Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes physiques qui contrôlent les trajectoires de particules anisotropes dans des écoulements confinés, afin d’en améliorer la prédiction. Nous avons dans un premier temps développé des outils expérimentaux basés sur la microscopie et le traitement d’images afin d’analyser les positions de particules en écoulement confiné dans des microcanaux de section carrée. Ces outils ont ensuite permis l’obtention de résultats originaux sur la migration latérale de particules sphériques dans des écoulements faiblement inertiels. Nous avons montré en particulier que les particules migrent au centre du canal à faible nombre de Reynolds et à proximité du centre de chaque face à Reynolds plus élevé et que ces deux régimes co-existent pour des Reynolds intermédiaires. Parallèlement à leur migration latérale, les particules en écoulement confiné peuvent s’espacer régulièrement sous certaines conditions pour former des trains. Ce travail a donc consisté à mener une étude statistique pour quantifier et localiser la formation des trains. Il a été montré que la formation des trains était contrôlée par la configuration de l’écoulement dans le sillage des particules et que leurs caractéristiques, i.e., le pourcentage de particules en trains et la distance interparticulaire, étaient fonction du nombre de Reynolds particulaire. Enfin, des résultats préliminaires sur le cas d’écoulements bi-disperses ont été obtenus. Pour terminer, les perspectives et développements futurs de ce travail sont dégagés. / This thesis aims to better understand the physical mechanism controlling the trajectories of particles in confined flows in order to improve predictive models. In the first step we have developed experimental tools based on microscopy and image analysis in order to identify the particles positions in confined flows in square section microchannels. These tools have then permitted to obtain original results on the lateral migration of spherical particles in flows at low inertia. In particular we have shown that neutrally buoyant particles in square channels are focused at channel center at low Reynolds number and at four channel faces at high Reynolds, and that there is a co-existence of the two regimes for intermediate Reynolds. In addition to their lateral migration, under certain conditions, particles can also align in the flow direction to form trains of evenly spaced particles. This work has thus been devoted to the statistical study on the quantification and localization of the train formation and configuration. It has been shown that the formation of trains is controlled by the flow configuration in the wake of the particles, and that the train characteristics, i.e., the fraction of particles in trains and the interparticle distance, are functions of the particle Reynolds number. Finally, preliminary results on flows of bidisperse suspensions have been obtained. To conclude, the perspectives and future developments of this work are presented.

Ce mémoire a pour objet le calcul des collisions de gouttes dans divers écoulements laminaires et turbulents. Dans le cadre de l'approximation des équations de Stokes, les forces d'interactions hydrodynamiques entre deux gouttes sont déterminées de façon exacte au moyen d'un système de coordonnées bisphériques. Ces forces permettent de calculer les taux de collision pour des écoulements de cisaillement simple et d'élongation pure. Les sections de collision sont obtenues par trajectographie. Les résultats montrent un accroissement de l'efficacité de collision lorsque l'inertie des gouttes croît. L'expression du taux de collision en écoulement turbulent est analogue à celle utilisée en théorie cinétique des gaz. La fonction de distribution de paires est obtenue pour une turbulence homogène et isotrope et à l'aide de notions de probabilités conditionnelles. Les taux de collision sont calculés sans et avec la gravité. L'évolution granulométrique d'un nuage de gouttes est décrite à l'aide d'une équation cinétique de type Smoluchowski. Cette équation est résolue au moyen d'une méthode numérique originale. Deux cas sont traités. Pour de petites gouttes en écoulement turbulent homogène et isotrope, l'élargissement du spectre de gouttes demande plus de temps si les interactions hydrodynamiques sont prises en compte. Pour de grosses gouttes, compte tenu de la gravité, la formation par collisions de gouttes de diamètre supérieur à 200 microm dépend fortement de la turbulence. Les résultats corroborent les relevés \textit{in situ} dans des strati.

