Cette thèse porte sur l’étude de trois phénomènes interfaciaux reliés à l’eau : (i) la diffusion de protons dans un environnement complexe, (ii) la formation de gouttes et (iii) le déplacement d’huile sous l’effet du déplacement d’une phase aqueuse dans un circuit microfluidique poreux. Dans un premier temps, nous étudions une « quasi-interface », constituée de deux solutions complexes aqueuses de différents pH, telles qu’on les trouve dans les milieux cellulaires. La diffusion des protons ainsi que les dynamiques de réorientation des molécules d’eau sont examinés et nos résultats suggèrent que le transport des protons serait médié par des molécules tampons. La deuxième partie de cette thèse porte sur la rupture de gouttes à l’interface liquide/air. La rupture de gouttes de fluides non-visqueux est un phénomène extrêmement riche et sa description théorique constitue un des cas les plus simples des singularités à temps fini. Dans le chapitre 4 on met en évidence par l’imagerie ultrarapide que l’eau possède une tension de surface dynamique à l’échelle de la milliseconde. Dans le chapitre 5, on s’intéresse à la dynamique de rupture de métaux en évaluant si des mesures électriques permettent de se rapprocher temporellement (et spatialement) au plus près de la rupture (ns). Dans la dernière partie (chapitre 6), on revisite le problème classique du déplacement d’huile avec de l’eau, rencontré dans les techniques de récupération assistée du pétrole (RAP). On s’intéresse au rôle de la topologie de surface de la roche poreuse sur le piégeage de gouttes d’huile et dégage une loi d’échelle générale liant les effets de la rugosité au déplacement du fluide au sein du canal. / Water is the most abundant molecule on earth, indispensable for a plethora of chemical reactions and vital to the functioning of most living organisms. Interfacial water is particularly interesting to study as its physicochemical properties deviate significantly from the bulk whilst being of crucial importance to both fundamental research and industrial process design. In this thesis we study the interfacial water dynamics of three highly relevant phenomena by primarily recurring on microfluidics and ultrarapid imaging approaches. The first part focusses on proton diffusion in complex aqueous environments such as the the cytoplasm which remains a central issue in the biowater controversy. We evaluate and discuss the relevance of different proton diffusion mechanisms in cellular mimic solutions. The second part of this thesis is centred around droplet formation dynamics which are not only omnipresent in nature and technology, but also constitute a very rich phenomenon involving finite time singularities. We evaluate the outstanding pinch-off behaviour of water and aqueous solutions at the water/air interface that significantly deviates from other comparable non-viscous liquids on the millisecond time scale. In the last part we study a three phase system consisting of water and oil embedded in different ‘rough’ microstructures. Surface topology is identified as important determinant for the relative wettability behaviour of oil and water which constitutes a key finding for the development of efficient and environmentally compatible enhanced oil recovery strategies.

Dans cette thèse à l’interface entre élasticité et capillarité, nous présentons tout d’abord une instabilité élastique, le claquage, revisitée dans un contexte élastocapillaire. En déposant une goutte d’eau sous une lamelle flambée en position basse, nous parvenons à déclencher une instabilité de claquage à contresens de la gravité. Cette démonstration de la prédominance des effets capillaires à petite échelle s’accompagne d’une étude des positions d’équilibre et de la stabilité de systèmes goutte-lamelle. Nous démontrons l’influence importante de la taille et de la position de la goutte le long de la lamelle, puis étendons notre étude au cas de bulles ou de gouttes condensées à partir de vapeur d’eau. Enfin, nous nous intéressons à l’aspect dynamique de l’instabilité, qui est dictée principalement par l’élasticité, y compris dans le cas élastocapillaire.Nous mettons ensuite en évidence un phénomène surprenant : la dynamique de descente d’une goutte d’eau sur un élastomère silicone présente deux régimes successifs, caractérisés par deux vitesses différentes. Nous montrons que les chaînes libres non réticulées présentes dans l’élastomère sont à l’origine de cette dynamique inattendue. La goutte est progressivement recouverte par des chaînes de silicone, et sa vitesse change brutalement lorsqu’une concentration surfacique critique est atteinte, ce qui se traduit par une transition brutale de tension de surface. Nous nous intéressons aux vitesses de gouttes dans les deux régimes ainsi qu’aux échelles de temps mises en jeu