Cette thèse porte sur la propagation d'incertitudes et la résolution de problème inverse et leur accélération par Chaos Polynomial. L'objectif est de faire un état de l'art et une analyse numérique des méthodes spectrales de type Chaos Polynomial, d'en comprendre les avantages et les inconvénients afin de l'appliquer à l'étude probabiliste d'instabilités hydrodynamiques dans des expériences de tubes à choc de type Richtmyer-Meshkov. Le second chapitre fait un état de l'art illustré sur plusieurs exemples des méthodes de type Chaos Polynomial. Nous y effectuons son analyse numérique et mettons en évidence la possibilité d'améliorer la méthode, notamment sur des solutions irrégulières (en ayant en tête les difficultés liées aux problèmes hydrodynamiques), en introduisant le Chaos Polynomial généralisé itératif. Ce chapitre comporte également l'analyse numérique complète de cette nouvelle méthode. Le chapitre 3 a fait l'objet d'une publication dans Communication in Computational Physics, celle-ci a récemment été acceptée. Il fait l'état de l'art des méthodes d'inversion probabilistes et focalise sur l'inférence bayesienne. Il traite enfin de la possibilité d'accélérer la convergence de cette inférence en utilisant les méthodes spectrales décrites au chapitre précédent. La convergence théorique de la méthode d'accélération est démontrée et illustrée sur différents cas-test. Nous appliquons les méthodes et algorithmes des deux chapitres précédents à un problème complexe et ambitieux, un écoulement de gaz compressible physiquement instable (configuration tube à choc de Richtmyer-Meshkov) avec une analyse poussée des phénomènes physico-numériques en jeu. Enfin en annexe, nous présentons quelques pistes de recherche supplémentaires rapidement abordées au cours de cette thèse. / This thesis deals with uncertainty propagation and the resolution of inverse problems together with their respective acceleration via Polynomial Chaos. The object of this work is to present a state of the art and a numerical analysis of this stochastic spectral method, in order to understand its pros and cons when tackling the probabilistic study of hydrodynamical instabilities in Richtmyer-Meshkov shock tube experiments. The first chapter is introductory and allows understanding the stakes of being able to accurately take into account uncertainties in compressible gas dynamics simulations. The second chapter is both an illustrative state of the art on generalized Polynomial Chaos and a full numerical analysis of the method keeping in mind the final application on hydrodynamical problems developping shocks and discontinuous solutions. In this chapter, we introduce a new method, naming iterative generalized Polynomial Chaos, which ensures a gain with respect to generalized Polynomial Chaos, especially with non smooth solutions. Chapter three is closely related to an accepted publication in Communication in Computational Physics. It deals with stochastic inverse problems and introduces bayesian inference. It also emphasizes the possibility of accelerating the bayesian inference thanks to iterative generalized Polynomial Chaos described in the previous chapter. Theoretical convergence is established and illustrated on several test-cases. The last chapter consists in the application of the above materials to a complex and ambitious compressible gas dynamics problem (Richtmyer-Meshkov shock tube configuration) together with a deepened study of the physico-numerical phenomenon at stake. Finally, in the appendix, we also present some interesting research paths we quickly tackled during this thesis.

