La connaissance du comportement hydrodynamique et du transfert de matière de la bulle est importante car elle fournira des indications pour la sélection des conditions de fonctionnement et la conception du réacteur dans de tels processus. Cette thèse a réalisé une étude expérimentale pour les bulles d’air isolées en ascension dans diverses solutions de polymères (Breox, Polyacrylamide (PAAm) and Xanthan gum) qui peuvent simuler les propriétés des eaux usées. Les travaux sont divisés en trois parties: Tout d’abord, en dressant l’état de l'art sur les techniques de visualisation pour le transfert de matière, trois techniques ont été testées pour les bulles d’air (diamètre équivalent ≈ 1 mm) en ascension dans l'eau, notamment la fluorescence induite par plan laser (PLIF, fluorophore: résorufine fluorescente), la PLIF avec inhibition (fluorophore: complexe de ruthénium) et techniques colorimétriques (colorant: résorufine rose), respectivement. Par la suite, sur la base des images capturées par une caméra haute vitesse, le comportement hydrodynamique des bulles d'air (diamètres équivalents: 0,7 à 7 mm) s'élevant dans les solutions de polymères (PAAm et Xanthan) a été étudiée, notamment la vitesse, la trajectoire et la forme de la bulle. Enfin, appliquant la technique PLIF-I, les phénomènes de transfert de matière et de diffusion dans le sillage de bulles d'air (diamètre équivalent 1 ≈ mm) dans différentes solutions aqueuses de polymères (PAAm et Breox) ont été étudiés. / The knowledge on the hydrodynamic property and mass transfer of bubbles is important since it will give guidelines for selecting the operation condition and for reactor design in such processes. For this purpose, this PhD manuscript has implemented an experimental investigation of single air bubbles rising in various polymer solutions (Breox, Polyacrylamide (PAAm) and Xanthan gum) which can simulate the property of the sewage. The works can divided into three parts: Firstly, with a review of the current visualization techniques for mass transfer, three techniques have been tested for air bubble (equivalent diameter ≈ 1 mm) rising in water including traditional Planar Laser Induced Fluorescent (PLIF, dye: fluorescent resorufin), Fluorescent quenching technique (PLIF with Inhibition, dye: ruthenium complex) and colorimetric techniques (dye: pink resorufin), respectively. Secondly, based on images captured by a high speed camera, the hydrodynamics of the bubble single air bubbles (equivalent diameters: 0.7-7 mm) rising in the polymer solutions (PAAm and Xanthan) have been investigated including the bubble velocity, trajectory and bubble shape. Finally, based on PLIF-I technique, the mass transfer and diffusion phenomena in the wake of single air bubbles (equivalent diameter ≈ 1 mm) rising in various aqueous polymer solutions (PAAm and Breox) are investigated.