lors de l’extraction de chaînes non réticulées, et montrons que l’extraction de ces chaînes se produit au niveau de la ligne triple. / This thesis focuses on interactions between liquids and elastic solids. We first revisit the snap-through instability from an elastocapillary point of view, showing that capillary forces are able to counterbalance gravity by inducing snap-through with a droplet deposited below a downward buckled elastic strip clamped at both ends. Equilibrium, stability, and dynamics of drop-strip systems are investigated, demonstrating the influence of droplet size and droplet position along the buckled strip, and showing that capillarity is driving the system toward instability but elasticity is ruling the subsequent dynamics. Spin-off versions of the experiment are also designed, including a humidity-controlled mechanical switch and upscaled experiments using soap bubbles.We then focus on interactions between silicone elastomers and aqueous droplets to understand the mechanisms underlying an unexpected two-regime droplet dynamics observed on vertical silicone elastomer plates. After demonstrating that this two-regime dynamics is due to the presence of uncrosslinked oligomers in the elastomer, we show that the speed transition coincides with a surface tension transition. A quantitative study of the droplets speeds in the two regimes is performed, and the timescale needed for uncrosslinked oligomers to cover the water-air interface is investigated both for sessile and moving droplets. We eventually show that uncrosslinked chains are extracted from the elastomer at the water - air - silicone elastomer triple line, and demonstrate that extraction occurs in various setups such as partially immersed silicone elastomer plates or air bubbles sliding up PDMS planes immersed in a water bath.

A caractérisation de l’écoulement, du transfert de chaleur et de masse lors du déplacement de gouttelettes de diamètre inferieur au millimètre dans un milieu extérieur font l’objet de notre étude. La première partie présente l’état de l’art des connaissances théoriques et expérimentales des comportements aérodynamiques ainsi que les mécanismes de transfert thermiques et massiques intervenant entre une phase dispersée et une phase continue. La deuxième partie est consacrée à l’étude du phénomène d’évaporation d’une gouttelette mono-dispersée en chute libre dans l’air. Pour cela, nous avons réalisé un dispositif expérimental. Les mesures, nous permettent de prédire l’évaporation de la gouttelette en fonction des caractéristiques physico-chimiques et de l’hygrométrie du milieu extérieur. Pour la modélisation du transfert de chaleur et de masse nous avons utilisé un modèle simple qui tient en compte du couplage entre le mouvement et les phénomènes de transferts, validé dans une précédente étude au sein du laboratoire. Un bon accord est observé. La troisième partie traite de la simulation numérique de l’interaction entre les particules sphériques dans un régime laminaire. Tout d’abord, nous avons proposé et validé un modèle simple qui ne tient pas en compte des phénomènes d’interaction. Les résultats obtenus sont en concordance avec la littérature. Par la suite, nous avons étudié l’interaction entre trois particules identiques et co-alignées. Ce modèle tient compte de la nature de la particule, du nombre du Reynolds et de la distance de séparation. Nous avons validé ce travail par une comparaison avec une étude précédente que nous avons généralisé. La dernière partie est cernée sur l’étude de la dispersion des gouttelettes dans un écoulement turbulent homogène et isotrope. Pour cela, nous avons proposé un modèle Lagrangien de suivi des trajectoires. La production de la turbulence est assurée par une condition de turbulence de grille. Nous avons considéré que les caractéristiques moyennes de l’écoulement fluide sont connues. La sélection des fluctuations de vitesse turbulente est assurée par une méthode probabiliste gaussienne que nous avons développée. La fluctuation est conservée durant un certain temps lié à turbulence, elle est renouvelée au cours du calcul. Ce renouvellement est donné par le temps caractéristique de turbulence. / The characterization of flow, mass and heat transfer during moving droplets of diameter inferior to the millimetre makes the object of our study. In the first part, we present the theoretical and experimental knowledge. In the second part, we studied the evaporation of a free falling droplet in the air. In the third part, we make a simulation of the interaction between the spherical particles in laminar flow. This model takes into account the nature of the particle, the Reynolds number and the separation distance. In the last part, we study the dispersion of droplets in a homogeneous and isotropic turbulent flow.

