Le travail de cette thèse concerne l’étude des écoulements diphasiques dans les mini-canaux d’une pile à combustible. Ces canaux, de taille millimétrique, ont un double rôle d’alimentation de la pile en combustibles gazeux et d’évacuation de l’eau produite. Il a été montré expérimentalement que la configuration d’écoulement a un impact direct sur les performances de la pile. L’objectif est donc de progresser dans la compréhension des mécanismes physiques présents dans ces canaux. Pour cela, l’outil de simulation numérique JADIM est développé pour modéliser la physique de la ligne triple afin de permettre la description des écoulements diphasiques et les transitions entre configurations, où la mouillabilité joue un rôle déterminant. Deux phénomènes physiques sont essentiellement étudiés : la migration dans le canal de gouttelettes formées par l’introduction d’eau dans le canal, et l’évolution et la stabilité de la répartition spatiale des phases lors du remplissage progressif des canaux.

Ce travail vise à améliorer la compréhension des mécanismes particuliers du séchage des matériaux céramiques. Cette étape est cruciale lors de la création d’une pièce. En effet, outre l’optimisation de la composition de l’échantillon, la température ainsi que l’humidité relative doivent être contrôlées afin que la perte de masse et le retrait n’entraînent pas l’apparition de contraintes pouvant mener à la création de fissures qui, suite à un traitement thermique, endommageront la pièce finale. Dans un premier temps et après une présentation des différents mécanismes connus du séchage, cette thèse met en avant un ensemble de montages conçus au sein d’une enceinte climatique instrumentée. À l’aide de ces derniers,une première étude portant sur le comportement en température et en humidité du liquide de façonnage seul est réalisée. Ce liquide a ensuite été introduit entre deux substrats identiques et parallèles pour reproduire le cas d’un ménisque au sein d’une porosité. Les contacts hydrophiles et hydrophobes ont alors été étudiés. Enfin, des expériences de séchage ont été menées sur des matériaux céramiques afin de corréler les différentes observations. Les résultats obtenus démontrent l’importance d’un compromis dans le choix des paramètres de séchage. La température et l’humidité relative influencent non seulement la cinétique du procédé lors du départ de l’eau, mais modifient également le contact avec la phase solide de la pièce céramique. En fin de séchage, la rupture des ponts liquides est brutale et peut expliquer certains phénomènes macroscopiques observés lors du séchage de pièces de tailles industrielles. / This work aims at improving the understanding of the specific mechanisms of the drying of ceramic materials. This step is crucial when manufacturing a piece. Indeed, besides the optimization of the sample composition, the temperature and the relative humidity have to be controlled so that the weight loss andthe shrinkage do not cause any stress development, leading to cracks formation which can damage the final piece after a heat treatment. After a presentation of the different known drying mechanisms, this thesis highlights a set of measuring benches conceived within an instrumented climatic chamber. A firststudy concerning the behavior of the shaping liquid as a function of temperature and relative humidity isrealized. Then, this liquid is inserted between two parallel and identical substrates in order to reproduce the case of a liquid bridge within a pore. The hydrophilic and hydrophobic contacts are then studied.Finally, drying experiences are carried out on ceramic materials to correlate the different observations.The obtained results demonstrate the importance of a compromise when selecting the drying parameters.The temperature and the relative humidity not only influence the kinetics of the process during the liquiddeparture, but also modify the contact with the solid phase of the ceramic piece. At the end of drying, the rupture of liquid bridges is brutal and can explain some macroscopic phenomena observed when dryinglarge pieces.

