Les micronageurs et parmi eux les microangeurs artificiels sont en général, limités à exister dans des écoulements dominés par des forces visqueses. Ces écoulements sont caractérisés par un bas nombre de Reynolds (Re). Cela impacte la stratégie de nage et plus particulièrement les séquences de forme possibles, qui doivent nécessairement être non-réciproques dans l'espace de déformation pour espérer induire un déplacement net non-nul. De plus, due aux forts effets de traînée, les vitesses de nage sont limités à des valeurs faibles.Dans cette thèse, on examine la possibilité d'utiliser un mécanisme de nage basé sur l'instabilité de flambage d'une sphère creuse. Cette instabilité est provoquée en soumettant la sphère à une onde de pression. La particularité de ce mécanisme est qu'il satisfait par construction la condition nécessaire de nage à bas Reynolds exposée précédemment. De plus, la rapidité de la déformation lors de l'instabilité pousse à prévoir l'apparition d'effets inertiels, et ce même à l'échelle microscopique.Une étude expérimentale a été conduite à l'échelle macroscopique dans le but de comprendre la dynamique de l'instabilité et son impact sur le fluide qui entoure la coque creuse. Ces expériences nous permettent de montrer qu'un déplacement net non-nul est produit pour tous les régimes d'écoulements.On met en évidence le rôle de paramètres géométriques, des propriétés du matériau composant la coque creuse et de la rhéologie du fluide sur l'efficacité de la nage.On montre l'existence d'un optimum de déplacement net pour des valeurs intermédiaires du nombre de Reynolds. Pour expliquer cela, on se sert de mesures de PIV résolues temporellement pour mettre en évidence la présence d'effets d'histoire non-triviaux qui augmentent le déplacement net.On dérive un simple modèle en se basant sur les observations expérimentales pour montrer que ce régime optimal de nage est atteignable pour des sphères microscopiques, ceci est possible grâce l'activation rapide de l'instabilité. Cette propriété permet aussi une excitation à haute fréquence en utilisant des ultrasons. Une étude d'échelle nous permet de prédire une vitesse de nage de 1 cm/s pour un micro-robot contrôlé à distance. Cet ordre de grandeur de vitesse est idéal pour des applications biologiques comme la distribution ciblée de médicaments. / Microswimmers, and among them aspirant microrobots, are generally bound to cope with flows where viscous forces are dominant, characterized by a low Reynolds number (Re). This implies constraints on the possible sequences of body motion, which have to be nonreciprocal. Furthermore, the presence of a strong drag limits the range of resulting velocities.Here, we propose a swimming mechanism which uses the buckling instability triggered by pressure waves to propel a spherical hollow shell. The particularity of this mechanism is that it fulfills naturally the necessary condition of swimming at low Re. In addition, the swiftness of the instability might produce inertial effects even at the microscopic scale.With a macroscopic experimental model we show that a net displacement is produced at all Re regimes. We put in evidence the role of geometrical parameters, shell material properties and rheology of the surrounding fluid on the swimming efficiency.An optimal displacement is reached at intermediate Re. Using time-resolved PIV measurements, we explain that non-trivial history effects take place during the instability and enhance net displacement.Using a simple model, derived from the study of shell dynamics, we show that due to the fast activation induced by the instability, this regime is reachable by microscopic shells. The rapid dynamics would also allow high frequency excitation with standard traveling ultrasonic waves. Scale considerations predict a swimming velocity of order 1 cm/s for a remote controlled microrobot, a suitable value for biological applications such as drug delivery.

La détection d'agents biologiques dans l'air ambiant est devenue un enjeu majeur notamment en environnement hospitalier et dans la protection contre le bioterrorisme. Dans ce contexte, la miniaturisation des dispositifs d'analyse permet d'envisager leur utilisation directement sur la zone d'étude. Afin d'obtenir un échantillon concentré et représentatif, la filtration de l'air reste cependant un point délicat. Parmi les différents principes exploitables pour la collecte de particules aéroportées, l'emploi des forces électriques semble être prometteur pour améliorer les performances des dispositifs qui se trouvent généralement fondés sur des forces inertielles. Dans cette étude, une modélisation fine des collecteurs électrostatiques a été conduite pour une géométrie fil / cylindre. Elle décrit tout d'abord les champs hydrodynamiques d'un écoulement charriant des inclusions dans lequel est imposée une décharge couronne. Une injection éventuelle de vapeur dans la chambre de collecte a nécessité ensuite la détermination des champs de température et concentration de la vapeur. Une analyse dimensionnelle inspectionnelle a montré que ces champs possèdent deux termes de couplage fort dont on a justifié l'omission dans cette étude ; les phénomènes physiques mis en jeu ont alors pu être classés selon une cascade d'influences non réciproques et la résolution numérique du modèle s'en est trouvée facilitée. Quatre configurations d'écoulement différentes, caractérisées par des recirculations d'origine électro hydrodynamiques, ont été identifiées et leurs impacts sur les rendements de collecte quantifiés. De plus, une procédure de dimensionnement des filtres électrostatiques fondée sur un nombre de Deutsch représentatif des rendements a été mise en place. Son exploitation a montré l'intérêt de la mise en parallèle de petits collecteurs pour filtrer des débits d'air importants. Cette étude s'est achevée par l'analyse des effets engendrés par l'injection de vapeur dans la chambre de collecte. Elle a jeté les bases d'une explication pour l'augmentation des rendements de collecte résultant de cette injection. / Detection of airborne biological agents has become a major challenge especially