Le nettoyage en place des membranes en industrie agro-alimentaire est une opération cruciale qui, outre les exigences de sécurité sanitaire des installations et des produits traités doit permettre de restaurer les performances de la filtration (sélectivité, flux) en éliminant le colmatage formé pendant l'étape de production. Malheureusement cette étape repose encore sur des bases empiriques et non optimisées. A cause d'un manque de notions fondamentales, elle est encore pressentie comme un frein à l'utilisation massive des procédés membranaires. Une démarche originale a été menée dans le cadre de cette thèse incluant la réflexion sur l'incidence des paramètres hydrodynamiques des conditions de production sur la cohésion du dépôt colmatant et plus particulièrement de sa fraction irréversible, dont la nettoyabilité est étudiée. Pour fonder cette démarche, une étude comparée du colmatage et du nettoyage au flux limite et au flux critique a été réalisée en intégrant le rôle de la physico-chimie et de l'hydrodynamique pendant la phase de production. cette étude s'inscrit dans un cadre d'éco-conception de procédé, avec une analyse de cycle de vie réalisée afin d'estimer l'impact environnemental de l'étape de nettoyage via divers scénarii simplifiés. / The cleaning in place of membranes in food-processing industry is crucial operation which, besides the requirements of sanitary safety of the installations and the treated products allows to restore the performances of the filtration (flux, selectivity) by removing the fouling formed during the production step. Unfortunately, this cleaning step still rests on empirical and not optimized bases. Because of a lack of fundamental notions, it is still anticipated as a brake in the massive use of the membrane processes. An original approach is led within the framework of this thesis including the reflexion on the incidence of the hydrodynamics parameters of the conditions of production on the cohesion of the fouling deposit and more particularly its irreversible fraction which this cleanability is studied. To establish this approach, a study compared by the fouling and by the cleaning with the limiting flux and with the critical flux is realized by integrating the role of the physic-chemistry and the hydrodynamics during the production step. This study joins in a frame of eco-design of process, with an analysis of life cycle realized to estimate the environmental impact of the cleaning step by diverse scenarios.

La zone côtière marseillaise présente de forts contrastes. Elle est soumise à de nombreux apports en nutriments et matière organique par le Rhône, les rejets urbains (Marseille) et l'atmosphère. L'objectif de ce travail était de développer, valider et utiliser un modèle tridimensionnel couplé physique-biogéochimique afin d'étudier la réponse de l'écosystème aux différents forçages hydrodynamiques (upwelling, tourbillon anticyclonique marseillais, intrusion du Courant Nord...) et notamment la modulation des apports naturels et anthropiques associés. Le développement du modèle a permis de mettre en évidence la nécessité de bien représenter l'hydrodynamique et les rejets terrestres plutôt que d'augmenter la complexité du modèle biogéochimique dans cette zone côtière. L'étude des simulations réalistes, d'images satellites et de mesures issues de campagnes en mer a fourni des informations sur les caractéristiques spatiales et temporelles de la zone côtière. Cette zone présente des variations saisonnières très marquées, ainsi qu'une forte variabilité journalière due à une succession de forçages hydrodynamiques et terrestres très intenses et de courte durée. Les informations acquises au cours de cette thèse, notamment grâce au calcul de bilans de matière, ont permis de proposer une hiérarchisation de l'impact des évènements étudiés sur la biogéochimie à l'échelle de la baie de Marseille et de la zone côtière. Finalement, les forçages hydrodynamiques ont comme principal effet d'exporter les perturbations anthropiques et terrigènes au large ce qui permet de maintenir l'état oligotrophique dans une majeure partie de la zone côtière, hormis à proximité de l'embouchure du Rhône. / Marseille coastal zone is a contrasted area which is submitted to many inputs of nutrients and organic matter by the Rhone, by discharges from the Marseille city and the atmosphere. The objective of this study was to develop, validate and use a 3D coupled physical/biogeochemical model to study the impact of different hydrodynamic forcings (upwelling, anticyclonic eddy (ME), intrusion of the Northern Current ...) on the ecosystem, in particular the modulation of natural and anthropogenic inputs by these forcings. In this coastal zone, model development highlighted that improving the accuracy of hydrodynamics and terrestrial input was more benefit rather than complicating the biogeochemical model. Comparison with field measurements showed that even if the model have some defaults, it reproduces well enough chlorophyll-a and nutrients. The study of realistic simulations, satellite images and sea campaigns measurements provided information on the spatial and temporal characteristics of this coastal zone. This area is characterized by seasonal variations, but also by a strong daily variability due to very intense and short-lived hydrodynamic and terrestrial forcings. The information acquired during this thesis, including through the use of mass budgets, allowed to propose a hierarchy of the impacts on the biogeochemistry of the studied events occurring across the Bay of Marseilles and the coastal zone. Finally, hydrodynamic forcings appeared to mainly export the anthropogenic and terrigenous inputs offshore which maintained the oligotrophic state in most of the coastal zone, except near the mouth of the Rhone River.

