Les interactions hydrodynamiques sont souvent négligées dans le transport de particules à cause de leur complexité. Aux fortes concentrations, ces interactions se manifestent par une différence entre les cinématiques de ces particules et celle du fluide non perturbé contrairement aux hypothèses communément admises. Aujourd'hui, seuls de lourds calculs numériques (DNS) peuvent résoudre ces problèmes. Nous développons ici une méthode alternative, basée sur la matrice de résistance généralisée, appliquée au transport d'une particule cylindrique confinée. Pour la sédimentation, elle chute plus vite en position dissymétrique. En déterminant la cinématique de la particule en écoulement de Poiseuille nous montrons la non validité de l'hypothèse évoquée. Ensuite nous étudions les phénomènes de transferts sur le même cylindre. Selon la condition aux limites, on peut soit réduire, soit augmenter le flux sur le cylindre.

Filtration, récupération assistée du pétrole, flux sanguin... La compréhension des écoulements dans ces exemples repose sur la connaissance du transport de particules en milieu confiné. Plus généralement, dans ces situations se pose la question de l'influence des intéractions entre particules sur le comportement général de l'écoulement. Pour répondre à cela, une approche expérimentale originale est proposée, basée sur la création de nouveaux outils microfluidiques. Dans une première partie, nous étudions la dynamique du trafic de gouttes (suspension diluée) dans des réseaux d'obstacles microfluidiques. La présence des interactions hydrodynamiques entre particules rend cet écoulement non linéaire et il peut alors être parfaitement décrit par une équation dynamique de Burgers, rationalisant ainsi la présence des chocs de densité observés expérimentalement. Nous avons aussi fait ressortir de notre étude des paramètres généraux qui, non seulement sont utiles en microfluidique, mais s'avèrent pertinents à l'étude des différents domaines de trafic (voiture, piétons, ...). Ce travail est poursuivi par l'étude du transport d'une suspension concentrée 2D. Cet écoulement, gouverné par une dynamique intermittente, a été compris à travers une approche numérique, rendant compte de la phénoménologie d'avalanche constatée. Ce code s'avère ainsi efficace quant à l'interprétation de l'écoulement de particules dans des réseaux de tubes, modèle simple des milieux poreux.

Une capsule est une petite particule constituée d'un milieu interne liquide entouré d'une fine membrane élastique. Les capsules sont souvent amenées à s'écouler en espace confiné, et notamment dans des tubes cylindriques. Elles peuvent subir une dissolution partielle de leur membrane et deviennent alors prégonflées. Dans le tube, les capsules prennent une forme stationnaire en ‘parachute' ou en ‘slug'. Le changement de courbure à l'arrière d'une capsule dépend beaucoup du prégonflement et du nombre capillaire, et peu du rapport de taille entre la capsule et le tube. La mise au point d'une méthode numérique, basée sur les équations de Stokes et reposant sur une formulation par intégrales de frontières, permet de caractériser la mécanique de capsules prégonflées à membrane d'alginate.<br />Lorsque deux capsules sont en interaction, elles sont espacées de moins d'un rayon de pore. La perte de charge créée par un train de capsules est la somme de celles créées par chacune des capsules isolément.