in hospitals and the protection against bioterrorism. In this context, the miniaturization of analytical devices allows to consider their direct use in the field. To obtain a representative and concentrated sample, air filtration remains a delicate point. Among the various principles used to collect airborne particles, the use of electrical forces seems to be promising to improve performance beyond these of devices that are based on inertial forces.In this study, a detailed model of electrostatic collectors was developed in the wire/cylinder geometry. It first describes the hydrodynamic flow fields carring inclusions in which a corona discharge is imposed. Afterwards, the possible injection of steam into the collection chamber required the determination of the temperature and vapor concentration fields. An inspectionnal dimensional analysis justified the omission of two strong coupling terms. Therefore, in this study, the involved physical phenomena could be classified according to a non-reciprocal influences cascade and the numerical model is become simpler. Four different flow patterns, characterized by their electrohydrodynamic secondary flows, were identified and their impact on the collection efficiencies was quantified. In addition a design procedure of electrostatic filters, based on a representative efficiency Deutsch number, has been developed. This procedure shows the interest of parallelizing small collectors to filter important airflows. This study was completed by the analysis of the effects of steam into the collection chamber. It provides the basis for an explanation of the collection efficiencies increase related to this injection.

Ce travail de thèse fait partie intégrante de l’ANR PLAYER (début janvier 2012), projet visant à étendre les simulations d'écoulements gaz-particules à des particules non-sphériques ayant une inertie couvrant une large gamme. Les avancées de cette ANR portent notamment sur la détermination des forces et couples élémentaires sur de tels objets avec la question du nombre de degrés de liberté supplémentaires à prendre en compte, l'impact de la forme et de l’effet d'inertie ainsi que l’influence d’une force extérieure telle que la gravité sur les interactions particule-turbulence. Dans ce cadre, l’objectif de ce travail de thèse est d'étudier finement la dispersion de particules non-sphériques rigides dans un écoulement turbulent à l’échelle mésocospique (il est supposé que les particules sont des points matériels). Pour ce faire, un suivi lagrangien de particules ellipsoïdales couplé à un code de simulation numérique directe d’un écoulement turbulent de canal a été utilisé. Cette méthode nécessite alors une bonne estimation des forces et couples hydrodynamiques agissant sur ce type de particules, ainsi qu’un couplage des équations du mouvement de translation et de rotation. En se basant sur les résultats obtenus par une simulation numérique directe résolue à l’échelle de la particule (Ansys Fluent, body-fitted method), nous avons établi, dans un premier temps, des corrélations pour les coefficients hydrodynamiques (traînée, portance, couple de tangage) dépendant du nombre de Reynolds particulaire, de la forme, et de l'orientation des particules. L’originalité de ce travail réside en la validité de ces corrélations pour des gammes étendues de facteurs de forme (rapport entre la longueur et la largeur de la particule w ∈ [0,2-32] et de Reynolds particulaires Rep ∈ [1-240]. Ces corrélations ainsi que les équations du mouvement de rotation ont été ensuite intégrées dans le code « maison » de simulation numérique directe d’un écoulement turbulent gaz-solide à l’échelle mésocospique. Après avoir validé ce code à travers différents cas tests, nous avons étudié la dispersion de différentes particules ellipsoïdales dans un écoulement de canal turbulent pour un nombre de Reynolds modéré. Trois principaux effets sont à l’étude : l’effet de forme, l'effet d'inertie et l'effet du croisement de trajectoires. / The present work is a part of a program research ANR PLAYER (started from January 2012), the aim of the project is to extend the simulations of gaz-particles flow to the non-spherical particles with a large range of inertia. The main objectives of this project consist, firstly, on the founding of hydrodynamic forces and torques occurring on these non-spherical particles. As results, we focus on the additional degrees of freedom that must be considered, shape effects and effects of inertia. Secondly, we are interested on the study of particle-turbulence interaction and particle-particle interaction. The aim of this Phd thesis consists on the studying of the dispersion of solide non-spherical particles in turbulent channel flow at mesoscopic scale. In order to achieve this work, we considered a one way coupling and we used a technique of Particles Lagrangian Tracking coupled with a Direct Numerical Simulation of the turbulent channel flow (DNS/PLT). This technique requires a well prediction of hydrodynamic forces and torques occurring on each particle. In addition, this technique requires a coupling of translational and rotational motions. Firstly, a Direct Numerical Simulation is used with a body-fitted method in CFD code Ansys-Fluent to simulate flow around ellipsoids. Based on the obtained results, models of correlation for hydrodynamic coeffients (drag, lift and torque) are proposed. The major results of this part is the accuracy models for a large ranges of particles Reynolds number, aspect ratio and orientations. Indeed these models take the particle Reynolds number Rep ∈ [1-240], the shape (aspect ratio w ∈ [0.2-32]) and the orientation of the particle into account. Secondly, these models of correlation as well as translational and rotational motions are implemented in the in-house DNS code. After a rigorous validation of the code using a different test cases, simulations of dispersion of ellipsoidals particles in a tubulent channel flow is performed for a moderate Reynolds number. Three main effects are investigated in this study: shape effect, inertial effect and the “effect of crossing trajectories”.