Nous présentons plusieurs expériences d'hydrodynamique interfaciale illustrant des procédés de création, stabilité et rupture d'interfaces fluides, liquide/liquide ou liquide/gaz. Dans un premier temps, nous étudions le processus de fragmentation d'objets déformables, gouttes et bulles, par un obstacle rectangulaire ou une boucle asymétrique placés dans un canal microfluidique. La deuxième partie de ce travail se consacre à des expériences menées avec des bulles et films liquides minces formés à l'aide d'eau savonneuse ou de liquides très visqueux. Après avoir revisité quelques surfaces minimales adoptées par un film de savon à l'équilibre, nous étudions divers mécanismes de formation de bulles et de bulles interfaciales. Dans ces deux parties, nos études sont menées en faisant varier de façon systématique les paramètres hydrodynamiques, physicochimiques et géométriques contrôlant chaque expérience. Nous interprétons les résultats obtenus en microfluidique à l'aide d'arguments simples basés notamment sur l'analogie électro-hydraulique aux bas nombres de Reynolds, tandis que l'analyse dimensionnelle et des lois d'échelle permettent de décrire la plupart des comportements expérimentaux des bulles et films liquides minces. / We report hydrodynamic experiments illustrating the creation, stability and rupture of either liquid/liquid or liquid/gas interfaces. First, we investigate the fragmentation of deformable objects, such as drops and bubbles, against a rectangular obstacle or at the entry node of an asymmetric loop placed in a microfluidic channel. In the second part of this work, we report experiments conducted with bubbles and thin-liquid films either made with soapy water or highly viscous fluids. After having described a few minimal surfaces sought by a soap film at equilibrium, we study a variety of mechanisms that yield the formation of bubbles and interfacial bubbles. In both parts, our investigations are conducted by systematically varying the parameters (hydrodynamic, physicochemical and geometric) controlling each experiment. We interpret microfluidic results with simple physical arguments based on the electro-hydraulic analogy at low Reynolds numbers. Experimental findings on bubbles are rationalized mostly using dimensional analysis and scaling laws.

La thèse s'intéresse aux deux écoulements présents en aviron, autour du bateau et de la palette, et aux interactions avec le système bateau-avirons-rameur. Le premier est inhabituel en hydrodynamique, à cause du cavalement important et des mouvements secondaires. La complexité du second provient de l'instationnarité et de la déformation de la surface libre. L'objectif consiste à mettre en oeuvre des méthodes numériques performantes et précises puis à les valider pour, à plus long terme, les réutiliser à des fins d'analyse et d’optimisation de la performance en aviron.Ces simulations instationnaires à surface libre sont coûteuses en ressources pour les codes RANS. Un algorithme de sub-cycling a été développé et validé sur plusieurs cas test, diminuant les temps CPU d'un facteur 3 à 4, sans perte de précision. Il est compatible avec la déformation et le raffinement automatique de maillage. Deux bases de données expérimentales sont exploitées pour chaque écoulement afin de valider le cadre de simulation. Pour celui autour de la palette, une campagne in situ et une autre en laboratoire sont utilisées. Dans les deux cas, les profils d'efforts sont bien capturés, compte tenu des incertitudes cumulées liées à la mesure indirecte de la cinématique de la palette par rapport à l'eau. Pour le skiff en configuration instationnaire, les efforts fluctuants sont bien capturés, en amplitude et en phase, pour des fréquences typiques. Des écarts inattendus (de l'ordre de 10%) sont constatés sur la valeur moyenne et restent pour le moment sans réponse probante. La structure d'une co-simulation entre les résolutions des écoulements et celle de la dynamique du système multicorps est initiée. / The thesis focuses on the two flows occurring in rowing,around the boat and the blade, and on interactions with theboat-oars-rower system. The first flow is unusual in hydrodynamics because of the large surge and secondary motions. The complexity of the second one comes from the unsteadiness and the free surface deformation. The goal is to set up efficient and accurate numerical methods to reproduce these flows and then to validate them for the purpose of analysis and optimisation of the performance in rowing.Those unsteady computations with free surface are cost lyin resources for RANS codes. A sub-cycling algorithm was developed and validated on several test cases, allowing to decrease the CPU time by a factor of 3 to 4, without loss of accuracy. It is compatible with mesh deformation and automatic grid refinement. Two experimental databases are exploited for each flow in order to validate the frame of simulation. For the flow around the blade, an in-situ campaign and a more controlled one conducted in laboratory, are used. In both cases, the profiles of the efforts are well captured, considering the cumulative uncertainties linked to the indirect measurement of the blade kinematics relative to the water. For the skiff in unsteady state, the fluctuating forces are well captured, in terms of amplitudes and phases, for typical frequencies. Unexpected errors (around10%) are observed for the mean value and remain unexplained for now. The structure of a co-simulation between the resolutions of the flows and the resolution of the dynamics of the multibody system is initiated.