Cette thèse porte sur le développement de matière molle programmable, de nature synthétique ou biologique, afin d'obtenir des systèmes physico-chimiques (ADN, protéines, petits volumes de liquides...) permettant de nouvelles propriétés contrôlables par la lumière. Dans un premier temps, nous développons une nouvelle famille d'agents de compaction, les polyamines photosensibles. Ces dernières permettent de mettre en place un photocontrôle dynamique de l'état de compaction de l'ADN avec une efficacité 100 fois plus grande que celles décrites précédemment dans la littérature. Ensuite nous appliquons le photocontrôle de la compaction de l'ADN à la régulation de fonctions protéiques. L'enzyme cible, la beta-lactamase, est tout d'abord placée dans un édifice hybride protéine-ADN géant. La présence des ADN géants augmente l'activité enzymatique, qui peut être modulée par la modification de l'état de compaction de l'ADN. Une seconde stratégie repose sur le photocontrôle de la compaction d'un ADN codant pour la beta-lactamase, qui, utilisé avec un milieu d'expression reconstitué, permet de réguler par la lumière la production de protéines, et donc leurs fonctions, avec une bonne résolution spatiale et temporelle.Finalement, l'introduction d'un tensioactif photosensible dans des systèmes microfluidiques conduit au photocontrôle par un éclairement simple (une diode) d'une gamme très vaste d'opérations microfluidiques impliquant aussi bien des gouttes individuelles (optofluidique digitale pour la synthèse organique) que des écoulements au sein de canaux microfluidiques (mélange photo-induit). / The aim of the thesis is to develop optically programmable soft matter systems (DNA, proteins, small volumes of fluids) in order to achieve new and drastic property changes upon illumination. We first focus on photosensitive polyamines, a new class of compaction agents, and on their exceptional performances including photoreversible control of DNA compaction at a high efficiency (up to 100 times more efficient than agents reported in literature).The photocontrol of DNA compaction is then exploited as a light-based trigger for protein functions. The activity of an enzyme of interest, beta-lactamase, is first enhanced by creating a hybrid protein-DNA conjugate. We go on to show how the regulation of DNA compaction impacts the protein function. Another DNA compaction-based strategy uses the genetic information contained in the DNA and a commercially available, cell-free, reconstituted expression system to produce a functional enzyme under optical control. The conversion of non-photosensitive substrates is therefore photoregulated without any chemical modification of the target enzyme.The introduction a photosensitive surfactant in microfluidic systems allows a straightforward illumination (diode) to give rise to a wide array of operations, from the optical manipulation of individual floating droplets (digital optofluidics for organic synthesis) to the photoactivation of flowing liquids in microfluidic channels (photogenerated droplets, photoinduced mixing).

La microfluidique utilisant les gouttes a connu un essor remarquable ces dix dernières années. Pourtant, la dynamique de ces objets reste largement inexplorée et incomprise. Une question aussi simple que déterminer la vitesse d’une goutte poussée par une phase porteuse à vitesse imposée, ne possède à ce jour toujours pas de réponse. Comprendre et modéliser la vitesse d’une goutte nécessite dans un premier temps de caractériser les mécanismes de dissipation intervenant dans la goutte, dans le ménisque dynamique et dans le film de lubrification.Ce manuscrit présente une étude de la dynamique de films de lubrification en utilisant une technique interférométrique (RICM) qui a dû être adaptée à notre système. Nous montrons dans un premier temps que, dans un cas statique, cette outil permet de mesurer l’épaisseur de ce film nanométrique avec une très grande précision, et que celle-ci est fixée par la pression de disjonction dont la composante principale est électrostatique. Puis, le film de lubrification est étudié dans un cas dynamique. Aux faibles vitesses, l’épaisseur du film est fixée par la pression de disjonction, tandis qu’aux nombres capillaires plus élevés nous montrons qu’un modèle visqueux permet de reproduire nos résultats expérimentaux. Pour une solution micellaire,nous observons une décomposition spinodale permettant d’extraire des propriétés interfaciales (vitesse, contrainte de Marangoni). Enfin, nous avons pu dans un projet fédératif développer une laboratoire sur puce permettant des opérations de manipulation sur des gouttes en utilisant l’intégration de systèmes de chauffage au niveau micrométrique. / Digital microfluidics is a growing field of research. However, droplet dynamics remains largely unknown. As an example, a question as simple as predicting the droplet velocity while pushed by an external fluid at fixed velocity is still not answered. Understanding and thus modelizing it requires the identification of dissipation mechanisms in the droplet, in the dynamical meniscus and in the flat film. This thesis presents a study on the dynamical properties of lubrication films using an interferometric method (RICM) that has been adapted to microfluidics. We first show that, in a static case, we are able to measure nanometric film thicknesses with very accurate precision and that it is set by the disjoining pressure, especially the electrostatic part. Then the film is studied when the droplets flow. At low speeds, the film thickness is set by the disjoining pressure, while at higher capilarry numbers we identify a viscous model in agreement with our experimental results. For a micellar solution, we observe spinodal decomposition allowing us to recover interfacial properties (velocity, Marangoni stress). Finally, in a collaborative project, we were able to develop a lab on a chip allowing droplets manipulations taking advantage of micro-heaters integration.