Les vésicules sont utilisées d'une manière extensive comme modèle pour comprendre les dynamiques et les déformations des globules rouges au niveau individuel, mais aussi concernant les phénomènes collectives et la rhéologie. La membrane de la vésicule résiste à la flexion mais pas au cisaillement, contrairement aux globules rouges, néanmoins elles partagent plusieurs propriétés dynamiques avec les globules rouges, comme le tank-treading (mouvement en chenille de char) et le tumbling (mouvement de bascule) sous écoulement de cisaillement, ou les formes parachutes et slippers (pantoufles) sous un écoulement de Poiseuille. Les globules rouges sont connus pour former des trains de cellules (clusters) dans la microcirculation attribués à la nature attractive des interactions hydrodynamiques. Nous avons étudié numériquement plusieurs types de problème comme:(i) les dynamiques de cellules isolées, (ii) le couplage hydrodynamique entre globules rouges (en utilisant les vésicules comme modèle) soumis à un écoulement de Poiseuille sous différent confinements; (iii) l'agrégation des globules rouges et la formation de rouleaux; et (iv) le rôle des macromolécules dans la formation de clusters sous écoulement. les résultats obtenus apportent un nouveau regard à la physique des objets déformables et sont transposables au cas de l'écoulement des globules rouges dans la microcirculation. / Vesicles are extensively used as a model for understanding dynamicsand deformation of red blood cells at the individual level but also regarding collective phenomena and rheology. Vesicles' membranes withstand to bending butdo not have a shear resistance, unlike red blood cells, but they still share several dynamical properties with red blood cells, like tank-treading and tumbling under linear shear flow, or parachute and slipper shapes under Poiseuille flow. The red blood cells are known to form train of cells in the microcirculation attributed to attractive hydrodynamic interactions. We investigate numerically several kind of problems such as: (i) the dynamics of isolated cells; (ii) the hydrodynamic coupling between the red blood cells (by using vesicles as a model) subject to a Poiseuille flow under different confinements; (iii) the aggregation of red blood cells and formation of rouleaux; and (iv) the contribution of macromolecules in the formation of clusters under flow condition. The obtained results give a new insight into thephysics of deformable objects under confinement that are transposable to the flow of red blood cells in the microcirculation.

Une brosse de polymères est une matrice dense de macromolécules greffées à une surface donnée. Au-delà des brosses synthétiques réalisées en laboratoire, on trouve des exemples très variés dans la nature: un exemple emblématique est le glycocalyx endothélial, décorant la surface interne des vaisseaux sanguins des mammifères. L'interaction de cette structure avec le plasma et les cellules sous écoulement n'est encore que très partiellement explorée. La présente thèse propose, grâce à des simulations de "Dissipative Particle Dynamics", un modèle coarse-grained pour une analyse auto-cohérente d'une brosse polymérique dense sous écoulement parabolique. Cette étude mésoscopique met en évidence l'importance des effets collectifs entre molécules, entraînée par l'hydrodynamique, et propose des nouvelles interprétations à la phénoménologie du système brosse-écoulement. Des résultats préliminaires sont également produits pour l'interaction sous écoulement entre un objet mésoscopique déformable (prototype d'un globule rouge) et les polymères greffés. / Polymer brushes are dense matrices of grafted macromolecules. In addition to brushes finely designed in laboratory, various examples are offered by Nature, as the endothelial glycocalyx, decorating the lumen of mammalian blood vessels. The interaction of such network with the flowing plasma and cells is still partially unknown.The present thesis, by mean of Dissipative Particle Dynamics simulations, proposes a coarse-grained model for the self-consistent analysis of a dense polymer brush under parabolic flow. Our mesoscale investigation highlights the relevance of collective effects, driven by hydrodynamics, and proposes novel interpretations regarding the rich phenomenology of the brush-flow system.Preliminary results are also provided for the interplay between a mesoscopic deformable flowing object (prototype of a red blood cell) and the grafted polymers.

Dans cette thèse, les propriétés rhéologiques du sang sont étudiées suivant deux approches differentes. Les propriétés de l'écoulement du plasma sont analysées selon trois modes différents : sous cisaillement, en extension et en constriction. Jusqu'à présent, le plasma était considéré comme un fluide newtonien, et le comportement complexe du sang était simplement attribué à la présence des globules rouges. Les expériences menées ont montré un comportement visco-élastique du plasma, que doit désomais être pris en compte dans les études futures. La deuxième axe traite des globules rouges. Leur assemblage en agrégats rectilignes est à l'origine du comportement rhéofluidifiant, mais les causes de la formation des agrégats restent encore vagues. L'énergie d'interaction entre deux cellules et la distribution des tailles des clusters dans des canaux microfluidiques ont été mesurées en présence de dextran et de fibrinogène. Comme les agrégats sont normalement cassés à des taux de cisaillement élevés, on a cru qu'ils ne jouaient pas de rôle dans l'écoulement du sang. Mais le fait que le nombre de clusters augmente à des concentrations physiologiques de fibrinogène, même pour des taux de cisaillement correspondant à ceux du système microvasculaire, il est clair que l'agrégation ne peut pas être négligée dans la description de l'écoulement du sang en le réseau capillaire. / In this work, the rheological properties of human blood are investigated by two different approaches. The flow properties of plasma, the liquid component of blood, is analyzed under three different conditions: shear flow, elongational flow and contraction flow. Up to now, the plasma was considered as a Newtonian fluid, while the non-Newtonian properties of blood were only attributed to the red blood cells. The performed experiments reveal a viscoelastic behavior of the plasma which has to be considered in future studies. In addition to the plasma, also diluted polymer solutions are analyzed in order to find a good model solution for plasma. The second part concerns the red blood cells. Their adhesion to linear aggregates is held responsible for the well-known shear thinning behavior of blood but the reason for the cluster formation is still not clear. The interaction energy between two red blood cells and the distribution of different sized clusters flowing through narrow channels are measured under the influence of the two macromolecules dextran and fibrinogen. As the aggregates are actually broken at high shear rates, the current understanding is that they would not play a role for the properties of blood flow. However, an increased amount of clusters at physiological fibrinogen concentrations can be shown, even at shear rates which are common in the microvascular system, which clarifies that the aggregation cannot be neglected in the description of blood flow through the capillary network.