Bien que les microorganismes pathogènes soient rarement détectés au sein de réseaux de distribution d'eau potable, ils peuvent constituer un danger pour la santé humaine en cas de contamination accidentelle. Le devenir des virus entériques au sein d'un système de distribution d'eau est largement méconnu, alors que de telles informations sont nécessaires pour améliorer les procédures de prise en charge en cas d'incidents. Dans ce contexte, trois bactériophages ARN F-spécifiques, MS2, GA et Q[bêta], ont été utilisés comme modèles des virus entériques pathogènes, dans des conditions expérimentales mimant un système de distribution d'eau. Ce travail visait d'une part à comparer l'accumulation des phages sur des surfaces en polyéthylène haute densité (PEHD) colonisées ou non par des biofilms d'eau potable et d'autre part à évaluer, sur les bactériophages adhérés, l'efficacité de protocoles de nettoyage basés sur une chloration ainsi qu'une augmentation des contraintes hydrodynamiques. En résumé, les différentes vitesses d'eau étudiées n'ont pas conduit à des différences significatives dans l'accumulation des bactéries et des phages sur les surfaces, mais ont toutefois abouti à des concentrations surfaciques en phages significativement supérieures à celles observées en conditions hydrostatiques. Quelles que soient les conditions expérimentales (vitesses d'eau à la surface, présence ou absence d'un biofilm), le bactériophage MS2 présente systématiquement les plus faibles concentrations sur les surfaces. La séquence d'adhésion des trois bactériophages sur biofilms est en accord avec leur séquence d'hydrophobicité. Le protocole de chloration (4 à 5 mg Cl2.L-1) évalué dans cette étude peut être ponctuellement appliqué en cas de contamination de l'eau. Après 60 minutes de chloration, l'abattement est de 0,7 log10 pour les bactéries et il est compris entre 2 et 3 log10 pour les phages adsorbés sur les surfaces, alors qu'aucun phage infectieux n'est plus détecté dans l'eau dès 5 minutes de chloration. Ces résultats soulignent l'effet protecteur du biofilm, même jeune. Enfin, la chloration apparaît être plus efficace que l'augmentation des contraintes hydrodynamiques pour éliminer les bactériophages adhérés aux surfaces / Although pathogens remain widely uncommon in water distribution networks, they may constitute a real threat for human health when accidentally introduced in the system. There is a lack of knowledge about virus behaviour into water distribution systems whereas such information is critical for a better viral risk management. In this context, three F-specific RNA bacteriophages -MS2, GA and Qbeta- were used as models, in experimental conditions mimicking water distribution systems. The purpose of the present work was at first to compare the viral accumulation of bacteriophages on high-density polyethylene (HDPE) colonised or not with drinking water biofilms. The second objective was to evaluate, on phages adsorbed in the biofilm, the efficiency of a cleaning protocol, based on chlorination and increase in the hydrodynamic strengths. To sum up, the water velocities tested in this work had little influence on both the bacterial and virus accumulation on surfaces, but applying a water flow led to an increase in the number of adsorbed phages in comparison with hydrostatic conditions. Whatever the conditions (water velocity, colonisation or not with a biofilm) MS2 phage was found to be the less adherent one. On HDPE colonised with a two-month old biofilm, the adhesion sequence was consistent with the sequence of hydrophobicity of the phages. The chlorination protocol tested in our study (4 to 5 mg CL2/L) can be applied punctually in distribution networks. After 60 minutes of chlorination the log-reduction was about 0.7 log10 for bacteria and between 2 and 3 log10 for bacteriophages, while no more infectious phages were detected in water after 5 minutes. Those results highlight that even two-month-old biofilms provide to viruses a protection against disinfection protocol. At last, the chlorination appears to be more efficient to inactivate viruses adsorbed on surfaces than an increase in the water flow velocity