Dans cette thèse expérimentale, on s'intéresse aux collisions de gouttes mettant en jeu des interfaces asymétriques, soit deux gouttes constituées de liquide différent ou des gouttes de taille différente et recouvertes (ou non) d'une couche de particules hydrophobes. Dans une première partie, on étudie les collisions de gouttes de liquide immiscible. L´asymétrie de tels systèmes repose alors sur le contraste des propriétés des deux liquides : la tension de surface, la viscosité et la densité. Le résultat de ces collisions est une encapsulation totale d'un liquide par un autre ou une encapsulation suivie d'une fragmentation. On s´attache à décrire les régimes observés et à établir des lois permettant de prédire les limites de fragmentation de l'objet obtenu. La seconde partie est consacrée aux interfaces couvertes de particules hydrophobes. Pour ces systèmes, l'asymétrie réside à la fois dans la présence des particules sur une interface et pas sur l'autre et dans le contraste de taille entre les objets étudiés. Ainsi, on considère l'impact entre une petite goutte (recouverte ou non de particules) et une très grosse goutte (recouverte ou non de particules). On caractérise tout d'abord les propriétés mécaniques de ces interfaces via la propagation d'ondes de surface, notamment en terme de tension de surface effective et de module de courbure. Puis, on sonde, dans différentes situations d´impact, la robustesse de ces objets afin d'évaluer la capacité de ces couches particulaires à prévenir la coalescence / In this experimental thesis, we are interested in droplets collisions involving asymmetric interfaces. We consider either two droplets made of different liquids or droplets of different sizes, coated (or not) by a monolayer of hydrophobic particles.In a first part, collisions of droplets made of immiscible liquids are studied. The asymmetry of such systems relies on the contrast of the two liquids properties : surface tension, viscosity and density. The outcome of those collisions is a full encapsulation of one liquid by the other one which can be followed by a fragmentation. We pay attention to describe the observed regimes and to establish a scaling law to predict the fragmentation limits of the resulting object. The second part is dedicated to interfaces covered by hydrophobic particles. For those systems, the asymmetry is due to both the interaction of a covered interface with a non covered one and to the size contrast between the objects studied. Studying the propagation of capillary waves, we first characterize the mechanical properties of such interfaces : effective surface tension and modulus of curvature. Further on, we probe, using different impacts configurations, the robustness of those covered objects with the aim of estimating the ability of the particles monolayer to prevent coalescence

L’émergence de nouvelles technologies basées sur la microfluidique de gouttes offre l’espoir de développer des immuno-essais complexes consommant peu d’échantillon. Cette thèse est dédiée d’une part au développement d’une plateforme d’analyse qui consiste au fractionnement d’un mélange de peptides amyloïdes par focalisation isoélectrique (IEF) pour ensuite procéder à l’immuno-détection en gouttes des différentes fractions. Une méthode d’IEF en capillaire a été développée et a permis la séparation des peptides Aβ 1-40, Aβ 2-40 et Aβ 5-40 ainsi que leur collecte dans des solutions individuelles. Ces solutions de collectes ont été analysées par Elisa sur particules magnétiques. L’immuno-essais a permis de déterminer la distribution des peptides dans les différentes collectes. Ces analyses ont d’abord été réalisées en « batch » où les particules magnétiques sont en suspension dans une solution non-confinée. Ensuite, un dispositif permettant de réaliser des immuno-essais en gouttes a été utilisé. Cette plateforme a été adaptée et optimisée pour le dosage des peptides Aβ 1-40 et Aβ 1-42 standard en vue de doser ces peptides dans le LCR et d’étendre l’analyse aux autres peptides (Aβ 2-40 et Aβ 5-40). D’autre part, une partie de la thèse a été dédiée à un travail sur micro-puce en vue de la conception d’un microsystème d’analyse totale intégrant en ligne les trois étapes majeures (séparation, compartimentalisation, immuno-détection en gouttes) de la plateforme d’analyse recherchée. Pour cette partie nous avons choisi le THV Dyneon qui a déjà servi au transport de bio-molécules en gouttes. Une première étude