La qualité des services écosystémiques qu'offrent les lacs est liée à la structure et au fonctionnement de leur écosystème. Protéger leur masse d'eau est devenu un objectif global qui requiert une meilleure compréhension de leur fonctionnement, un suivi et une évaluation de leur qualité. Expliquer les hétérogénéités spatio-temporelles des variables physico-chimiques et du phytoplancton est un problème récurrent rencontré en écologie et en hydrobiologie. Comprendre la dynamique de ces hétérogénéités est aussi un prérequis essentiel pour évaluer, protéger et restaurer objectivement les écosystèmes lacustres. En ce qui concerne la surveillance, les hétérogénéités spatio-temporelles introduisent des incertitudes sur la représentativité des mesures par rapport à l'entièreté de la masse d'eau qui est donc discutable et doit être vérifiée. En Europe, la directive cadre sur l'eau (DCE) initiée en 2000 définit un cadre pour la gestion et la protection des eaux. La classification des masses d'eau en fonction de leur état écologique est un point important dans l'implémentation de cette directive. Pour les lacs et les retenues, l'évaluation de cet état écologique est basée sur des paramètres biologiques, physico-chimiques et hydromorphologiques. Les indicateurs liés au phytoplancton et aux paramètres physico-chimiques sont calculés à partir de quatre prélèvements réalisés pendant la période d'activité biologique pour une année sur un plan de gestion de six ans. Dans ce contexte, la modélisation tridimensionnelle (3D) et la prise en compte des forçages qui conduisent aux hétérogénéités spatio-temporelles est une condition préalable nécessaire tant en limnologie appliquée que théorique. Cette thèse aborde la complexité du fonctionnement des lacs et la capacité des modèles 3D à reproduire leur fonctionnement. L'apport de la modélisation 3D est présenté i) pour la compréhension du fonctionnement de lacs de différentes tailles, ii) couplée aux observations satellitaires, pour l'étude de l'influence des forçages par le vent et de l'hydrodynamique sur l'abondance et la distribution spatiale de phytoplancton, iii) dans le cadre de la DCE, pour l'évaluation des incertitudes d'une évaluation de l'état écologique d'un plan d'eau. Pour cela, deux modèles 3D ont été créés et analysés, un pour le lac de Créteil (42~ha) et un autre pour le Léman (580~km$^2$). Celui du lac de Créteil a été validé à partir de données à hautes fréquences acquises en trois points du lac. Il reproduit correctement son hydrodynamique complexe, sa structure thermique, l'alternance entre les périodes de stratification et les épisodes de mélange, ainsi que les ondes internes. Le modèle du Léman a été validé en utilisant des données mensuelles et bimensuelles en deux stations de prélèvement du lac. Il reproduit aussi correctement son hydrodynamique et la variabilité saisonnière de paramètres physico-chimiques et biologiques. Les résultats des simulations mettent en avant les mécanismes physiques et hydrodynamiques responsables de l'apparition de sites où la biomasse de phytoplancton observée est plus élevée. Dans le cadre de la DCE, ces résultats montrent aussi une variabilité spatiale importante des sous-états écologiques basés sur les différents paramètres qui dépendent du choix des dates des campagnes de mesure et du point d'échantillonnage. Ces résultats ont aussi été utilisés pour estimer la représentativité d'une station de prélèvement. Les résultats de cette thèse i) confirment que le fonctionnement des plans d'eau de toute taille est complexe et que les processus physiques génèrent des hétérogénéités spatio-temporelles, ii) suggèrent que le vent et l'hydrodynamique influencent significativement l'abondance et la distribution spatiale du phytoplancton et que iii) ces hétérogénéités peuvent biaiser notre estimation du statut écologique des plans d'eau dans le cadre de la DCE / The quality of ecosystem services provided by lakes is related to the ecosystem structure and functioning. Protecting water bodies is therefore a global goal that requires a better understanding of their function, a monitoring and a water quality assessment. Explaining spatio-temporal heterogeneities of physico-chemical parameters and phytoplankton has been a recurrent ecological and hydrobiological issue. Understanding the dynamics of these heterogeneities is an essential prerequisite for objectively assessing, protecting and restoring freshwater ecosystems. Moreover, three-dimensional (3D) and taking into account and drivers of these heterogeneities are essential prerequisites for theoretical and applied limnology. Concerning the monitoring, spatio-temporal heterogeneities are responsible of uncertainties on the representativeness of the data versus the whole lake which might be questionable and needs to be verified. In Europe, the Water Framework Directive (WFD) initiated in 2000 defines a framework for managing and protecting water bodies in Europe. The classification of water bodies into ecological status is a key issue for the implementation of that framework. For lakes and reservoirs, the assessment of this status is based on biological, physico-chemical and hydro-morphological indicators. Physico-chemical and phytoplankton