L’effet des inclusions sur la turbulence de l’écoulement est un élément clé à comprendre afin de maîtriser le transport de milieux dispersés, dans le domaine du génie pétrolier, environnemental, agroalimentaire, génie de la réaction chimique ou transformation du solide. Les expériences de Matas et al. (PRL, 2003) ont mis en évidence un effet non monotone des particules isodenses (de densité égale à celle du fluide) sur la transition laminaire-turbulent, cet effet dépendant de la taille des particules et de leur concentration dans la suspension. Une petite quantité de particules de taille finie s’est avérée suffisante pour diminuer considérablement le seuil de transition laminaire turbulent. Nous avons utilisé des simulations numériques, basées sur une approche de type “Force Coupling Method” afin de comprendre cet effet. Les domaines de simulations étaient choisis pour accommoder le minimum de structures cohérentes suffisantes pour entretenir la turbulence. Nous avons particulièrement étudié la corrélation entre le comportement instationnaire de l’écoulement et la distribution instantanée de particules, en fonction de la configuration de l’écoulement (Couette plan ou écoulement en canal), de la forme des particules ainsi que leur inertie et concentration. Dans un écoulement de Couette plan turbulent, la contrainte pariétale est augmentée en présence des particules. Les profiles (dans la direction normale aux parois) de vitesse moyenne et des contraintes de Reynolds ne sont pas significativement modifiés en présence des particules, si la viscosité du fluide est remplacée par la viscosité effective de la suspension dans le calcul du nombre de Reynolds de l’écoulement. Par contre l’analyse temporelle et modale des fluctuations de l’écoulement suggère que les particules modifient légèrement le cycle de régénération de la turbulence, à travers l’augmentation d’énergie à petites échelles. En effet, la forme des streaks et le caractère intermittent de l’écoulement sont impactés par la présence des particules, surtout quand elles sont inertielles (de densité supérieure à celle du fluide). Ces résultats ont été publiés dans le journal Physical Review F (Wang et al., 2017). En outre, nous avons montré qu’à fraction volumique égale, les propriétés d’écoulement turbulent des suspensions de particules sphéroïdales de rapport de taille compris entre 0.5 et 2, sont similaires à celles des suspensions de particules sphériques. Le transfert de particules entre les différentes structures cohérentes de l’écoulement est analysé à la fin de la thèse. Néanmoins dans un écoulement en canal, les particules iso denses augmentent l’intensité des contraintes de Reynolds dans le plan transverse. Nous montrons que par leur concentration préférentielle dans les structures cohérentes à côté des parois (les éjections), elles influencent significativement le cycle de régénération en agissant sur tous les processus à la fois linéaires et non linéaires du cycle: la formation des streaks, puis leur rupture et la régénération des vortex alignés avec l’écoulement. La diminution du seuil de transition est la conséquence directe de cette modulation du cycle. / The effect of particles on turbulence is a key phenomenon in many practical industrial applications encountered in petroleum engineering, chemical reactors and food or solid processing (transport of slurries in pipes, reactive fluidized beds, and pneumatic transport of particles), environmental engineering (such as sand storm and Particulate Matter (PM) Pollution), and biological fluid mechanics (e.g. drug delivery in blood flow and inhaled particles through the respiratory system). The experiments of Matas et al. (PRL, 2003) have highlighted the non-monotonous effect of neutrally buoyant particles on the laminar-turbulent flow transition, depending on the particle-to-pipe size ratio and on the suspension volumetric concentration. A small amount of finite size particles allowed sustaining the turbulent state and decreasing the transition threshold significantly. The complex mechanisms related to particle flow interactions are often difficult to elucidate experimentally. During the last 4 decades, direct numerical simulations have proven to be a powerful tool for understanding the features of single-phase turbulent flows. Currently, it starts to play an important role in the investigation of suspension flows as well. Almost a decade after the experiments of Matas et al. (PRL, 2003), particle-resolved numerical simulations are able to evidence that at moderate concentration, particles have a significant impact on the unsteady nature of the flow, enhancing the transverse turbulent stress components and modifying the flow vortical structures (Loisel et al. Phys. Fluids, 2013; Yu et al. Phys. Fluids, 2013; Lashgari et al. PRL, 2015). In this work, we use particleresolved numerical simulations to understand the effect of finite sized particles on wall-bounded (pressure-driven or plane Couette) turbulent flows, slightly above the laminar-turbulent transition limit. We find that in turbulent Couette flow, wall-normal profiles of the flow velocity and Reynolds stress components reveal that there is no significant difference between single phase and two-phase flows at equivalent effective Reynolds number, except that the wall shear stress is higher for the two-phase flow. At concentration up to 10%, neutrally buoyant spherical particles have a negligible effect on both the intensity and intermittency of the Reynolds stress. However temporal and modal analysis of flow fluctuations, suggest that besides increasing small scale perturbation due to their rigidity, particles have an effect on the regeneration cycle of turbulence (streak formation, streak breakdown and streamwise vortex regeneration). Indeed, the shape of the streaks and the intermittent character of the flow (amplitude and period of oscillation of the modal fluctuation energy) are all altered by the particle presence, and especially by the inertial particles (Wang et al. Phys. Rev. Fluid, 2017). When the particle shape deviates from sphericity (spheroids with aspect ratios ranging between 0.5 and 2), the features of turbulent suspension flow are not significantly impacted. The transfer of particles between different coherent structures (along the regeneration cycle period) is analyzed at the end of the thesis. Nevertheless in channel flow, neutrally-buoyant spherical particles have a drastic impact on the regeneration cycle of turbulence, decreasing thereby the transition threshold. Particles enhance the intensity of the Reynolds stress although the frequency of burst events is decreased. Particles enhance the lift-up effect and act continuously within the buffer layer. Moreover, they increase the vorticity stretching, leading to smaller and more numerous wavy streaks for suspension flows compared to the single-phase configuration.