a consisté pour la première fois à réaliser des séparations électrocinétiques de protéines et de fluorophores hydrophobes dans les puces en THV Dyneon en utilisant deux modes de séparation (ECZ et NACE, respectivement). Ceci a permis de démontrer que ce nouveau matériau constitue un candidat prometteur pour le futur microsystème couplant séparation et compartimentalisation en gouttes. Une dernière étude a consisté au développement d’une méthode de marquage des peptides amyloïdes par un nouvel agent fluorescent, le Chromeo P540, particulièrement adapté pour des analyses IEF. Cet agent de marquage permettra de détecter les peptides durant la conception de l’interface de couplage (IEF/gouttes). / Emerging droplet-based microfluidic platform provide new opportunities to develop complex immunoassay with low sample consumption. This manuscript is dedicated on the development of an analytical platform for isoelectric focusing of amyloid peptides followed by their detection by immunoassay droplet-based microfluidic platform. A capillary isoeletric focusing method was developed first and allowed separation and collection of Aβ 1-40, Aβ 2-40 and Aβ 5-40 peptides in individual solutions. The fractions collected were analyzed off-line by Elisa on magnetic beads in batch-wise. This immune-detection allows the determination of peptide distribution in the different fractions collected. Then, we used a droplet-based microfluidic platform for immunoassay on magnetic beads. This platform was adapted and optimized to quantify standard Aβ 1-40 and Aβ 1-42 peptides. The next step will rely on the quantification of amyloid peptides on cerebrospinal fluid. In parallel, a study dedicated on microchip analyses to design a total-analysis-system has been performed. The final purpose is to integrate on-line three main steps; separation, compartmentalization and immune-detection in droplet. For this study, THV Dyneon has been chosen since this material was also used for the droplet-based microfluidic platform. A first study demonstrated for the first time electrokinetic separation, of biomolecules (proteins) and hydrophobic dyes in Dyneon THV chip using two separations modes (CZE and NACE respectively). This work highlighted the THV Dyneon micro-chip versatility. We can concluded that this new material is promising for further development dedicated to micro system combining separation and compartmentalization in droplet. A last work aimed to develop a labeling method for amyloid peptides with a new dye, the Chromeo P540, which is adapted for isoeletric focusing (IEF) analysis. This dye will allow peptides monitoring during the development of IEF/droplet interface.

Le processus d’atomisation est important pour la performance des moteurs à combustion interne. Grâce à un injecteur, le carburant liquide est admis dans la chambre de combustion et se divise en gouttelettes. Plus petites les gouttes, plus rapide leurs évaporation et meilleur le mélange air-carburant. Une meilleure combustion pourrait être obtenue, avec faibles émissions polluantes. La qualité de l’atomisation est influencée principalement par la géométrie de l’injecteur et les conditions opératoires qui forment la structure de l’écoulement interne, la turbulence, le profil de vitesse à la sortie de l’injecteur, la cavitation, etc. Tous ces aspects sont déterminants pour la rupture de l’écoulement externe. Un autre paramètre clé pour optimiser le processus d’atomisation est les propriétés physiques des carburants. On pense, parmi autres, à la tension de surface dynamique contrôlée par la diffusion des surfactants sur l’interface liquide-gaz ou à la viscosité extensionnelle qui rend un liquide plus résistant à l’étirement, influençant donc la rupture. Les effets de la géométrie de l’injecteur, les conditions opératoires et les propriétés physiques des liquides sur l’atomisation sont inter-dépendents. Les analyses expérimentales nous aident à comprendre les mécanismes impliquant et leurs interactions. D’une part, elles sont utiles pour les simulations numériques qui devraient être réalisées suivant la configuration considérée. D’autre part, les critères quantitatifs pourraient être établis afin de valider les résultats numériques. En suivant cette méthodologie de recherche, nous souhaiterons étudier l’atomisation d’une nappe liquide turbulente produite par un injecteur triple-disque. Les mesures expérimentales fournissent les images de la nappe, utilisées comme l’entrée