indicators are calculated based on four observations at an unique sampling station over the growing season, this evaluation being assessed one year for a six-year management plan. In this context, this thesis focuses on the complexity of lakes functioning and the capability of three-dimensional (3D) models to reproduce their functioning. The contribution of 3D models is presented i) for understanding the functioning of lakes of different sizes, ii) coupled to satellite observations, for studying of the influence of wind forcing and hydrodynamics on phytoplankton abundance and spatial heterogeneities, iii) in the context of the WFD, for assessing uncertainties in the lake ecological status assessment. To do that, two 3D models have been created and analyzed, one for Lake Créteil (42 ha) and another for Lake Geneva (580 km2). Lake Créteil 3D model was validated by using high frequency data recorded at three stations. It reproduces well the complex hydrodynamic functioning of the lake, its thermal structure, the alternation between thermal stratification episodes and mixing events, and internal waves. Lake Geneva 3D model was validated by using monthly and bimonthly data at two stations. It reproduces also properly the hydrodynamic functioning of the lake and the seasonal variability of biological and physico-chemical parameters. Simulation results highlight physical and hydrodynamic mechanisms responsible for the occurrence of seasonal hot-spots in phytoplankton abundance. In the context of the WFD, simulation results show also a strong spatial variability of lake ecological status depending on the timing of the four sampling dates as well as the location of the sampling station. These results were also used to assess to representativeness of sampling stations. The results of this thesis suggest that i) the functioning of lakes of different sizes is complex and physical processes generates spatio-temporal heterogeneities, ii) wind and hydrodynamics influence the abundance and the spatial distribution of phytoplankton et iii) spatio-temporal heterogeneities can bias our evaluation of lake ecological status in the WFD

Le séchage d’organogels, gels composés d’un organogélateur de type acide aminé dissous dans un solvant, conduit à la formation d’aérogels, solides très légers et très poreux. Ces aérogels constituent entre autres de très bons isolants thermiques. La préparation des aérogels nécessitent plusieurs étapes. Ce procédé supercritique est composé de trois étapes : préparation de CO2 supercritique, séchage d’organogel dans l’autoclave en le balayant par un courant de CO2 et séparation de CO2-solvant au sein d’une cascade de trois séparateurs cyclones. Dans cette étude, les deux dernières étapes ont été abordées afin d’optimiser les paramètres du procédé. Les solvants utilisés sont la tétraline et le toluène. La cinétique de séchage au sein de l’autoclave a été étudiée, trois approches différentes ont été explorées : le transport de tétraline dans le CO2 supercritique au sein du gel est gouverné uniquement par le phénomène de diffusion dans les deux premières, il est régi par les phénomènes de diffusion et de convection dans la troisième approche. Les équations de transfert de matière ont été résolues à l’aide de deux logiciels numériques Matlab et ANSYS-Fluent. La troisième approche semble donner les résultats les plus cohérents avec les résultats expérimentaux. La compréhension des raisons du dysfonctionnement des séparateurs cycloniques en aval de l’autoclave pour le cas du toluène a nécessité deux études : une étude hydrodynamique MFN a permis de simuler le transport des fluides au sein du premier séparateur cyclone, à l’aide du logiciel ANSYS-Fluent. Cette étude a montré que le toluène liquide n’était pas entraîné dans la sortie gaz du cyclone, indiquant ainsi que l’hydrodynamique favorise la séparation. Afin d’expliquer ce dysfonctionnement, une étude thermodynamique portant sur les deux solvants, toluène et tétraline a été réalisée. La séparation cyclonique a été considérée comme un simple étage théorique et simulée avec le logiciel PRO/II. Cette étude a bien expliqué les résultats expérimentaux pour les deux solvants et a permis d’optimiser les paramètres du procédé / Drying of organogels, gels composed of an organogelator such as amin acids dissolved in a solvent, leads to the formation of aerogels, very light solids with high porosity. These aerogels are expected to be very good heat insulating materials. Preparation of aerogels includes several steps. This process consists of three steps: preparation of supercritical CO2, drying of the gel in an autoclave with a CO2 flow and CO2-solvent separation carried out in a cascade of three separators. In this study both the last steps were discussed in order to optimize the process parameters. The used solvents are tetralin and toluene. The drying kinetic in the autoclave was studied, three different approaches have been exploited. Tetralin transport in supercritical CO2 within the gel is governed only by the diffusion phenomenon in the first two approaches, although, it is governed by diffusion and convection phenomena in the third approach. The mass transfer equations were solved by two numerical software Matlab