsi qu'une coexistence d'épaisseurs. Différents systèmes ont été étudiés au microscope optique dans la gamme de température nématique et aux alentours de la transition nématique / isotrope. Les résultats ont été comparés aux modèles disponibles qui sont basés sur une théorie continue de l'élasticité nématique. Les liquides ioniques sont des sels surfondus à température ambiante. Ils sont devenus omniprésents dans l'industrie, ce qui explique que la compréhension de leur mouillage soit un sujet brûlant. De faibles quantités de liquides ioniques ont été déposées sur différents substrats, lisses ou rugueux. Le paysage que l'on obtient, gouttelettes et films minces, a été imagé par AFM (Atomic Force Microscopy). Les résultats ont été comparés aux modèles disponibles pour les films minces et les gouttes nanoscopiques.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Abstract : This research project has as main objective to study in detail the internal flow features of single-phase supersonic ejectors for refrigeration applications, and the potential effects of injecting droplets on the performance of the device. To this end, a numerical approach is proposed which has been separated into two parts: First, a RANS modelling strategy for supersonic ejectors has been outlined combining the NIST real gas equations database [NIST, 2010] and the k − ω SST turbulence model in its low-Reynolds number formulation. The proposed approach agrees within 5% (resp. 2%) to the experimental entrainment ratio (resp. compression ratio) data of García del Valle et al. [2014], properly captures the main internal flow features and has a reasonable computational cost. This RANS model has been applied in the analysis of a supersonic R134a ejector for refrigeration purposes, showing in particular that the secondary flow is entrained by momentum transfer through the mixing shear layer, that the distance between the primary nozzle exit and the shock-waves in the constant area section varies between 9 and 16 times the primary nozzle exit diameter and that the important axial character of the flow limits mixing of both inlet flows until after the shock train. Furthermore, an exergy analysis through the device shows that the mixing and the oblique shock waves are responsible for between 50% and 70% of the generated losses, the latter might be attenuated through droplet injection in the constant area section. Moreover, it has been shown that drop-in replacement of the working fluid with HFOs R1234yf and R1234ze(E) leads to mild changes in the ejector performance but reduces the HDRC system COP (resp. cooling capacity) in average by 7.1% (resp. 23.3%). Lastly, a comparison of the model predictions with the thermodynamic model of Galanis and Sorin [2016] for an air ejector, shows that as the working fluid approaches the ideal gas behaviour, the flow can be adimensionalized in terms of the secondary inlet temperature and pressure, the motive nozzle throat and the entrainment and compression ratios. In the second part, the influence of droplets has been studied from a local perspective by extending the RANS model to include a discrete phase, which affects the main flow through exchanges of momentum and thermal energy, and from a global perspective by building a thermodynamic model, which predicts the entrainment and limiting compression ratio given a fixed geometry and operating conditions. Both approaches present very good agreement in terms of p, T and M a internal profiles. Results for a supersonic ejector with R134a as baseline working fluid and droplets injected at the constant area section show that the flow structure has perceptible changes only at the highest injection fraction considered 10%, which induces boundary layer detachment, reduces the shock intensity by 8% and diminishes the superheat at the ejector outlet by 15 ◦C. Nonetheless, ejector performance metrics are severely affected as the limiting compression ratio, Elbel efficiency and exergy performance reduce respectively by 5%, 11% and 15%, due mainly to the additional entropy generated through droplet injection and mixing with the main flow. / Ce projet de recherche a pour objectif principal d’étudier en détail les caractéristiques de l’écoulement interne dans des éjecteurs supersoniques monophasiques pour des applications en réfrigération, et les effets potentiels de l’injection de gouttelettes sur les performances de l’appareil. A cette fin, une approche numérique est proposée et a été séparée en deux parties. Tout d’abord, une stratégie de modélisation RANS pour les éjecteurs supersoniques a été décrite en combinant la base de données pour les gaz réels NIST [NIST, 2010] et le modèle de turbulence k − ω