Ce travail de thèse porte sur l’étude numérique de la propagation d’ondes de choc dans les écoulements compressibles multiphasiques et en interaction (fluide-structure). Deux approches sont étudiées pour la résolution numérique de la partie fluide : L’approche ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) et l’approche lagrangienne SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) ; la partie structure, quant à elle, est résolue par une approche classique EF (Éléments finis). L’étude des méthodes ALE et SPH constituent les deux principaux axes de recherche. La problématique des coups de bélier dans l’ingénierie nucléaire est abordée dans cette thèse. Lors d’un coup de bélier, les nombreuses réflexions d’ondes de choc dans les tuyauteries nucléaires peuvent faire baisser la pression de l’eau en dessous de sa pression de saturation et générer localement de la cavitation. Le modèle HEM (Homogeneous Equilibrium Model) de changement de phase proposé par Saurel et al. (1999) à trois équations est étudié et appliqué aux coups de bélier. Les résultats obtenus sont comparés aux données expérimentales. Malgré l’utilisation des techniques de renormalisation en SPH, des instabilités (oscillations numériques) se développent à l’interface entre les particules de matériaux différents. Ces instabilités restreignent l’utilisation des schémas SPH classiques pour des problèmes à faible ratio de densité. Afin de résoudre les problèmes de choc, le schéma proposé par Hu et Adams (2006) est adapté au régime fortement compressible en considérant le couplage entre la densité et la longueur de lissage. Les différents schémas SPH sont comparés entre eux pour les problèmes de chocs multiphasiques en 1-D et 2-D. Les résultats SPH sont validés avec la solution exacte pour les problèmes 1-D et la solution ALE pour les problèmes 2-D. / This thesis focuses on the numerical study of the propagation of shock waves in compressible multiphase flows and fluid structure interaction. Two approaches are being studied for the numerical solution of the fluid part: the ALE approach (Arbitrary Lagrangian Eulerian) and the Lagrangian SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) approach; while the structure part is solved by a conventional FE (Finite Element). The numerical investigation of the ALE and SPH methods are the two main areas of research.Water Hammers phenomena occuring in nuclear industries are investigated in this thesis. During a Water Hammer, the shock waves reflections in nuclear piping may drop locally the water pressure below its saturation pressure and generate cavitation. The three equations HEM (Homogeneous Equilibrium Model) phase change model proposed by Saurel et al. (1999) is studied and applied to solve water hammers. The obtained results are compared with experimental data. Despite the use of renormalization techniques in SPH, instabilities (numerical oscillations) are developed at the interface between particles from different materials. These instabilities restrict the use of traditional SPH schemes to problems with low density ratio. In order to solve the shock problems in the compressible regime, the scheme originally proposed by Hu and Adams (2006) is adapted to fully compressible regime (FC-SPH) by considering the coupling between the density and the smoothing length. The different SPH schemes are compared for 1-D and 2-D multiphase shock problems. Validation is performed in comparison with exact solutions for 1-D problems and ALE solution for 2-D problems.

Cette thèse s'intéresse à la turbulence dans l'hélium (4He) superfluide, à des températures comprises entre 1.15 K et la température de transition superfluide, Tlambda = 2.17 K, ce qui correspond à une fraction de superfluide rho_s/rho comprise entre 97.6% et 0%. Il s'agit d'un travail essentiellement expérimental dont le but est de comparer la turbulence classique et la turbulence quantique, à l'aide de mesures locales de fluctuations de vitesse et de vorticité. Ces mesures sont complétées par l'analyse de champs de vitesse issus de simulations numériques.Nous avons développé une instrumentation spécifique, adaptée aux écoulements cryogéniques: des tubes de Pitot miniatures, dont les dimensions effectives ont pu être rendues sub-millimétriques, et un capteur