and ANSYS-Fluent. It seemed that the third approach gave the most consistent results with experimental results. The understanding of the malfunction reasons of cyclonic separators downstream from the autoclave for the case of toluene required two studies: A CFD hydrodynamic study was used to simulate the fluids transport within the first cyclone separator, using the ANSYS-Fluent software. This study showed that the liquid toluene was not carried over into the gas outlet of the cyclone, indicating that hydrodynamic promotes the separation. For this reason, a thermodynamic study of both solvents, toluene and tetralin was performed. Cyclonic separation was regarded as a simple theoretical stage and simulated with PRO / II software. This study has explained very well the experimental results for both solvents and allowed to optimize the process parameters

Les globules rouges (GR) jouent un rôle clé dans l’exercice de fonctions physiologiques du corps humain. Dans la microcirculation, par exemple, où ils s’écoulent dans des capillaires de diamètre comparable à leurs mêmes dimensions, les érythrocytes sont responsables de l’échange d’oxygène et nutriments avec les tissus. Il a été montré dans de nombreux articles scientifiques que des dysfonctionnements dans les propriétés des GRs et des dommages du tissu endothélial, en particulier au niveau de la couche de glycoprotéines qui le recouvre (glycocalyx), sont la cause principale des maladies vasculaires telles que la thrombose, le diabète et l’athérosclérose. En conséquence, la connaissance des propriétés mécaniques et rhéologiques qui permettent aux érythrocytes de se déformer et de s’organiser en agrégats dans les vaisseaux sanguins permettrait de mieux comprendre les mécanismes qui gouvernent la circulation du sang et, par conséquent, de faciliter le diagnostic des états pathologiques.Dans cette thèse l’attention s’est concentrée sur deux thèmes principaux : l’agrégation des GRs pendant l’écoulement dans les microcapillaires et la fonction du glycocalyx dans la microcirculation. Même si le sujet est à la fois essentiel et d’intérêt scientifique considérable, une analyse quantitative de la formation d’agrégats de GRs (cluster) n’avait pas encore été réalisée. Dans une première phase de ce projet de thèse des expériences in vitro ont été réalisées sur des suspensions de GRs avec un hématocrite d’environ 10%, afin d’observer leur tendance à s’agréger au cours du déplacement dans des tubes en verre de diamètre égal à 10 µm. Ce comportement a été évalué en fonction de la pression imposée et du temps de résidence dans de microcanaux, en mesurant la longueur des clusters et leur composition numérique. Le but principal a été comprendre le type d’interaction entre les cellules composantes un cluster : il s’agit d’une interaction purement hydrodynamique ou des autres forces sont également impliquées ? Les résultats expérimentaux présentés dans cette thèse clairement montrent que la véritable force motrice du phénomène est la pression imposée dans les capillaires. Cette approche microfluidique permet de jeter les bases pour le développement de dispositifs cliniques et diagnostiques.Dans la deuxième partie du projet, une campagne expérimentale a été réalisée sur microcapillaires en verre revêtus de brosses de polymères, afin de simuler les conditions in vivo dans la microcirculation. Il a été établi avec certitude que le lumen des vaisseaux sanguins est recouvert d’une couche de glyco-polymères (glycocalyx) liés à la membrane des cellules endothéliales qui tapissent leurs parois. La compréhension du rôle hydrodynamique du glycocalyx est essentielle pour expliquer le lien entre le dysfonctionnement cette couche et le maladies vasculaires et pour développer des tests basés sur la microfluidique, capable de représenter correctement les interactions entre les parois et le composants sanguins. Des couches nanométriques de poly-hydroxyéthylméthacrylate (pHEMA) ont été produites par ce qu’on appelle la technique grafting-from et, après une caractérisation approfondie, utilisées pour revêtir les surfaces internes de canaux en verre de 10 µm de diamètre. Dans cette thèse, nous présentons les profils de vitesse obtenus en étudiant la circulation dans des tubes recouverts avec brosses de différentes épaisseurs. On montre que il y a une augmentation de la résistance à l’écoulement dans les canaux recouverts et que la réduction de la vitesse est significativement plus grande par rapport à ce qui se produirait à la suite d’une simple réduction géométrique du lumen disponible. De plus, à partir de l’observation de l’écoulement de GRs à l’intérieur des microcapillaires recouverts par les brosses de polymère, il a été constaté que la vitesse et la déformabilité des GRs dépendent strictement de la présence de la bio-couche sur les parois des microtubes. / The investigation of red blood cells (RBCs) dynamics in blood circulation is one of the most innovative and intriguing challenge of science nowadays since erythrocytes are involved in fundamental physiological functions of human body. In particular, RBCs play a key role in microcirculation where narrow dimensions of vessels (comparable to cell size) promote a close contact between cells and