d’une approche multi-échelle. Nous étudions, grâce à la dernière, les comportements de la nappe, des ligaments qui apparaissent à ses bords et des gouttelettes. De plus, deux méthodes de frontières immergées sont développées pour résoudre en même temps l’écoulement interne et le processus d’atomisation. Nous réalisons deux applications, la première pour un jet liquide éjecté par un injecteur cylindrique et la deuxième pour une nappe plane produite par un injecteur triple-disque. / Liquid fuel atomization is crucial for the performance of internal combustion engines. Through an injector, the liquid is delivered into the combustion chamber and breaks down into droplets. The finer the drops, the quicker their evaporation and the more proper their mixing with air. A proficient combustion could hence be expected, with low pollutant emissions. Atomization quality is primarily affected by the injector design and the operating conditions which shape the internal flow structure, the turbulence level, the velocity profile at the nozzle outlet, the cavitation and so forth. All these features are determinants of the breakup of the external liquid flow. Another key parameter to optimize the atomization process is the fuel physical properties. One can think of, among others, the dynamic surface tension controlled by the diffusion of the surfactants on the liquid-gas interface or the extensional viscosity which makes a liquid to become more resistant to the stretching, thereby affecting the breakup. Effects of the injector design, the operating conditions and the liquid properties on the atomization are inter-dependent. Analyses of experimental data help us to understand the involved mechanisms and their interactions. On the one hand, this is useful for the numerical developments which should be carried out depending upon the configuration. On the other hand, quantitative criterion could be established to validate the simulation results. Following the above research methodology, we aim to study the disintegration of planar turbulent liquid sheets produced by a triple-disk injector. Experimental measurements provide the sheet images, used as input for a multi-scale analysis. We investigate, thanks to the latter, the behaviours of the liquid sheet, the ligaments appearing on its edges and the resulting droplets. Moreover, two immersed boundary methods are developed, aiming to simultaneously solve the nozzle flow and the breakup process. We carry out two applications, the first one on a liquid jet ejected by a cylindrical nozzle and the other a planar sheet issuing from a triple-disk injector.

Afin de modéliser correctement les phénomènes liés à l'évaporation, les numériciens souhaitent obtenir des mesures expérimentales fiables, leur permettant d'améliorer leurs modèles. A l'opposé, de nombreux industriels souhaitent pouvoir réaliser des mesures in situ, avec des techniques expérimentales appliquées aux conditions réelles.C'est dans ce cadre que s'est inscrite cette thèse. L'objectif principal, a été de démontrer la faisabilité, et la stabilité, de mesures en réfractométrie d'arc-en-ciel sur des gouttes uniques en écoulement afin d'obtenir le taux d'évaporation de ces gouttes.L'utilisation d'un dispositif dédié habituellement à la PIV a servi à réaliser des acquisitions de couples d'images, séparées par un délai temporel variable. Une méthode très fine de la mesure de variation de diamètre a été introduite, autorisant la mesure du taux d'évaporation instantané d'une goutte en écoulement par le biais du déphasage de la structure de ripple. / In order to model correctly the evaporation phenomenon, numerical simulations needs to work with reliable experimental data, allowing to improve the existing models. On the other side, industrialists needs to realize in situ measurements, with experimental techniques that apply to real conditions. This is the framework of this thesis. The main work has been to prove that measurements with rainbow refractometry on unique droplets in a flow were possible, obtain the evaporation rate from those measurements, and prove their stability.The use of a specific setup, most of the time used in PIV, allowed us to realize acquisitions of couple images with a temporal delay. A very fine method for the measurement of variation of diameter has been introduced, allowing the measurement of instantaneous evaporation rate of unique droplets in a flow, using the ripple structure phase shift.