Le couplage entre processus physico-chimiques et le transfert de matière ou de chaleur peuvent donner lieu à des structures spatio-temporelles induites par des flux convectifs. Ces flux peuvent résulter de gradients de densité ou de tension superficielle et sont l'expression de la conversion d'énergie chimique en énergie mécanique. Quand la tension superficielle est à l'origine de ces mouvements, les effets correspondants sont connus sous le nom d'effet Marangoni. Ils jouent un rôle dans de nombreuses applications comme les procédés industriels d'extraction en amplifiant notablement la vitesse des processus de transfert. Les systèmes réels, trop complexes, doit être simplifiés par le développement de systèmes modèles afin d'établir au niveau fondamental la théorie sous-jacente à de telles dynamiques. Une succession de régimes dynamiques est observée lors de la dissolution d'une goutte de dichlorométhane (DCM) déposée sur une solution aqueuse de tensioactif (bromure de céthytriméthylammonium, CTAB). La succession remarquable de formes et de mouvements induits est déterminée par la concentration du tensioactif qui joue le rôle de paramètre de contrôle. A faible concentration en CTAB, un mouvement de translation ou des pulsations. Aux concentrations plus élevées, la goutte entre en rotation ou forme des structures polygonales. Bien que chimiquement simple, le système est complexe et implique plusieurs processus physico-chimiques : évaporation, solubilisation, transfert de tensioactifs, adsorption aux interfaces et agrégation. Les effets thermiques et de transport qui en résultent sont à l'origine des variations locales de tension interfaciale donnant lieu aux effets Marangoni. Nous nous sommes concentrés sur le comportement de la goutte quand la concentration en tensioactif conduit au régime de pulsation. Nous avons tout d'abord analysé le comportement de la goutte pendant la période d'induction qui précède le régime instable. L'analyse de la forme de la goutte corrélée à des mesures d'Imagerie par Vélocimétrie de Particules (PIV), ont montré que les flux créés par la dissolution du DCM limitent dans un premier temps l'adsorption du CTAB à l'interface eau/huile. L'instabilité ne démarre que lorsque la dissolution est réduite et que l'adsorption devient effective. La phase d'induction apparait comme une transition lente entre un coefficient d'étalement négatif (goutte ayant la forme d'une lentille) vers un coefficient d'étalement positif qui entraine l'expansion du film et les pulsations suivantes. Ces pulsations sont accompagnées par l'éjection de gouttelettes qui se forment à partir d'un bourrelet apparaissant au bord du film pendant la phase d'expansion. La rupture de ce bourrelet ressemble au phénomène connu sous le nom d'instabilité de Rayleigh-Plateau (RP). Cependant, la longueur d'onde caractéristique de formation des gouttelettes est deux fois plus faible que celle attendue dans le cas d'une instabilité de RP classique. L'origine de cet écart réside dans la modulation du bourrelet avant sa rupture. Cette modulation est en fait déterminée par des ondulations apparaissant à la surface du film et formant des rides en direction radiale. Ces rides pourraient être attribuées à un effet Marangoni thermique connu sous le nom d'instabilité de Bénard-Marangoni. Elles jouent également un rôle important dans la formation de la structure de démouillage hautement organisée décrite dans le dernier chapitre. L'ajout de CTAB dans la phase organique (goutte) donne lieu à des oscillations plus rapides qui, après une phase d'expansion de grande amplitude et l'éjection d'une couronne parfaite de gouttelettes, résultent lors de la phase de démouillage en une structure dont la forme rappelle une fleur. Une