capillary walls and, as a consequence, the exchange of oxygen between blood and tissues. It is well established in scientific literature that disorders in RBCs properties and damages of endothelium are the main causes of common vascular diseases, such as thrombosis, diabetes and atherosclerosis. Thus, the full understanding of mechanical and rheological properties of RBCs would allow not only to shed light on the mechanisms leading blood circulation, but also to develop increasingly reliable diagnostic devices. In this thesis, the attention is mainly focused on two topics: RBCs aggregation in microcapillaries and the role of glycocalyx in microcirculation. As regards the first theme, despite the considerable scientific importance, a quantitative analysis of RBCs aggregates formation (clustering) in microvessels is still lacking. In a first phase of the project, experimental investigations in vitro have been performed on RBCs suspensions with hematocrit almost equal to 10% to observe their tendency to aggregate during the flow in glass microtubes (diameter equal to 10 µm). RBCs aggregation has been evaluated as a function of the fixed pressure drop (Δp) and the residence time in microchannels by measuring clusters length and their statistical composition. The main aim of the experiments was to clarify the nature of the force acting on consecutive cells in a cluster: is it a pure hydrodynamic interaction or are other kinds of forces involved too? The experimental results presented in this thesis clearly show that the driving force of the phenomenon is the imposed Δp in the microtubes. The outcomes of these investigations suggest that microfluidics can represent an efficient means to develop clinical and diagnostic tests on healthy and pathological blood.In the second part of the thesis, an experimental campaign was performed on glass capillaries lined with polymer brushes to mimic in vivo conditions in microvascularity. Several scientific papers show that the lumen of vascular vessels is coated by a layer of glycopolymers linked to the endothelial cells. The full understanding of the hydrodynamic role of glycocalyx is essential to elucidate the link between its dysfunctions and vascular diseases. Moreover, it would be helpful to develop innovative clinical tests by microfluidics that could take in account the interactions between “hairy” walls and blood components. Nanometric brushes of poly-hydroxyethylmethacrylate (p-HEMA) have been produced by a grafting-from technique and, after characterization, they have been used to line internal surfaces of silica capillaries with 10 µm diameter. Here, we present the experimental results obtained by measuring velocity profiles in glass channels bearing polymer brushes of different thickness. An increasing flow resistance is observed in hairy channels as a function of brush thickness. The measured velocity decrease is significantly higher than expected from a simply geometrical reduction of the available capillary lumen. Furthermore, the observation of RBCs flow in such brush-coated channels reveals that cells velocity and deformation are closely depending on the presence of the bio-layer on the internal walls of the capillaries.

Ce travail porte sur l'étude du comportement rhéologique de fluide en milieu confiné. Pour cela le levier d'un microscope à force atomique (AFM) est utilisé pour sonder les propriétés rhéologiques d'un fluide confiné entre deux surfaces : la surface d'une sphère collée à l'extrémité du levier et une surface plane sur lequel le fluide est déposé. Le dispositif expérimental est constitué du système de mesure d'un AFM et d'un piézoélectrique permettant d'approcher ou d'éloigner de la sphère la surface plane. Un modèle analytique permet d'extraire les propriétés rhéologiques du fluide confiné à partir de la déflexion du levier induite par le pincement du fluide. Cette méthode a été validée pour les fluides newtoniens. Par contre pour les fluides non-newtoniens comme par exemple la solution de polyacrylami de nous avons trouvé que la viscosité dépend de la distance D et que le cisaillement n'est pas le seul paramètre pertinent pour interpréter les propriétés rhéologiques. / This thesis focuses on the study of the rheological behavior of confined fluids. For this purpose, the microcantilever of an atomic force microscope (AFM) is used to probe the rheological properties of a fluid confined between two surfaces, the surface of a sphere glued to the free-end of the AFM microcantilever and a flat solid surface on which the fluid is deposited. The set-up consists of an AFM, an electrical system for the deflection measurement and a piezoelectric device to move the solid surface (approach, oscillation, etc.). An analytical model allows to determine the rheological properties of the confined fluid from the measurement of the microcantilever deflection due to the hydrodynamic force exerted by the fluid on the sphere.This method has been validated for Newtonian fluids. For non-Newtonian fluids, such as polyacrylamide solution, we found that the viscosity depends on the distance D between the sphere and the plane surface and the shear rate is not the only relevant parameter for interpreting the rheological properties.