Les conditions du corps humain ne sont pas reproduites fidèlement par la culture cellulaire traditionnelle en 2D. Dans cette thèse, des cultures cellulaires 3D sont réalisées dans une plateforme microfluidique hautement intégrée. Des cellules mammifères adhérentes sont encapsulées dans des gouttes immobilisées dans un tableau de pièges capillaires à haute densité. Dans chaque goutte, les cellules se réorganisent pour former un unique microtissu 3D et fonctionnel appelé sphéroïde. L'utilisation d'un hydrogel permet d'alonger le temps de culture et de perfuser le tableau avec des solutions aqueuses, par exemple pour de l'immuno-cyto-chimie. Un unique sphéroïde, viable, peut aussi être extrait de cette puce microfluidique. Des données quantitatives sont extraites à haut débit au niveau de la population, du sphéroïde (dizaines de miliers de sphéroïdes) et au niveau cellulaire emph{in situ} (centaines de miliers de cellules) grâce à de l'imagerie de fluorescence et au dévelopement d'un code d'analyse d'image. Une première preuve de concept a été obtenue en démontrant la viabilité, la prolifération et la fonctionalité de sphéroïdes d'hépatocytes et en les corrélant à des paramètres morphologiques. Ensuite, des aggrégats de cellules souches mésenchymales ont été produits et les hétérogénéités spatiales dans l'expression de protéines impliquées dans leurs propriétés thérapeutiques ont été étudiées. Enfin, cette technologie a été encore dévelopée pour permettre d'appliquer des conditions biochimiques différentes dans chaque goutte. La production et la culture de sphéroïdes dans cette plateforme microfluidique peut mener à des dévelopements importants dans beaucoup de domaines tels que l'analyse de la toxicité des médicaments, le criblage de médicaments à haut débit, le traitement personnalisé du cancer, l'ingénierie tissulaire ou la modélisation de maladies. / Conventional 2D cell culture fails to reproduce emph{in vivo} conditions. In this PhD thesis, 3D cell culture is implemented into a highly integrated microfluidic platform. Adherent mammalian cells are encapsulated in droplets immobilized on a high density array of capillary traps called anchors. In each droplet, the cells reorganize into a single functional 3D microtissue called spheroid. The use of an hydrogel allows to extend the culturing time in microdroplets and to perfuse the array with aqueous solutions, for instance for immuno-cyto-chemistry. A single and viable spheroid can also be selectively retrieved from the microfluidic chip. High throughput and quantitative data is extracted at the population, spheroid (tens of thousands of spheroids) and cellular level emph{in situ} (hundreds of thousands of cells) thanks to fluorescent imaging and a custom image analysis software. As a first proof of concept, the viability, proliferation and functionality of hp sh s were demonstrated and correlated with morphological parameters. Drug toxicity experiments were also performed on this liver model. Then, human mesenchymal stem cell aggregates were produced and the spatial heterogeneities of the expression of proteins involved in their therapeutic properties were investigated. Finally, this technology was further developed to enable applying different biochemical conditions in each droplet. The production and culture of spheroids in this microfluidic platform could lead to major advances in many fields such as drug toxicity, high throughput drug screening, personalized cancer treatment, tissue engineering or disease modeling.

Dans cette thèse, nous adressons trois projets avec l'application de microfluidique Avec le Vélocimétrie de Réflexion Totale Interne, nous avons réalisés le nanoPTV des fluides à 800 nm près de parois du solide. Nous arrivons à une précision sans précédent, par la détermination précise de la position du parois, et par la simulation de Langevin, en tenant compte des nombreux sources de biais physique, comme le mouvement Brownien, effet du cisaillement, la répulsion électrostatique entres les particules et le parois, et la défocalisation de la lentille. Nous obtenons ±5 nm and ± 10 nm de précision sur la longueur de glissement pour la solution de sucrose et de l'eau. La condition de non-glissement sur la surface hydrophile est confirmée, et un glissement sur la surface hydrophobe est observé. Nous collaborons avec A. Leshansky pour étudier la formation des gouttes sur une intersection entre un canal confiné et un réservoir profond. Cette phénomène est appelé le "step emulsificaiton". La dynamique de la formation des gouttes est étudiée expérimentalement de façon approfondie. La théorie est basée sur la dynamique des fluides dans un canal Hele-Shaw, avec les effets de forces capillaires. Nous arrivons à expliquer le mécanique du fluides derrière la formation des gouttes, inclus les taille des gouttes. Nous collaborons avec un groupe des entreprises pétrolières (AEC), pour étudier le mouvement des nano particules dans un micro model de milieux poreux. Ces particules sont supposé de faire transition une fois en contact avec l'huile ou expériencer un changement de la température. L'injection des particules dans les réservoirs de l'huile et de gaz permet de collecter l'information sur la distribution et la quantité de l'huile et de gaz. Avant l'application en mass dans l'industrie, c'est favorable de les tester dans un micro model, qui possèdes une structures similaire aux pores des roches. Nous avons testé les nano particules synthétisés par les autres membres de l'AEC, et confirmé que l'idée du micro model est une méthode efficace de prédire la performance des particules sous sol.