interprétation qualitative permettant d'identifier les principaux processus à l'œuvre et basée sur des mesures indépendantes de tension interfaciale apporte une explication des pulsations observées et de l'auto-organisation induite. / Far-from-equilibrium systems exhibit a wide variety of spatial and temporal patterns known as dissipative structures. The interplay between physico-chemical processes and mass or heat transfer can give rise to spatio-temporal structures induced by convective flows. These flows may result from density or surface tension gradients. They are the expression of the conversion from chemical into mechanical energy. When surface tension is the driving force, the corresponding effects are known as Marangoni effects. They are at play in numerous applications as extraction processes, oil recovery, and chemical reactors at all scales and noticeably modify transfer rates. The complexity of real systems deserves the development of model systems, essentials to settle, on a fundamental level, the theory governing the related dynamics. A succession of dynamical regimes is observed during the dissolution of a dichloromethane drop deposited on aqueous solutions of a cationic surfactant (cetyltrimethylammonium bromide, CTAB). The remarkable range of shapes and motion patterns that emerges is related to the surfactant concentration, which is used as a control parameter. For low surfactant concentrations, we observe translational motion and pulsations of the drop. At intermediate concentrations the drop transforms and starts to rotate. At higher concentrations polygonal shapes are observed. Although chemically simple and of easy implementation, the system is relatively complex and involves several processes: evaporation, solubilization, surfactant mass transfer, interfacial adsorption and self-aggregation. Thermal and transport effects induced are at the origin of local variations of interfacial tension leading to the Marangoni flows. In this thesis, we focused on the behavior of the dichloromethane drop when the aqueous surfactant concentration (0.5 mM) leads to the pulsating regime. At this concentration, we have first analyzed the behavior of the drop during the induction period that precedes the instable regime. Drop shape analysis, correlated to Particle Image Velocimetry (PIV) measurements, showed that dissolution flows initially hinder adsorption of CTAB at the water/oil interface. The instability is only triggered when dissolution is reduced and water/oil adsorption becomes effective. The induction period appears as a slow transition from an initial negative spreading coefficient (a lens shape drop) towards a positive spreading coefficient that triggers film expansion and following pulsations. These pulsations are accompanied by the ejection of smaller droplets which are formed from a toroidal rim that is created during the expanding phase of the drop. The break-up of this toroidal rim, resembles to what is known as the Rayleigh-Plateau (RP) instability. Nevertheless, the observed characteristic wavelength is a factor of 2 too small in respect to the classical RP instability. We have found the origin of this discrepancy in the fact that modulations that appear on the rim before it transforms into droplets are settled by deformations arising at the surface of the expanding film. They appear as wrinkles that form in the film and may be related to thermal Marangoni effects known as Benard-Marangoni instability. These wrinkles play an important part in the highly organized dewetting structure described in the last chapter of the thesis. The addition of CTAB also in the organic (drop) phase leads to faster pulsations which, after a very high amplitude expanding stage and the ejection of a perfect crown of droplets, result during the film receding stage in the formation of a pattern which symmetry is reminiscent of a flower. A qualitative interpretation aimed at identifying the main processes at play and based on independent surface tension data gives a consistent explanation of the observed pulsations and related self-organized patterns.