Cette thèse traite principalement des connaissances fondamentales en hydrodynamique et des caractéristiques des réactions gaz-liquide dans des microréacteurs capillaires. Dans une première partie, nous avons effectué des essais dans trois microcanaux circulaires en verre placés horizontalement. Les diamètres étudiés étaient de 302, 496 et 916 µm. Les arrivées de gaz et de liquide se font de manière symétrique et forme un angle de 120° entre elles. Une cartographie des écoulements diphasiques gaz-liquide a été systématiquement faite pour des vitesses du liquide comprises entre 0,1 et. 2 m/s et des vitesses du gaz comprises entre 0,01 et 50 m/s Ces essais mettent en évidence l'influence du diamètre des canaux, de la viscosité du liquide et de leur tension superficielle. Ces mesures ont été comparées avec les cartes décrivant les différents régimes d'écoulement (à bulles, en bouchons de Taylor, annulaires ou sous forme de mousse) et confrontés aux modèles de la littérature qui prédisent les transitions entre les différents régimes. Nous avons mis en évidence que ces derniers n'étaient pas totalement satisfaisant et en conséquence, un nouveau modèle de transition prenant en compte les effets de taille du canal, les propriétés physiques du liquide a été proposé. Les pertes de charge engendrées par ces écoulements gaz- ont été étudiées. Nous avons constaté que la chute de pression est très dépendante du régime d'écoulement. Cependant pour décrire l'évolution de la perte de charge il est commode de la scinder en trois régions: une où les forces de tension superficielle sont le paramètre prépondérant et qui correspond aux faibles vitesses superficielle du gaz, une zone de transition et une dans laquelle les forces d'inertie sont dominantes et qui correspond aux grandes vitesses superficielles du gaz. La prédiction de cette chute de pression dans la troisième zone a été faite à partir d'un modèle de Lockhart-Martinelli. Ce modèle qui prend en compte les flux de chaque phase dépend d'un paramètre semi empirique C. Nous avons proposé de le corréler avec les nombres de Reynolds correspondant à chacune des deux phases en présence. Cette méthode permet de bien rendre compte de nos mesures. Les caractéristiques hydrodynamiques en écoulement de Taylor ont été examinées. Il a été montré que la formation des bulles dans un écoulement de Taylor est dominée par un mécanisme d'étranglement en entrée du capillaire. La taille des bulles dépend fortement de la viscosité du liquide et la tension superficielle. La chute de pression dans cette zone, lorsque le nombre capillaire est relativement faible, peut assez être bien décrite par le modèle de Kreutzer modifiée par Walsh et al… En fin dans une dernière partie, nous avons réalisé une réaction chimique en écoulement de Taylor. L'oxydation du 2-hydrogéne-ethyltetrahydroanthraquinone (THEAQH2) pour former du peroxyde d'hydrogène a été expérimentalement étudiée dans un microcanal circulaire horizontal de 900 µm de diamètre et 30 cm de long. La présence d'une réaction chimique ne modifie que très peu les transitions entre les différents régimes d'écoulement ni l'évolution des pertes de charge. Les cinétiques de conversion du peroxyde d'hydrogène sont environ deux fois plus rapides celles obtenues dans les réacteurs gaz liquide utilisés habituellement. Mots-clés: microcanal, écoulement diphasiques, écoulement de Taylor, pertes de charge, réaction gaz-liquide. / This dissertation mainly deals with the fundamental knowledge of hydrodynamics and reaction characteristics in gas-liquid microreactors. Extensive experimental investigations have been performed in horizontal circular microchannels with diameter from 302 µm to 916 µm. Gas-liquid two-phase flow patterns in the microchannel have been systematic experimental investigated, in which the influence of channel diameters, liquid viscosities and surface tension were considered. Flow pattern regime maps in the present microchannels were developed, and the comparison with existing regime maps and flow pattern transition models in literature implied that transitions in present work could not be well predicted. As a result, a new transition model taking the effects of channel size, liquid physical properties into account was proposed. The gas-liquid two-phase pressure drop characteristics in microchannels were studied. It has been found that the pressure drop was highly flow patterns dependent, and the main trend can be divided into three regions: surface tension-dominated region, transitional region and inertia-dominated region. The pressure drop characteristics in surface tension-dominated and inertia-dominated region were discussed respectively. A modified Lockhart-Martinelli separated flow model in which the effects of channel diameter and liquid properties on the C-value are taken into account was proposed, and it showed a good agreement with respect to our experimental data and others' reported in literature. Hydrodynamics characteristics of Taylor flow have been examined. It was shown that the formation of Taylor flow was dominated by squeezing mechanism, on which the effects of liquid viscosity and surface tension were dramatically. The two-phase pressure drop of Taylor flow could be well predicted with the Kreutzer's model modified by Walsh et al., when capillary number was relatively low. Oxidation of hydrogenated 2-ethyltetrahydroanthraquinone (THEAQH2) in a horizontal circular microchannel have been experimental investigated. Results of visualization study on oxygen-anthraquinone working solution two-phase flow in microchannel showed that the flow pattern transition model and pressure drop model for inertia-dominated region proposed in this dissertation had good predicting accuracy. It was indicated that the gas-liquid interfacial area and space-time yield of hydrogen peroxide in the microchannel are at least one to two orders of magnitude higher than those in the conventional gas-liquid reactors. Keywords: microchannel, two-phase flow pattern, pressure drop, gas-liquid reaction, Taylor flow..