SST dans sa formulation à bas nombre de Reynolds. L’approche proposée prédit avec un accord d’environ 5% (resp. 2%) le rapport d’entraînement (resp. rapport de compression) avec les données expérimentales de García del Valle et al. [2014]. Il capte également correctement les principales caractéristiques de l’écoulement interne et a un coût de calcul raisonnable. Ce modèle RANS a été appliqué à l’analyse d’un éjecteur supersonique au R134a utilisé à des fins de réfrigération, montrant en particulier que le flux secondaire est entraîné par un transfert d’impulsion à travers la couche de cisaillement, que la position de départ des ondes de choc dans la section constante se situe dans une plage de 9 à 16 fois le diamètre de sortie de la buse primaire et que l’important caractère axial du flux limite le mélange des deux écoulements d’entrée au-delà du train d’ondes de choc. De plus, une analyse exergétique à travers le dispositif montre que le mélange et les ondes de choc obliques sont responsables de 50% et 70% des pertes générées, ces dernières pouvant être atténuées par injection de gouttelettes dans la section à zone constante. De plus, il a été démontré que le remplacement direct du fluide de travail par les HFO R1234yf et R1234ze(E) entraîne de légers changements dans la performance de l’éjecteur mais réduit en moyenne le COP du système HDRC (resp. la capacité de refroidissement) de 7.1% (resp. 23.3%). Enfin, une comparaison des prédictions du modèle avec le modèle thermodynamique de Galanis and Sorin [2016] pour un éjecteur à air montre que lorsque le fluide de travail se rapproche du comportement de gaz idéal, l’écoulement peut être normalisé en fonction de la température et de la pression à l’entrée secondaire, la gorge de la tuyère principale et les rapports d’entraînement et de compression. Dans la seconde partie, l’influence des gouttelettes a été étudiée d’un point de vue local en étendant le modèle RANS à une phase discrète qui affecte le flux principal par des échanges de quantité de mouvement et d’énergie thermique, et d’un point de vue global en construisant un modèle thermodynamique qui prédit l’entraînement et le rapport de compression limitant étant donné une géométrie fixe et les conditions de fonctionnement. Les deux approches présentent un très bon accord en termes de profils internes de p, T et Ma. Les résultats pour un éjecteur supersonique au R134a comme fluide de base, avec des gouttelettes injectées à mi-chemin dans la section de la zone constante, montrent que la structure d’écoulement dans cette région présente des changements perceptibles seulement à la fraction d’injection la plus élevée, 10%, en diminuant l’intensité du choc de 8% et la surchauffe à la sortie de l’éjecteur de 15 ◦C. Néanmoins, la performance de l’éjecteur est sévèrement affectée vu que le rapport de compression, l’efficacité d’Elbel et le performance exergétique sont réduites respectivement de 5%, 11% et 15%, principalement en raison de l’entropie supplémentaire générée par l’injection de gouttelettes et le mélange avec le flux principal.

Les résultats fondamentaux et biocliniques que nous présentons au travers de cette thèse illustrent la difficulté d’évaluer la part liée au virus et celle liée à des facteurs de l’hôte dans l’induction d’une stéatose hépatique chez les patients chroniquement infectés par le HCV. Les données in vitro suggèrent que le virus joue un rôle direct dans l’induction d’une stéatose, notamment par les propriétés de sa protéine de capside, et que la variabilité du virus peut avoir un impact sur l’intensité de cette stéatose. Notre étude bioclinique suggère que la variabilité du virus semble avoir un rôle beaucoup plus modéré in vivo. Ainsi, chez les patients chroniquement infectés par le HCV, les facteurs de l’hôte joueraient un rôle majeur pour moduler le degré de la stéatose associée au virus et de prochaines études seront nécessaires pour établir la nature de ces facteurs. / The results presented in this thesis illustrate the difficulty of assessing the part related to the virus and that related to host factors in the induction of hepatic steatosis in patients chronically infected with HCV. In vitro data suggest that the virus plays a direct role in the induction of steatosis, due to the properties of its capsid protein, and that the variability of the virus can affect the intensity of the steatosis. Our bio-clinical study suggests that this variability seems to have a much more moderate impact in vivo. Thus, in patients chronically infected with HCV, host factors seem to play a major role to modulate the degree of steatosis associated with the virus. Further studies are needed to establish the nature of these factors.