Ce mémoire est consacré à l'étude des effets des interactions hydrodynamiques sur le mouvement et le transport des particules sphériques et cylindriques dans les fluides non newtoniens. Des résultats importants ont été obtenus pour expliquer la physique des suspensions en fluide non newtonien. Le modèle non newtonien choisi est celui d'Ostwald car il décrit bien les effets de rhéofluidification et de rhéoépaississement qui caractérisent la plupart des fluides non newtoniens. Le premier résultat a été de montrer comment l'indice de fluidité affecte le comportement des suspensions par le biais de la longueur d'écran hydrodynamique autour de chaque particule. Ceci nous a permis de donner les bonnes valeurs de la traînée subie par chaque particule en milieu infini, et de montrer l'apparition du paradoxe de Whitehead dans le cas de la sphère à partir de n=2 et de Stokes dans le cas du cylindre à partir de n=1. Lorsque n est voisin de ces valeurs critiques, la détermination des forces hydrodynamiques devient très sensible à l'inertie. Le deuxième résultat important pour l'industrie de l'injection des matériaux composites, a été de montrer par une méthode inverse que les interactions hydrodynamiques pouvaient induire un retard plus ou moins important par rapport au cas newtonien dans le transport de particules. Le troisième résultat important pour l'analyse des processus d'agrégation de particules sphériques ou cylindriques a été obtenu dans le cas d'une particule sphérique ou cylindrique en sédimentation vers un plan fixe. Un calcul asymptotique dans le cas non newtonien en régime de lubrification, comparé avec succès à celui obtenu numériquement par la méthode de maillage dynamique, nous a permis d'obtenir les lois d'évolution de la force subie par ces particules entrant en contact avec un plan. Ces derniers résultats trouvent une application dans l'utilisation des machines dynamiques à force de surface dans le cadre de la nanorhéologie.