original, basé sur la déflection d'une micro-poutrelle (300 microns x 100 microns x 1 microns) mesurée à l'aide d'un micro-résonateur supraconducteur dans la gamme de fréquence du GHz. Un premier prototype de ce capteur, micro-fabriqué à partir d'une galette de silicium, a été réalisé en salle blanche puis validé dans une conduite cryogénique. La résolution spatiale obtenue est du même ordre que celle des meilleurs anémomètres en He II, et il devrait être possible de l'améliorer d'une décade.Les tubes de Pitot ont été placés dans les souffleries superfluides TSF et TOUPIE. La première, fruit d'une collaboration nationale, a fourni un écoulement stationnaire de grille (Rlambda= 250, 1.65 K < T < 2.6 K, rho_s/rho < 80%) et un sillage proche. La seconde soufflerie, refroidie pour la première fois dans le cadre de cette thèse, a fourni un écoulement de sillage lointain (Rlambda = 1100, 1.55 K < T < 4.2 K, rho_s/rho < 86%).Les mesures ont mis en évidence dans ces écoulements des similarités fortes avec les écoulements classiques, aux échelles inertielles: spectre de vitesse en k^{-5/3}, constante de Kolmogorov et taux de turbulence identiques aux écoulements classiques, loi des 4/5, exposants anormaux pour les fonctions de structures des incréments de vitesse (intermittence). À plus petite échelle, les simulations numériques (1.15 K < T < 2.1565 K) mettent en évidence un comportement exotique : l'énergie s'accumule et tend vers l'équipartition, ce qui se traduit par un spectre de vitesse simulé en k^2. Ce phénomène s'accentue à basse température. Enfin, des mesures locales de fluctuation de vorticité ont été réalisées à l'aide de pinces à second son sur une gamme de température comprise entre 1.69 K (rho_s/rho=77%) et 2.01 K (rho_s/rho = 42%). Nous avons observé un raidissement de la pente des spectres de vorticité lorsque la température diminue. Ce résultat peut être interprété comme une conséquence du phénomène d'équipartition mis en évidence dans les simulations numériques à petite échelle. / The focus of this thesis is the turbulence of superfluid 4He at temperatures between 1.15K and the superfluid transition temperature Tlambda = 2.17K, corresponding to a superfluid fraction rho_s/rho between 97.6% and 0%. This work is mostly experimental. We aim to compare classical and quantum turbulence, using local velocity and vorticity fluctuations measurements. These measurements are backed up by numerical simulations.We developed dedicated probes, designed for cryogenic flows: Pitot tubes with sub-millimeter effective size and a new cantilever-based probe (300 microns x 100 microns x 1 microns) whose deflection is measured with a superconducting micro-resonator in the GHz frequency range. A first prototype was micro-machined from a silicon wafer in cleanroom and validated in a superfluid wind tunnel. The resolution was found similar to the one of the best anemometers operating in He~II and will be further improved.The Pitot tubes have been inserted inside two superfluid wind tunnels, TSF and TOUPIE. The former, designed and operated within a national collaboration, provided a stationary grid flow (Rlambda = 250, 1.65 K < T < 2.6 K, rho_s/rho < 80%) and a near-wake flow. The latter (Rlambda = 1100, 1.55 K < T < 4.2 K, rho_s/rho < 86%), which was cooled down for the first time during this thesis, provided a far-wake flow.The measurements have highlighted strong similarities with classical flows at inertial scales: k^{-5/3} velocity spectra, Kolmogorov constant and turbulence intensity indistinguishable above and below the superfluid transition, 4/5-law, anomalous velocity structure functions exponents (intermittency). At smaller scales, the numerical simulations (1.15 K < T < 2.1565 K) exhibit exotic behavior: kinetic energy piles up and tends to equipartition, which makes the simulated velocity spectrum scale like k^2. This phenomenon is enhanced at low temperature. Finally, local vorticity fluctuations measurements have been achieved using second sound tweezers over a temperature range, between 1.69 K (rhos/rho=77%) and 2.01 K (rhos/rho = 42%). We observed that the spectrum scaling steepens as the temperature decreases. This can be interpreted as a consequence of the equipartitioned reservoir evidenced by numerical simulations at small scale.