Cette thèse présente une étude numérique des interactions hydrodynamiques entre des particules et une paroi plane dans un fluide Newtonien, dans l'hypothèse d'un petit nombre de Reynolds. Les équations de Stokes sont d'abord transformées sous la forme classique d'une équation intégrale de surface donnant les contraintes sur la surface entourant le fluide. Nous avons calculé ainsi les forces et les couples exercés sur les particules. Une étude préliminaire correspond au problème axisymétrique pour une chaîne de particules sphériques arrangées suivant une ligne perpendiculaire à la paroi et en mouvement suivant cette ligne dans un fluide au repos. Puis nous avons abordé le problème général de particules non sphériques, la position des particules étant quelconque et le fluide loin des particules pouvant être en écoulement. Pour le cas axisymétrique, les points de collocation (qui sont aussi les emplacements des singularités de Stokes ou ``stokeslets'') sont choisis sur les surfaces des particules de façon que leurs distance relatives soient proportionnelles à la distance entre surfaces proches. Pour traiter le cas général, nous avons mis au point un code de calcul utilisant la méthode des éléments de frontière (BEM). Les stokeslets sont ici répartis de façon à prendre en compte les interactions hydrodynamiques et la complexité géométrique des configurations. En effet, le maillage est adapté à la variation du gradient de contraintes de façon que les zones de la surface qui entrent en forte interaction hydrodynamique soient les plus raffinées. La technique de raffinement dynamique de maillages que nous avons mise au point nous a permis de mieux détecter les zones de lubrification entre particules et paroi ainsi que les interactions entre particules. Les contraintes ont ainsi été calculées pour de nouvelles configurations géométriques. Enfin, les relations linéaires entre les forces et couples qui s'exercent sur les particules et leurs vitesses de translation et rotation sont exprimées au moyen de la « grande matrice de résistance » (ou de son inverse la « grande matrice de mobilité ») qui est alors introduite dans la relation fondamentale de la dynamique. En intégrant, nous avons déterminé les trajectoires des particules dans diverses configurations: en sédimentation dans un fluide au repos au voisinage d'une paroi, tournant librement dans un écoulement donné, ... La méthode permet aussi d'obtenir les champs de vitesse du fluide dans ces conditions.

Les vésicules sont des bicouches fermées de molécules tensioactives, remplies de liquide, à l'intérieur d'un autre liquide. Leur taille peut être comprise entre dix et 100 microns : elles sont alors dites géantes. Nous nous intéressons à la dynamique de deux de ces objets dans un cisaillement simple, c'est à dire l'écoulement d'un liquide situé entre deux plaques planes se translatant l'une par rapport à l'autre à vitesse et distance constante. Nous commençons par une étude asymptotique, pour des vésicules quasi-sphériques en interaction lointaine. Nous utilisons ensuite un code de calcul basé sur la méthode des éléments de frontière pour étudier le cas de vésicules moins sphériques et plus proches, et comparons les résultats obtenus avec des expériences. Nous présentons enfin comment cette étude peut être utilisée pour prédire certaines propriétés de diffusion d'une suspension de vésicules, dans le régime semi-dilué, où seul le détail des interactions à deux corps est considéré.

L'objectif de cette thèse est d'étendre le champ d'application d'une méthode de simulation mésoscopique, appelée " Stochastic Rotation Dynamics " (SRD), au cas des électrolytes asymétriques en taille et en charge, tels que les suspensions de nanoparticules chargées. La modélisation de ces systèmes est difficile d'une part à cause des interactions à longue portée entre les solutés (interactions électrostatiques et hydrodynamiques), et d'autre part à cause de la différence entre les échelles de taille et de temps des espèces chargées. Nous avons adapté les algorithmes existants et développé de nouveaux algorithmes afin d'étudier les propriétés dynamiques des solutés tels que l'autodiffusion et la conductivité électrique, en gardant avec un bon compromis entre la précision et l'efficacité. Ce travail est financé par le projet ANR « Celadyct ». / The objective of this thesis is to extend the scope of the mesoscopic simulation technique called “Stochastic Rotation Dynamics” (SRD), for asymmetric electrolytes, such as suspensions of charged nanoparticles. The modeling of these systems is difficult, firstly because of long-range interactions between solutes (electrostatic and hydrodynamic interactions), and secondly due to the difference between the size and time scales of charged species. We have adapted the existing algorithms, and developed new ones in order to study the dynamic properties of solutes, such as self-diffusion and electrical conductivity, keeping up with a good compromise between accuracy and efficiency. This work is funded by the ANR project "Celadyct".