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) permet maintenant d'observer différents types de tissus avec des résolutions de plus en plus fines. L'arbre vasculaire artériel et veineux est explorable et les flux peuvent y être caractérisés de façon non invasive. Le versant artériel de l'arbre vasculaire peut être obtenu par une imagerie dite par « temps de vol » et le versant veineux par une imagerie en contraste de phase. Le développement de reconstructions de cartographies de susceptibilité magnétique (QSM) permet d'améliorer le niveau de détails atteignable sur les veines en fournissant en plus la possibilité de quantifier des paramètres physiologiques comme la saturation veineuse en oxygène. La mise en place d'algorithmes et outils dédiés permet la reconstruction in-silico d'une architecture cohérente sujet-spécifique. Par ailleurs grâce à l'emploi de séquences de la dynamique telles que le contraste de phase dynamique et l'imagerie par marquage des protons artériels du sang, les débits artériels, veineux, et perfusionnels sont mesurables. L'intégralité de ces acquisitions est non invasive, donc applicable à l'intégralité des sujets passant des IRM. Sur la base de ces données anatomiques et dynamiques, un modèle complet et sujet-spécifique de l'hydrodynamique intracrânienne est proposé. Le flux sanguin et cérébro-spinal est décrit dans ce modèle par les équations bilans fondamentales de l'hydrodynamique : conservation de la masse, conservation de la quantité de mouvement. Pour tenir compte de l'adaptation du diamètre des vaisseaux aux pressions on introduit pour chaque compartiment un paramètre d'élasticité de la paroi et une équation correspondante. Grâce aux données d'imagerie IRM, les compartiments sanguins des artères aux veines, le parenchyme cérébral et le système ventriculaire sont inclus. Le modèle permet de simuler la répartition des flux et des pressions dans les différents compartiments de la vascularisation du patient ainsi que d'évaluer les effets d'occlusions localisées sur l'ensemble de l'architecture. / The magnetic resonance imaging (MRI) allows the observation of various kind of tissues with always increasing resolution. The arterial and venous vascular trees can be explored, and the flows can be characterized in a noninvasive way. As an example, the arterial part of the tree can be obtained using so-called “Time Of Flight” MRI, and the venous part with phase contrast techniques. The development of quantitative susceptibility maps (QSM) improves the level of details achievable regarding veins; furthermore, it provides a new way to estimate physiological parameters such as venous saturation in oxygen. Eventually the implementation of dedicated algorithms and tools allows the in-silico reconstruction of a subject-specific coherent architecture. Moreover, due to the use of dynamic imaging sequences such as the dynamic phase contrast imaging and the arterial spin labeling, the arterial, venous and cerebral blood flow are measurable. All of these sequences are noninvasive and so usable on every subjects. Based on these anatomical and dynamics data, a full subject-specific model of the brain hydrodynamics is proposed here. The blood and cerebrospinal flow are described using basic balance equations of the hydrodynamics: continuity and momentum. To take into account of the adaptation of vessel diameter to the pressure, a wall elasticity parameter is added for each compartment together with the corresponding equation. Thanks to the MRI data, all the blood compartments, from arteries to vein, the cerebral parenchyma and the ventricular system are included. The model is able to simulate the flow and pressure repartition in all compartments of the subjects as well as show the impact of a located occlusion on the whole architecture.