Des diagnostics optiques non-intrusifs sont développés afin d’améliorer la compréhension des phénomènes d’évaporation de gouttes de combustible multicomposant. La configuration simplifiée retenue est un jet linéaire de gouttes monodispersées. L’évaporation est réalisée soit à la température ambiante, soit à des températures plus élevées de l’ordre de 500°C. Le combustible utilisé est composé d’éthanol et d’acétone, dont les volatilités sont très différentes. Deux nouvelles techniques de mesures fondées sur la Fluorescence Induite par Laser (LIF) ont été développées au cours des ces travaux. La première, la LIF à trois couleurs permet de mesurer la température moyenne de gouttes binaires. La deuxième exploite la fluorescence émise par l’acétone excitée par un rayonnement laser à 266 nm afin de déterminer la composition instantanée du mélange. Les résultats expérimentaux ont été comparés à un modèle à composants discrets utilisant une approche 1D quasi-stationnaire / Non intrusive optical diagnostics are developed to investigate the mechanisms governing multicomponent droplets evaporation. The case of periodically and linearly arranged monodisperse droplets is considered in these experiments. Droplets are injected either at ambient temperature or into a hot air plume at about 500°C. The fuel mixture is made of ethanol and acetone, which exhibit very different volatilities. Two techniques based on Laser Induced Fluorescence (LIF) have been developed to investigate heat and mass transfers. The first one, the three colours LIF allows obtaining the average temperature of binary droplets. The second one used the fluorescence of acetone excited by an UV laser (266 nm) in order to quantify the acetone molar fraction. Finally, measurements are compared with a numerical model that is derived from a discreet component approach and the assumption of 1D quasi-steady evolution of the gas phase

Ce manuscrit se concentre sur l’étude de la dynamique de drainage de gouttes d’eau dans une phase continue d’huile de paraffine. Les gouttes sont de taille millimétrique, déformables et évoluent dans un domaine de simulation carré de 1 cm de coté. La simulation du comportement de tels systèmes pose le problème général de la description numérique des écoulements multiphasiques non stationnaires. Un modèle simplifié dans une géométrie à deux dimensions est proposé et simulé en volumes finis. Il inclut les propriétés physico-chimiques des interfaces et notamment les phénomènes de coalescence et l’évolution d’un tensioactif soluble dans les gouttes. L’effet des conditions aux limites sur le drainage d’une unique goutte est étudié. Le rôle de la coalescence sur ce drainage est également décrit pour un modèle de deux gouttes. Quelques simulations sont enfin proposées avec des systèmes dispersés plus complexes. / This manuscript focuses on the description of the settling dynamics of water droplets in a continuous phase of paraffin oil. Droplets are of millimetre size, deformable and evolve in a square simulation domain of 1 cm side. The simulations of the behaviour of such systems raise the general problem of the numerical description of the flows occurring in multiphase unsteady systems. A simplified model in a two dimensional geometry is used and integrated with a finite volume numerical technique. It includes the interfacial mechanical and chemical properties and in particular the coalescence phenomena and the evolution of a water soluble surfactant. The effect of the boundary conditions on the drainage of a unique droplet is studied. The role of drop-drop coalescence on this drainage is also described for a model with two droplets. Some simulations are finally proposed with more complex dispersed systems.