Cette étude porte sur le mode d’action de tensio-actifs macromoléculaires à base d’alcools polyvinyliques (PVA) sur la stabilisation d’émulsions chlorure de vinyle (VCM)/eau utilisées pour la polymérisation en suspension du VCM. Cinq PVA dits primaires (PVA I) de différents degrés d'hydrolyse ( de 73 à 88 %mol) et différents degrés de polymérisation ( de 700 à 2500), ainsi qu’un PVA dit secondaire (PVA II) de 45%mol ont été étudiés sur un large domaine de concentration [0-1000 ppm/eau]. Les tensions interfaciales, ainsi que les tailles et distributions de taille des émulsions ClBu/eau, choisies comme modèle des émulsions VCM/eau, ont été déterminées en fonction du temps. Une technique originale de granulométrie en ligne : la spectroscopie par atténuation d’ultrasons a été mise en place. Les stabilisants les plus efficaces sont les PVA I de faible et . Pour chaque PVA I, une corrélation directe entre diamètre moyen des gouttelettes et tension interfaciale a pu être établie et l’importance de la viscoélasticité de l’interface a été démontrée. Le PVA II, du fait de son plus faible est insoluble dans l’eau. Des particules colloïdales bien définies de PVA II seul ou de combinaisons PVA I/ PVA II ont été préparées par coacervation. Pour une même concentration totale en PVA, ces nanoparticules de diamètre 150-200 nm abaissent davantage la tension interfaciale et les diamètres moyens des gouttelettes d’émulsion, que les PVA I seuls. Une stabilisation particulaire de type Pickering peut donc être envisagée en complément de la stabilisation stérique apportée par les PVA I. / This study focuses on the action mechanisms of poly vinyl alcohol-based macromolecular surfactants on the stabilization of vinyl chloride (VCM)/water emulsions used for the suspension polymerization of VCM. Five “primary” PVA (PVA I) with high hydrolysis degrees ( between 73 à 88 %mol) and different polymerization degrees ( between 700 à 2500), as well as one “secondary” PVA (PVA II) with 45%mol, have been studied on a large concentration range [0-1000 ppm/water]. The interfacial tensions and the size distributions of ClBu/water emulsions have been determined as a function of time. An original technique of on-line granulometry: the ultrasound attenuation spectroscopy has been used. The PVA I with low and are the most efficient stabilizers. For each PVA I, a direct correlation between mean diameter of droplets and interfacial tension has been established. Moreover, the importance of the interface viscoelasticity has been demonstrated. Because of their low , PVA II are insoluble in water. Well-defined colloidal particles of PVA II and combinations PVA I/ PVA II have been prepared by coacervation. For a given total PVA concentration, these nanoparticles of diameter 150-200 nm lower more the interfacial tension, and the mean droplet diameters, than PVA I alone. A Pickering stabilization by nanoparticles can be considered, in addition to the steric stabilization provided by PVA I.

Nous avons mis au point un système expérimental modèle d'adhésion spécifique entre deux surfaces fluides sur lesquelles diffusent des protéines de type ligand-récepteur. Nous avons notamment voulu relier la mesure d'une énergie d'adhésion macroscopique à son moteur microscopique, la formation de liens spécifiques. Pour mesurer une énergie macroscopique d'adhésion, nous avons utilisé des gouttelettes d'émulsion. Lorsqu'elles adhèrent, les gouttelettes se déforment. Le gain de surface permet d'accéder à l'énergie d'adhésion. Comme moteur de l'adhésion spécifique, nous avons utilisé le couple modèle streptavidine/biotine. Les gouttelettes d'émulsion sont fonctionnalisées avec ces protéines ligantes. Amenées par gravité en présence de bicouches lipidiques supportées fluides dont une fraction des lipides porte les protéines réceptrices, les gouttelettes adhèrent spécifiquement aux bicouches lipidiques. Nous avons mené une étude statique de cette adhésion. Grâce à différentes techniques de fluorescence (épifluorescence, FCS (Fluorescence Correlation Spectroscopy), dosages en retour) nous avons quantifié le nombre de protéines mises en jeu dans nos patches adhésifs afin de le comparer à l'énergie de déformation de la goutte. Nous avons pu observer que l'énergie d'adhésion est proportionnelle à l'énergie d'un lien. Par ailleurs, des mesures en RICM (Reflection Iterference Contrast Microscopy) nous ont permis d'étudier la dynamique de croissance du patch adhésif. Nous avons pu mettre en évidence une croissance diffusive et quasistatique de la zone de contact. En jouant sur les quantités de protéines mises en jeu ainsi que sur leur nature (longueur des liens), nous avons exploré les différentes situations statiques et dynamiques de l'adhésion dans notre système modèle. Nous avons notamment mis en évidence les effets de compressibilité des films adhésifs qui apportent de nouvelles clés pour envisager l'adhésion cellulaire.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

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