Les vésicules sont des bicouches fermées de molécules tensioactives, remplies de liquide, à l'intérieur d'un autre liquide. Leur taille peut être comprise entre dix et 100 microns : elles sont alors dites géantes. Nous nous intéressons à la dynamique de deux de ces objets dans un cisaillement simple, c'est à dire l'écoulement d'un liquide situé entre deux plaques planes se translatant l'une par rapport à l'autre à vitesse et distance constante. Nous commençons par une étude asymptotique, pour des vésicules quasi-sphériques en interaction lointaine. Nous utilisons ensuite un code de calcul basé sur la méthode des éléments de frontière pour étudier le cas de vésicules moins sphériques et plus proches, et comparons les résultats obtenus avec des expériences. Nous présentons enfin comment cette étude peut être utilisée pour prédire certaines propriétés de diffusion d'une suspension de vésicules, dans le régime semi-dilué, où seul le détail des interactions à deux corps est considéré. / Vesicles are closed bilayers of tensioactive molecules, filled with liquid, inside another liquid. Their size can be between 10 and 100 microns : in this case, they are called giant vesicles. We study the dynamic of two of these objects in a simple shear flow, which is the one of a liquid sheared between two walls translating with respect to each other at a constant speed and distance. We begin by an asymptotic study, for quasispherical vesicles in the far field interacting regime. We then use a numerical code based on the boundary element method to study the case of less spherical and closer vesicles, and compare our results with experiments. We finish by presenting how this study can be used to predict some diffusing properties of a sheared suspension of vesicles, in the semidilute regime, where only the details of two body interactions are considered.

L'utilisation des pompes centrifuges à volute joue un rôle important dans divers secteurs de l'industrie en général. Parmi eux on peut mentionner l'automobile, la construction des installations navales, etc. Elles sont couramment employées par leurs prestations concernant leurs performances globales et leur comportement hydroacoustique. Il est bien connu que le comportement du fluide interne est caractérisé par des fortes interactions entre les parties mobiles et fixes qui sont à l'origine du bruit et des vibrations. Dans les cas des pompes centrifuges, le bruit se caractérise particulièrement à la fréquence aubage dû à l'interaction hydrodynamique entre la roue et le bec de volute. L'intensité de cette excitation, qui dépend de la géométrie et des conditions de fonctionnement, peut être nuisible dans certaines conditions et exigences. Les travaux de recherche effectués nous ont permis de contribuer à l'analyse et à la maîtrise des fluctuations de pression dans les pompes centrifuges grâce aux apports conjugués de simulations numériques et d'études expérimentales spécifiques. Une procédure numérique de prédiction du bruit tonal à la fréquence aubage est développée et validée par comparaison aux essais expérimentaux. En outre, l'amélioration des algorithmes numériques ainsi que le développement du matériel informatique ont permis l'émergence de codes de simulation d'écoulements plus avancés. Cependant, étant donné les exigences de précision pour prédire les fluctuations de pression et la difficulté des codes commerciaux d'atteindre des schémas d'ordre élevé nous mènent à développer notre propre code. Ce nouveau code (FV-MLS) plus précis, basé sur la méthode de volumes finis et les approximations de moindres carrés mobiles (Moving Least Squares - MLS), est couplé avec la technique de maillage glissant pour être appliqué dans une configuration 2D d'une pompe centrifuge.