L'interaction entre une onde de choc plane et un nuage de gouttes d'eau homogène, monodisperse est étudiée dans un tube à choc. Les influences de la fraction volumique d'eau, αd(1 %, 0.3 % et 0.1%), rapport du volume d'eau sur le volume du nuage, de la hauteur du nuage Hd (70 cm, 40 cm et 15 cm), du diamètre des gouttes φd (250 µm et 500 µm ) et du nombre de Mach M (1.3 et 1.5) sont étudiées pour des fractions volumiques inférieures au pour cent. Lors de cette interaction, la pression en paroi du tube à choc est mesurée et la visualisation du nuage est obtenue par une méthode ombroscopique directe. Une évolution temporelle caractéristique de la pression induite par la propagation d'une onde de choc dans un tel milieu, est mise en évidence. Cette allure, diffère significativement de celle obtenue avec un nuage constitué de particules solides: la fragmentation des gouttes en est responsable. Une zone où la pression diminue directement après le pic de pression est alors observée aux stations de mesure localisées dans le nuage. L'atténuation de la surpression est mise en évidence: elle peut atteindre 80% du pic de pression mesuré sans nuage. Dans la partie numérique de ce travail, deux modèles de fragmentation sont implémentés, comparés et validés dans un code de calcul monodimensionel, instationnaire, Eulérien appliqué aux écoulements dilués (αd<1 %). On montre que la formulation du taux de production des gouttes selon le taux d'accroissement soit de leur nombre, soit de leur diamètre doit être utilisée respectivement soit avec, soit sans la prise en compte l'étape de déformation de la fragmentation. / The interaction between a planar shock wave and an both homogeneous and monodispersed droplet water cloud is studied in a shock tube. The effects of the water volume fraction αd (1% %, 0.3 % et 0.1%), ratio between the volume of water and the volume of the cloud, the height of the two-phase medium Hd (70 cm, 40 cm et 15 cm), the droplets diameters φd (250 µm et 500 µm ) and the Mach number M (1.3 et 1.5) are studied for a volume fraction smaller than one per cent. During this interaction, the pressure is measured and the visualization of the cloud is obtained by direct shadowgraphy. A characteristic temporal evolution of the pressure induced by the propagation of the shock wave in such a mixture is highlighted. This behavior differs significatively from the one obtained with a solid particles cloud : the droplet atomization is responsible of this change. A zone where the pressure decreases directly after the pressure peak is observed at different stations located into the water cloud. The mitiagtion of the overpressure is shown: it can reach 80%of the pressure peak measured without cloud. In the numerical part, two fragmentation models are added, compared and validated in a comptutational, one dimensional, instationnary, Eulerien code in the case of dilute flows (αd<1 %). We show that the formulation of the production rate of droplets defined by the number of droplets growth, or the diameter droplet growth, must be used, respectively, with and without taking into account the deformation stage of the droplet breakup. Thus, the numerical results are in good agrement with those obtained experimentally.

Le transport par voie maritime s’est développé très rapidement durant la dernière décennie. Il constitue la solution idéale pour déplacer à faibles coûts d’importantes quantités de marchandises sur de longues distances. L’accroissement de ces échanges entraine inévitablement une augmentation de la fréquentation des routes maritimes, de la densité du trafic et donc du risque d’accident et de naufrage.Les quantités impliquées lors d’un accident étant importantes, un rejet sous-marin de produit chimique issu d’une épave peut provoquer de graves conséquences environnementales et humaines. Or, les mécanismes physico-chimiques apparaissant lors du transfert du produit à la surface sont encore mal compris. Ces mécanismes dépendent de nombreux paramètres dont les propriétés physico-chimiques intrinsèques au produit et celles propres à l’environnement de l’accident.Ce travail de recherche, réalisé en collaboration entre l’Ecole des Mines d’Alès et le Cedre, s’inscrit dans l’amélioration de la compréhension du comportement d’un rejet de produit chimique liquide, flottant et soluble issu d’une épave. Cette étude expérimentale a été réalisée selon 3 points :- La phénoménologie du rejet à la brèche dont l’objectif est de quantifier le débit et les modes de rejet,- Le comportement hydrodynamique du produit libéré et son évolution lors de la remontée dans la colonne d’eau,- Le transfert de matière du produit lors de sa solubilisation dans la colonne d’eau.Pour chaque point, les résultats obtenus sont comparés à ceux