Malgré leur fort développement en assainissement domestique urbain, les bioréacteurs à membranes (BaM) pâtissent de phénomènes de colmatage, induisant des coûts énergétiques et de maintenance importants. L’aération séquencée des membranes par des grosses bulles est l’une des stratégies pour limiter le colmatage ; son impact a fait l’objet de plusieurs études mais reste globalement mal compris, notamment du fait de la complexité de ces systèmes, multiphasiques et opaques. L’hydrodynamique des réacteurs reste mal caractérisée en présence de boues. Pour apporter des éléments de compréhension aux mécanismes de limitation du colmatage par injection d’air, un pilote de filtration membranaire semi-industriel (2 m3, 3 sous modules fibres creuses Puron®) a été conçu, dimensionné et installé sur l’unité de traitement des jus (TDJ) de la station d’épuration Seine Aval (SIAAP), afin d’être alimenté en boues biologiques dans des conditions réelles de fonctionnement. Le suivi des paramètres opératoires du pilote et de ses performances de filtration sur une période de 5 mois avait un double objectif : (i) mieux caractériser la dispersion du gaz pour différentes conditions de fonctionnement (paramètres de l’aération, concentration en boues de l’alimentation), (ii) hiérarchiser les facteurs qui limitent le colmatage des membranes. Il s’agit in fine de proposer des stratégies d’aération adaptées et efficaces pour limiter le colmatage. Afin de caractériser la dispersion du gaz dans le réacteur, une méthodologie innovante basée sur la tomographie de résistivité électrique (ERT) a été adaptée au pilote. Les conditions d’utilisation de l’ERT (nombre d’électrodes de mesure, séquence de quadripôles) ont été sélectionnées à travers une étude numérique, de même que les paramètres d’inversion nécessaires pour reconstituer la cartographie des résistivités à partir des mesures expérimentales. Cette étude numérique poussée, réalisée sous COMSOL, a permis de conclure à l’intérêt de la méthode pour représenter la distribution des phases dans la géométrie considérée. L’ERT a donc été appliquée au pilote alimenté en boues, pour différentes conditions d’aération. Le jeu de données de filtration a par ailleurs été analysé par logique floue, à l’aide du logiciel FisPro. Les arbres de décision obtenus, en analysant les résultats de manière globale et en les regroupant par conditions opératoires similaires, ont mis en évidence l’impact prépondérant des variables suivantes sur la dérive de perméabilité observée (comprise entre - 9 et 2 LMH/bar) : la différence de DCO entre le surnageant des boues et le perméat (DDCO) traduisant une phase colloïdale complexe, et la concentration en matières en suspension (MES), ayant toutes deux un impact négatif sur les performances de filtration. Une augmentation du débit d’air conduirait à une limitation de la dérive de perméabilité, sauf lorsque la variable DCO est élevée (> à 500 mg/L), cette hypothèse restant cependant à vérifier sur une base de données plus conséquente. Le modèle ainsi obtenu par logique floue permet de mieux simuler les évolutions de perméabilité que les modèles obtenus par régression linéaire multivariée (erreurs de 0,61 et de 0,70 respectivement), et ce malgré une incertitude relative importante sur la mesure de perméabilité (jusqu’à 16 %). Ces résultats sont cohérents avec la dispersion du gaz observée par ERT : son homogénéité dépend de la concentration en MES et du débit d’air injecté. A forte concentration en MES (6 – 10 g/L), des zones préférentielles de passage des bulles ont été observées, en particulier à faible débit d’air, expliquant ainsi un colmatage plus important. L’utilisation nouvelle dans ce contexte de ces techniques, ERT et logique floue, donne des résultats qui confortent l’intérêt d’adapter l’aération (débit, séquençage) aux caractéristiques des boues notamment leurs concentrations, et qui permettent d’envisager des stratégies de contrôle de ces paramètres

Cette thèse consiste en l'établissement d'une méthode d'estimation des paramètres hydrodynamiques du sol par le biais d'une modélisation inverse d'une infiltration à disque pendant laquelle des mesures de résistivité électrique sont réalisées dans la zone du bulbe d'infiltration. Après avoir suggéré l'intérêt et les avantages d'une telle méthode, on a démontré, par le biais d'une étude numérique que la méthode peut conduire aux résultats escomptés. Pour cela des représentations de la fonction objective ont été proposées, et des scénarios d'inversion ont été testés. 3 paramètres hydrodynamiques et 2 paramètres pétrophysiques, qui assurent via la relation de Rhoades et al. (1976) la correspondance entre la teneur en eau volumique du sol et sa résistivité électrique, ont été inversés. On a montré que la méthode est adaptée à la détermination des paramètres hydrodynamiques, mais pas à celle des paramètres pétrophysiques. Enfin, des expériences de terrain et des inversions numériques associées ont été réalisées. Pour les 3 sols de textures différentes testés, 4 scénarios d'inversion ont été proposés. Il a été observé, que dans le cas du sol limoneux la méthode conduit vers une estimation correcte des paramètres hydrodynamiques, que les paramètres de Rhoades ne peuvent être inversés qu'avec une incertitude très large, tout comme la dispersivité. Pour les sols sableux et argileux, les paramètres hydrodynamiques ont été optimisés avec des incertitudes plus importantes que dans le cas du sol limoneux. Pour le sol argileux, l'optimisation de la dispersivité s'est révélée impossible. A ce stade de développement, la méthode semble bien adaptée pour les sols de texture moyenne.