Afin de répondre aux nouveaux challenges de l'industrie chimique, le développement de nouveaux réacteurs catalytiques hétérogènes plus efficaces et plus sûrs ainsi que leur compréhension sont nécessaires. Dans cette optique, des réacteurs micro ou milli-structurés ont vu le jour et suscitent un intérêt croissant de par leur capacité à diminuer les phénomènes physiques de limitations aux transferts de mantière et de chaleur. Dans ce travail, deux concepts de réacteurs structurés dédiés au milieu gaz-liquide solide sont étudiés. Le premier est un réacteur à film tombant microstructuré (FFMR) dans lequel des canaux sub-millimétriques, rectilignes et verticaux permettent de stabiliser et d'amincir un film liquide en écoulement, générant des aires d'interfaces très importantes. Disponible commercialement, il présente un très bon potentiel pour la mise en oeuvre de réactions à fortes contraintes mais pour de petites productions. Le second réacteur est quant à lui nouveau. Des mousses à cellules ouvertes métalliques sont utilisées comme support de catalyseur structurant confiné dans un canal de section millimétrique carrée et soumis à un écoulement de Taylor G-L préformé. Pour chaque réacteur, l'hydrodynamique des écoulements est étudiée par le développement de techniques microscopiques et leurs aptitudes aux transferts de masses sont évaluées par la mise en oeuvre de la réaction catalytique d'hydrogénation de l'α-methylstyrène. Il en ressort que les écoulements particuliers rencontrés dans ces deux objets permettent d'atteindre des capacités de transferts de matières supérieurs d'au moins un ordre de grandeur aux technologies usuelles pour un coût énergétique, lié à l'écoulements des fluides, faible. Par ailleurs, des éléments de dimensionnement (hydrodynamique, perte de charge et transferts de matière) ont été construits pour les deux réacteurs / To meet the new challenges of the chemical indutries, the developpement of new heterogeneous catalytic reactors and their understanding are mandatory. From these perspectives, new reactor designs based on structuring at micro or millimeter scales have emerged. They have sparked interest for their ability to decrease physical limitations for heat and mass transfers. Thus, two advanced reactor technologies for gas-liquid-solid catalysed reactions are studied. The first reactor is a micro-structured falling film (FFMR) in which vertical sub millimetric grooves are etched and coated with a catalyst. This structuration allows stabilizing the gas-liquid interface of a down flow liquid phase. A thin liquid film is generated leading to high specific surface areas. Commercially available, it represents a very good potential for performing demanding reactions (i.e.fast, exothermic) for small scale productions such as pharmaceuticals. In a second part, a new reactor concept is proposed. Open cell foams are used as catalyst support and inserted in a milli-square channel. The reactor is then submitted to a preformed gas-liquid Taylor flow. In both cases, hydrodynamics features are studied by using microscopy based methods. Their potential in terms of mass transfers are also studied by performing catalyzed α-methylstyren hydrogenation. For both reactors, it comes out that the particular flow induced by micro or milli structures leads to at least one order of magnitude higher mass transfers performances than mutliphase reactors currently used in the industry albeit it remains to be demonstrated at such scale. From all these studies, correlations, models and methods for chemical engineers (hydrodynamics, pressure drops, mass transfer) are proposed for the two reactors

La thèse est consacrée à l’étude de l’influence de l’aération sur le colmatage demembranes fibres creuses, en application aux bioréacteurs à membranes (BAMs)traitant les eaux usées. Un pilote expérimental permet des expériences de filtrationpar plusieurs faisceaux de fibres creuses immergées, en filtration externe-interne, lacompacité des fibres est proche de la configuration de modules membranairesindustriels. Les fibres ont une surface totale de 1,2 m. Les filtrations sont menéessur une suspension synthétique complexe dont les caractéristiques rhéologiquessont comparables à celles des boues activées de BAM. Les différents paramètresde l’aération testés sont le débit d’air, le lieu d’injection des bulles, et le type debulles injectées (grosses ou fines), pour un flux de filtration constant égalementparamètre d’étude. Pour des conditions d’aération montrant des performances defiltration contrastées, il est effectué la caractérisation locale de la phase gaz parbisonde optique, à l’intérieur des faisceaux de fibres. La rétention gazeuse et lesprofils de vitesse (tant la vitesse moyenne des bulles, que les fluctuations de vitesse)sont mesurés et analysés en fonction des paramètres d’aération. La synthèse des résultats met en évidence deux mécanismes hydrodynamiqueslocaux liés à l’aération, et permettant d’expliquer les performances de filtrationconsidérées. Les perspectives de l’étude proposent des emplacements pour lesaérateurs ce qui pourrait mener à une meilleure utilisation de l’air pour la réductiondu colmatage dans les bioréacteurs à membranes. / This thesis is dedicated to better understand the role of aeration to limit fouling onsubmerged hollow fibers membrane fouling, for wastewater treatment industry. Thisstudy uses an innovative experimental setup to perform outside-in filtrationexperiments thanks to several submerged loose hollow fibers organized in confinedbundles. The total membrane area is about 1.2 m2; the configuration of the bundlesis close to the one found in Membrane Bioreactors (MBRs). A complex synthetic fluidwith rheological characteristics close to MBRs sludge is used. Different aerationconditions such as the air flowrate, the location of the air injection, the type ofbubbles injected (whether they are coarse or fine bubbles injected in the reactor)were tested and membrane performances were analysed under a low or a ratherhigh flux of filtration. In specific aeration conditions showing a different behaviour interm of fouling, local characterization of the dispersed phase in an air and watersystem was undertaken by optical probes. Gas hold up and both mean and rootmean square bubble velocity profiles were determined and analysed regarding thelocation of air injection, the air flowrate and the type of bubbles. This study helps understanding the link between local hydrodynamics and foulingmechanisms and could lead to input for aeration device design and location in orderto decrease operating costs due to aeration in Membrane Bioreactors technology.