Les sprays réactifs peuvent être trouvés dans de nombreuses applications industrielles. La caractérisation de l'état transitoire pour des gouttes est un défi, elle nécessite la mesure de la température et / ou des gradients de composition dans des gouttes. Dans cette thèse, la technique d'arc en ciel globale est étendue pour pouvoir quantifier l'évolution des gradients. Après l'étude numérique des caractéristiques de l'arc-en-ciel diffusé par goutte à gradient d'indice de réfraction radial, une étude expérimentale est réalisée pour le cas particulier de la capture du CO2 par des gouttes de MEA. Il a été démontré que des gradients de concentration peuvent être quantifiés lors des premiers instants de la mise en contact des gouttes avec le dioxyde de carbone. Après un temps de contact suffisamment long, l'analyse de la mesure d'arc en ciel globale basée sur des gouttes avec ou sans gradients révèle un comportement identique. / Reactive sprays can be found in numerous industries. The characterization of transient state for such droplets is a challenge, asks for the measurement of temperature and/or composition gradients inside the droplets. In this thesis, Global Rainbow Technique (GRT) is extended to be able to quantify the behavior of gradients. After the numerically studied on the characteristics of rainbow scattered by droplet with radial refractive index gradients, an experimental study is carried out for the particular case of CO2 capture by MEA droplets. According to the investigation, it is demonstrated that the gradients can be quantified during the first moments of injection. The analysis of GRT measurement based on the droplet with or without gradients indicates the identical behavior when the reacting time is long enough.

Au cours des dernières années, les exigences croissantes en matière de dissipation thermique à haut rendement pour la microélectronique, les engins spatiaux, les réacteurs nucléaires, etc., encouragent le développement d'échangeurs de chaleur de nouvelle génération. Le caloduc est l’un des équipements de refroidissement efficaces et potentiels. La plupart du transfert de masse et de chaleur se fait au niveau de la micro-région près de la ligne triple de contact (solide, liquide, vapeur), qui est essentielle à l'amélioration de la performance thermique du caloduc. Cette étude se concentre sur le processus d'évaporation de gouttes sessiles de deux nouveaux fluides de travail (solution binaire et nanofluide), qui possèdent une micro-région similaire à celle du caloduc. Le flux de Marangoni induit par le gradient de concentration et la conductivité thermique exceptionnelle devraient améliorer significativement le débit evaporé du mélange alcool-eau et du nanofluide de graphène, respectivement. Une combinaison de techniques acoustiques et infrarouges est développée pour suivre la variation de la concentration d'alcool pendant l'évaporation des gouttes des mélanges 1-butanol-eau et éthanol-eau. Selon l'observation du comportement d'évaporation à différentes températures du substrat, une série d'équations empiriques est suggérée pour prédire le taux d'évaporation de la solution binaire de 1-butanol-eau en considérant l'effet Marangoni thermal et solutal. De plus, l'effet de la PEGylation, de la concentration des nanoparticules et de la température du substrat sur l'évaporation de gouttes de graphène nanofluide est étudié par des méthodes microscopiques, optiques et infrarouges. Les résultats expérimentaux et l'analyse thermodynamique peuvent contribuer à la compréhension complète du mécanisme impliqué concernant les performances d'évaporation du nanofluide de graphène. / In recent years, increasing requirement in high efficient heat dissipation for micro-electronics, spacecraft, nuclear reactors etc., encourage the development of next generation heat exchanger. Heat pipe is one of potential effective cooling equipments and most of mass and heat transfer take place at micro-region near triple phase (solid, liquid, vapor) contact line of working fluid, which is essential to thermal performance improvement of heat pipe. This study focuses on the evaporation process of sessile droplets of two novel working fluids (binary solution and nanofluid), which possess similar micro-region to that in heat pipe. Concentration gradient induced Marangoni flow and exceptional thermal conductivity are expected to significantly enhance evaporation rate of alcohol-water mixture and graphene nanofluid, respectively. A combination of acoustic and infrared techniques is developed to track alcohol concentration variation during evaporation of 1-butanol and ethanol aqueous droplets. According to observation of evaporation behavior at different substrate temperature, a series of empirical equations is suggested to predict evaporation rate of 1-butanol-water binary solution droplet considering thermal and solutal Marangoni effect. In addition, the effect of PEGylation, nanoparticle concentration and substrate temperature on drop evaporation of graphene nanofluid are investigated by microscopic, optical and infrared methods. Experimental results and thermodynamic analysis can contribute to the full understanding of involved mechanism concerning evaporation performance of graphene nanofluid.