Cette thèse porte sur la modélisation du transport électronique dans les semi-conducteurs. Des modèles de diffusion sont couramment utilisés (modèles de type Dérive Diffusion), mais ils s'avèrent imprécis pour de petites échelles (composants nanométriques) et des systèmes hors équilibre (régimes transitoires). Les modèles cinétiques, très précis, sont généralement trop coûteux en temps de calcul pour permettre une utilisation dans des contextes physiques réalistes. Les modèles Spherical Harmonics Expansion (SHE) représentent un intermédiaire intéressant entre ces deux types de modèles. Les modèles SHE sont des modèles de diffusion dans l'espace position-énergie qui sont théoriquement adaptés à la modélisation de systèmes de particules proches de l'équilibre (mais pas forcément d'un équilibre Maxwellien, contrairement aux modèles de Dérive Diffusion), la thermalisation étant le fait de collisions de type élastique. Dans cette thèse, nous avons proposé des modèles de type SHE couplé qui permettent de modéliser des particules interagissant avec le milieu environnant de façon inélastique. Un modèle SHE couplé est introduit pour décrire les interactions entre électrons et phonons dans les semi-conducteurs. Un autre modèle de type SHE couplé est proposé pour modéliser des situations où la diffusion est engendrée par des collisions entre les particules considérées (électrons par exemple) et les parois du matériau dans lequel elles évoluent. Une étude numérique montre que les modèles de type SHE et SHE couplé donnent une représentation fidèle de la réalité (montrant de faibles différences avec des modèles cinétiques), même lorsque les collisions considérées sont fortement inélastiques. Enfin, nous proposons une hiérarchie de modèles SHE quantiques pour la description de systèmes de très petite échelle, lorsque le transport électronique aussi bien que les interactions avec le milieu sont régies par la mécanique quantique. Ces modèles dissipent une entropie quantique.

Dans cette exposé, je présenterai quelques résultats théoriques et expérimentaux sur la dynamique des fluides classiques et quantiques. Dans une première partie, je présenterai un bref exposé sur la nucléation de gouttes de pluie en montrant le rôle de l'instabilité classique de Rayleigh Taylor dans la limitation de leur taille, et j'étudierai ensuite leur impact sur des surfaces non mouillantes. Je passerai ensuite aux gaz de fermions ultra-froids et nous verrons comment des expériences récentes ont permis de préciser le lien existant entre supraconductivité et condensation de Bose-Einstein.