Les instabilités de digitation sont des instabilités hydrodynamiques qui déforment l’interface entre deux fluides sous forme de doigts. Elles apparaissent lorsqu'un fluide plus mobile déplace un fluide moins mobile, ce qui peut être engendré par des gradients de densité (auquel cas on parlera de digitation de densité), de viscosité (digitation visqueuse) ou encore de tension de surface. Dans ce cadre, l’objectif de ce travail est d'étudier par une approche principalement expérimentale dans quelle mesure des réactions chimiques et des propriétés de mélange non idéal peuvent modifier voire induire de telles instabilités. Le but est de comprendre les dynamiques spatio-temporelles résultant de l’interaction entre réactions chimiques, diffusion, propriétés de mélange et instabilités de digitation. Pour ce faire, nous explorons expérimentalement et analysons à l’aide de modèles théoriques simples différentes dynamiques hydrodynamiquement instables dans des mélanges réactifs ou non idéaux. <p>Nous étudions tout d’abord l’évolution de la zone de mélange non idéal entre deux fluides purs lorsque le fluide le moins dense est placé au dessus du fluide le plus dense dans le champ de gravité. Nous montrons que le fait que la densité du mélange évolue de manière non monotone en fonction de sa composition peut être la source de digitation de densité. Nous étudions ensuite l'influence de réactions chimiques simples sur la digitation de densité à l'interface entre fluides miscibles et partiellement miscibles, en clarifiant l’impact de la diffusion différentielle entre divers solutés de solutions réactives et du taux de miscibilité sur le phénomène de digitation. Dans le cas de la digitation de viscosité, nous analysons tout d'abord dans quelle mesure une réaction chimique, en induisant des profils de viscosité non monotones, peut accroître ou limiter le développement de la digitation visqueuse. Nous démontrons de plus que, dans le déplacement stable d'un fluide moins visqueux par un fluide plus visqueux, une réaction chimique peut générer de la digitation visqueuse en induisant des profils de viscosité non monotones. Enfin, nous explorons expérimentalement l’étalement de films minces réactifs sur des substrats solides. Nous démontrons que, dans certaines conditions, des réactions chimiques peuvent induire des flux convectifs de Marangoni liés à des gradients de tension superficielle qui déstabilisent le bord du film par digitation, produisant un motif fractal. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans certaines conditions, une baisse significative de la taille des gouttes se produit en émulsification membranaire avec vibrations transversales. Pour comprendre les mécanismes impliqués, nous avons développé deux dispositifs expérimentaux, dans lesquels une goutte unique est formée à travers un capillaire dans une phase externe, qui est soit stationnaire, soit en écoulement. Le capillaire peut être mis en vibration parallèlement à son axe.Lorsque la phase externe est stationnaire, au-delà d’une amplitude seuil de forçage, la taille des gouttes formées diminue significativement. La goutte entre en résonance quand sa fréquence propre coïncide avec la fréquence de forçage et elle se détache si elle atteint une élongation critique. La goutte est modélisée comme un oscillateur harmonique linéaire forcé. Un terme d’amortissement additionnel décrit la dissipation visqueuse entre la goutte et la surface du capillaire. Ce modèle prédit bien les amplitudes seuils et les diamètres de gouttes.Lorsque la phase externe s’écoule, nous avons étudié deux régimes de formation de gouttes, en goutte à goutte (dripping) ou à partir d’un jet (jetting). Expérimentalement, la transition du dripping au jetting se produit à un nombre de Weber interne seuil, dont la valeur dépend des nombres capillaire et d’Ohnesorge externes. Le jet se rétrécit (narrowing) ou s’élargit (widening) selon le rapport de vitesses des phases choisi. En dripping, les diamètres de gouttes sont bien prédits par un bilan des moments. En jetting, un modèle basé sur l’équation du mouvement permet d’estimer la vitesse critique permettant la transition au jetting et les diamètres de gouttes résultants. / In transversally vibrating membrane emulsification, significantly smaller drops are generated in certain conditions. We aim to explain the mechanisms involved. To do so, two experimental setups were developed. A single drop is formed from a nozzle into an outer phase, which is either stationary or cross-flowing. The nozzle can be submitted to axial vibrations.For a drop formed into a stationary phase, a transition in drop generation occurs above a critical forcing amplitude. Below the threshold, a large drop forms by dripping. Above the threshold, a drop detaches when its first eigenfrequency and the forcing frequency coincide. The drop then resonates and detaches once a critical elongation ratio is reached. We model a drop as a linearly forced harmonic oscillator and add an extra damping term to account for the viscous dissipation between the drop and nozzle surface. We well reproduce the threshold amplitudes and drop diameters.We also study drops generated into cross-flow. In dripping mode, drop diameters are described by a torque balance. At a critical inner Weber number function of the outer capillary and Ohnesorge numbers, a transition to jetting occurs. Jet widening or narrowing takes place depending on the phase velocity ratio. We propose a model to account for the transition to jetting based on the drop equation of motion. Overall, we adequately account for the jetting velocity and drop diameters, with discrepancies which were explained.