La propreté inclusionnaire reste un enjeu majeur en élaboration des métaux par voie liquide. La flottation, principal procédé retenu en métallurgie secondaire pour éliminer les particules d’inclusions, consiste à injecter des bulles de gaz au sein du réacteur. Lors de leur ascension, les bulles vont capter les plus grosses inclusions et favoriser la collision et l’agrégation des particules. Dans le but de quantifier les phénomènes influents à l’échelle des inclusions sur la dynamique d’agrégation entre deux inclusions à proximité des bulles, un modèle numérique 3D a été développé. L’écoulement local est modélisé par un cisaillement plan permanent et résolu par une méthode de Boltzmann sur réseau. Le couplage entre les particules et le fluide a été assuré par une méthode de frontière immergée permettant de calculer la perturbation hydrodynamique engendrée par la présence des particules et de mettre à jour les interactions entre particules pour leur suivi lagrangien. Les simulations numériques réalisées ont mis en évidence que les effets hydrodynamiques ont une influence non négligeable sur le comportement des inclusions. Des sections efficaces de collision ont pu être extraites, à partir desquelles ont été calculés des noyaux d’agrégation, données macroscopiques rendant compte des effets à petite échelle. Une première application de ce travail a été menée avec le calcul des fréquences d’agrégation d’un train de bulle dans un réacteur canal à partir de résultats de simulations DNS. Les noyaux d’agrégation ont également été exploités en vue de déterminer, à partir de résultats RANS de l’hydrodynamique d’une poche d’acier, l’évolution de la concentration d’inclusions par un bilan de population global. / Inclusion cleanliness remains a major challenge faced in process metallurgy in liquid phase. Flotation, the main process used in secondary metallurgy to remove inclusions, consists in injecting gas bubbles into the reactor. Rising gas bubbles entrap the biggest inclusions at their surface or in their wake. Besides, they promote collision and aggregation among particles. A 3D numerical model has been developed in order to quantify the roles of the prevailing phenomena on aggregation dynamics between inclusions in the vicinity of bubbles. At inclusion (mesoscopic) scale, the turbulent flow is locally modeled by a steady plane shear flow which is solved using a lattice-Boltzmann method. The coupling between both liquid and solid phases is ensured using an immersed boundary method. This method resolves the hydrodynamic perturbation induced by particles, and hence their interactions that are, in turn, used to update their Lagrangian tracking. The conducted numerical simulations bring out the influence of hydrodynamic effects on inclusion behavior. Collision cross sections have been determined from which ensuing aggregation kernels have been calculated. Such cross sections could provide macroscopic models to represent local particle dynamics. A first application of these results is presented to calculate aggregation frequencies in bubble swarms in a channel flow reactor that was simulated using DNS. Additionally, evolution of inclusion populations in molten steel has been determined from RANS simulation of a liquid steel ladle by means of a global population balance implementing the aggregation kernels determined in the present work.

Les suspensions colloïdales magnétiques sont utilisées dans de nombreuses applications pratiques. Toutefois, leurs propriétés structurales et dynamiques, en particulier en présence d'un champ appliqué, restent mal connues. Dans ce but, nous avons adopté une approche qui couple une modélisation par simulation numérique de dynamique brownienne à plusieurs techniques expérimentales sur des dispersions aqueuses préparées «sur mesure». L'emploi de la diffusion de rayonnement, en particulier de neutrons, a permis d'une part, l'élucidation de la structure locale et d'autre part, l'examen de la dynamique de translation à plusieurs échelles. L'effet d'un champ extérieur a été mesuré et évalué parallèlement par la simulation numérique. De plus, la dynamique de rotation a été sondée par la relaxation de biréfringence magnéto-optique. La confrontation des résultats expérimentaux et de simulation numérique complète la compréhension du système, soulignant le rôle des interactions dipolaires.