prédits par les corrélations disponibles dans la littérature afin de proposer une modélisation globale des conséquences adaptée à la gestion des pollutions marines. / Maritime transport quickly increases during the last decade. It is the cheapest way to transport large quantities of goods over long distances. The growth of this trade necessarily leads to an increase in the traffic density and therefore the risk of accident and sinking increases as well.The large amount of chemicals involved in an accident may threaten the environment and human health in case of shipwreck with underwater chemical release. Unfortunately the physicochemical mechanisms occurring during the transfer of a chemical to the sea surface are still poorly understood. Those mechanisms depend on various parameters such as the physicochemical properties of the chemicals and the specific properties of the accident surroundings. This research was conducted in collaboration with the Ecole des Mines d'Alès and Cedre in a global approach to understand the behaviour of liquid, floating and soluble chemicals released after a shipwreck. This experimental study has been carried out according to 3 main points:- The phenomenology of a release at the breach. The objectives are to quantify the flow rate and the release pattern,- The hydrodynamic behaviour of the released chemicals and their fate in the water column,- The mass transfer of the chemical during its solubilization in the water column.For each point, the results are compared to those predicted by correlations in the literature in order to propose a global model of consequences that is adapted to the marine pollution management.

Des diagnostics optiques non intrusifs ont été utilisés afin d’investiguer les mécanismes gouvernant l’évaporation de trains de gouttes en interaction ou de sprays. Une technique basée sur la fluorescence induite par laser à deux couleurs (2cLIF) du pyrrométhène 597-8C9 ensemencé en très faible concentration dans le liquide à étudier a été développée pour obtenir la température moyenne de gouttes combustibles mono et bicomposant (alcanes, alcool, cétones) évoluant dans un train de gouttes monodisperse. En parallèle, l’évolution du diamètre des gouttes a été déterminée par interférométrie en diffusion avant. L’évolution temporelle de la température et du diamètre des gouttes en évaporation a été mesurée pour une large gamme de paramètres d’injection et d’interaction. Plusieurs combustibles présentant différentes volatilités ont ainsi été étudiés dans une chambre d’évaporation. Les paramètres caractérisant les transferts de chaleur et de masse représentés par les nombres de Nusselt et de Sherwood, intervenant dans le mécanisme d’évaporation des gouttes en interaction, ont été calculés à partir des données expérimentales, ce qui a permis la caractérisation de l’influence des interactions entre gouttes sur les transferts, en mettant en évidence un effet notable de la volatilité du combustible. Ensuite la technique de 2cLIF a été étendue à la mesure de la température moyenne d’un spray de gouttes binaires composées d’un mélange n-décane / 3-pentanone et injecté dans un écoulement turbulent chauffé. Le développement d’une technique de couplage de la technique LIF avec la granulométrie phase Doppler (PDA) a permis la mesure de températures par classe de taille de goutte / Non intrusive optical diagnostics are used in order to investigate the mechanisms that govern the droplets evaporation. A new technique based on 2-colours laser-induced fluorescence (LIF) of the pyrromethene 597-8C9 was developed to obtain the mean temperature of evaporating bicomponent fuel droplets in a linear monodisperse droplet stream. In parallel size evolution of the droplet was measured thanks to forward scattering methods. Data on evaporating and interacting droplet streaming linearly have been collected for different injection parameters and several monocomponent fuels (alcohol, ketones, alkanes) that exhibit different volatilities and bicomponent fuels (mixture of n-decane and 3-pentanone), in a temperature controlled evaporation chamber. Heat and mass transfers parameters (Nusselt and Sherwood numbers) involved in the evaporation process of interacting droplets are inferred from the experimental data. The result exhibits a strong influence of the volatilities of the fuel on the effect of the interaction on heat and mass transfers. Then the 2-colours LIF technique was extended to measure the mean temperature within a spray made of bicomponent droplets (n-decane / 3-pentanone), injected in a hot air flow where the turbulence and boundary conditions are controlled. By means of a coupling with the PDA (Particle Dynamic Analyser), temperature for each size of droplets was determined