L'injection d'harmoniques dans des amplificateurs gazeux génère des faisceaux de rayonnement X de grand qualité. Puisque les amplificateurs basés sur cible solide sont plus denses que ceux générés sur cible gazeuse, des impulsions d'énergie supérieure et plus courtes sont attendue. Cependant, les expériences réalisées n'ont pas présenté d'énergies supérieures à 90 nJ et des durées inférieures à 1 ps. Dans cette thèse nous nous sommes concentrés sur le problème de la différence entre l'énergie extraite et celle prédite, avec pour objectif d'obtenir des faisceaux de quelques dizaines de microjoules par impulsion. Nous avons employé le code ARWEN, déjà utilisé dans ce domaine, et l'avons amélioré dans le cadre de cette thèse. Les travaux réalisés sont donc : - L'étude théorique des sources de rayonnement X cohérent, en insistant sur les sources basées sur plasmas. L'état de l'art et la physique de ces amplificateurs sont décrits en profondeur. - La description du code ARWEN et des améliorations introduites dans le cadre de cette thèse. Ainsi que les programmes utilisés pour le postprocess des donnés. - L'optimisation des amplificateurs au moyen de simulations numériques. Ces simulations continuent les travaux précédentes et expliquent les effets donnant lieu aux différences entre l'énergie obtenue expérimentalement et celle prédite théoriquement. En prenant en compte ces effets, nous proposons un amplificateur optimisé. Nous avons aussi étudié l'amplification du faisceau harmonique en concluant au besoin d'un pré-amplificateur. En résumé, nous avons amélioré le code ARWEN en ajoutant de nouvelles capacités de simulation et l'avons utilisé pour étudier la physique des amplificateurs de rayonnement X cohérent basés sur plasmas. L'évolution de ces plasmas a été comprise et nous a permis d'expliquer les différences entre les expériences et la théorie et proposer un moyen de réduire les pertes d'énergie.

Le problème de dépôt de paraffine dans les puits et les conduites de transport pétrolières monopolise des moyens humains et économiques conséquents. Sa prédiction s'avère donc importante pour optimiser sa gestion. Nous proposons une approche nouvelle pour mieux prédire la formation de ce dépôt: le brut paraffinique se comporte comme un matériau viscoplastique dont les paramètres dépendent de la température et de la teneur en cristaux de paraffine. Ainsi le dépôt résulte d'une combinaison subtile entre les effets thermiques, hydrodynamiques, thermodynamiques, la diffusion de la paraffine et la rhéologie du brut. Des essais expérimentaux ont été menés dans une conduite cylindrique sur la boucle Lyre a l' IFP-Lyon. Les résultats obtenus confortent la pertinence de l'approche proposée. Nous avons conçu également un dispositif expérimental "Couette Cylindrique" simple et économe capable de rendre compte des principaux mécanismes de dépôt. Les premiers résultats montrent que ce dispositif est adapté pour reproduire les dépôts de paraffine et peut fournir certains paramètres essentiels à la simulation numérique tel que le coefficient de diffusion. Nous avons développé un modèle numérique prenant en compte les phénomènes physiques mis en évidence expérimentalement : écoulement d'un matériau viscoplastique thermodépendant couplé à la diffusion Fickienne de paraffine. Ce modèle est capable de rendre compte qualitativement de la construction progressive du dépôt en conduite mais les temps de calcul sont très importants. Nous avons adapté ce modèle à la géométrie de Couette développée expérimentalement. Les temps de calcul sont alors beaucoup plus raisonnables et leurs résultats sont en accord avec ceux des premières expériences.

Porous media are ubiquitous in our common life : typically, the soil, our skin, our clothes, the coffee filters ... exhibit non-homogeneous properties (their porosity) which allow various fluids to flow across the solid matrix. Exploiting the porous properties of these materials is also frequent in the industry. Indeed, they are present in many application fields such as the forming of composite materials, clean motor devices, filtration systems, oil extraction, mixing devices, biological tissue substitution, etc. The objective of this thesis is to investigate the transport phenomena associated with a wide class of flows in porous media and to analyse more deeply the associated physical effects, as represented by the medium permeability and mechanical dispersion tensors. The present work has been carried out following a three-step strategy. Firstly, we have investigated the theory of transport in porous media and we have developed continuous and micro-macro physical models to represent the principal macroscopic flow effects taking into account the associated application conditions. Then we have studied the numerical solution of the resulting system while an experimental device has been set up in order to validate the entire strategy and the obtained simulation results. Finally, as applications of our developments, we have investigated some industrial flows pertaining to Liquid Moulding Technologies, and also the behaviour of cartilage as a porous medium, with a final comparison of numerical and experimental results.