Nous présentons une série d'expériences sur des particules micrométriques de polystyrène de formes ellipsoïdales. Les rapports d'aspects (k) des particules sont variables, de 0.2 à 8 environ. Ces ellipsoïdes sont manipulés dans l'eau par faisceau laser modérément focalisé. On observe la lévitation et l'équilibre dynamique de chaque particule, dans le volume et au contact d'une interface, solide-liquide ou liquide-liquide. Dans une première partie, nous montrons que des particules de k modéré sont piégées radialement. Par contre, les ellipsoïdes allongés (k>3) ou aplatis (k<0.3) ne peuvent pas être immobilisés. Ces particules " dansent " autour du faisceau, dans un mouvement permanent associant translation et rotation. Les mouvements sont périodiques, ou irréguliers (chaotiques) selon les caractéristiques de la particule et du faisceau. Un modèle en 2d est proposé qui permet de comprendre l'origine des oscillations. La seconde partie est une application de la lévitation optique pour une étude de la transition mouillage total-mouillage partiel des particules à l'interface eau-air. Nous montrons que la dynamique de la transition ne dépend pratiquement pas de la forme de particule, et qu'elle est déterminée par le mécanisme d'accrochage-décrochage de la ligne de contact.

Ce travail concerne la convection naturelle au sein d'un système fluide-poreux en couche horizontale. On présente l'analyse de stabilité linéaire des modèles à un et deux domaines, avec diffusion visqueuse dans le milieu poreux. Nos résultats sont comparés avec ceux du modèle à deux domaines utilisant la formulation de Darcy. Un bon accord est observé entre les résultats des modèles à deux domaines, ce qui indique que le terme de Brinkman joue un rôle secondaire dans la stabilité. On montre que le modèle à un domaine peut conduire à des résultats sensiblement différents lorsque la transition entre fluide et le milieu poreux est décrite par une discontinuité des propriétés. Il faut alors modifier la formulation en effectuant la différentiation au sens des distributions. Ainsi, le modèle à un domaine conduit aux mêmes seuils de stabilité que les formulations à deux domaines. L'influence des paramètres caractéristiques sur la stabilité des systèmes thermique et thermosolutal est discutée.

Nous présentons une série d’expériences sur des particules micrométriques de polystyrène de formes ellipsoïdales. Les rapports d’aspects (k) des particules sont variables, de 0.2 à 8 environ. Ces ellipsoïdes sont manipulés dans l’eau par faisceau laser modérément focalisé. On observe la lévitation et l’équilibre dynamique de chaque particule, dans le volume et au contact d’une interface, solide-liquide ou liquide-liquide. Dans une première partie, nous montrons que des particules de k modéré sont piégées radialement. Par contre, les ellipsoïdes allongés (k>3) ou aplatis (k<0.3) ne peuvent pas être immobilisés. Ces particules « dansent » autour du faisceau, dans un mouvement permanent associant translation et rotation. Les mouvements sont périodiques, ou irréguliers (chaotiques) selon les caractéristiques de la particule et du faisceau. Un modèle en 2d est proposé qui permet de comprendre l’origine des oscillations. La seconde partie est une application de la lévitation optique pour une étude de la transition mouillage total-mouillage partiel des particules à l’interface eau-air. Nous montrons que la dynamique de la transition ne dépend pratiquement pas de la forme de particule, et qu’elle est déterminée par le mécanisme d’accrochage-décrochage de la ligne de contact. / We report experiments on ellipsoidal micrometre-sized polystyrene particles. The particle aspect ratio (k) varies between about 0.2 and 8. These particles are manipulated in water by means of a moderately focused laser beam. We observe the levitation and the dynamical state of each particle in the laser beam, in bulk water or in contact to an interface (water-glass, water-air, water-oil). In the first part, we show that moderate-k particles are radially trapped with their long axis lying parallel to the beam. Conversely, elongated (k>3) or flattened (k<0.3) ellipsoids never come to rest, and permanently “dance” around the beam, through coupled translation-rotation motions. The dynamics are periodic or irregular (akin to chaos) depending on the particle type and beam characteristics. We propose a 2d model that indeed predicts the bifurcation between static and oscillating states. In the second part, we apply optical levitation to study the transition from total to partial wetting of the particles at the water-air interface. We show that the dynamics of the transition is about independent of particle shape, and mainly governed by the pinning-depinning mechanism of the contact line.

Depuis quelques années, les physiciens essayent de comprendre comment un fluide tel que l'eau ou l'air transporte des grains de sable et comment une structure comme une dune de sable peut être formée par la rétroaction entre l'écoulement du fluide et la déformation de l'interface fluide-granulaire. Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons des expèriences en laboratoire qui consistent à reproduire des structures familières telles que les rides de plage. Ces motifs sont formés par les vagues sur le bord de plage. Nous examinons la sélection de la longueur d'onde initiale ainsi que la coalescence des rides dites à grains roulants avant leur transition vers les rides dites à tourbillon qui correspondent à l'état saturé de l'interface. Grâce à la construction d'un nouveau dispositif expérimental, nous montrons pour la première fois avec des mesures de PIV la structure de l'écoulement associée aux rides à grains roulants en l'occurrence un tourbillon transitoire qui apparaît au renversement de l'écoulement principal. En outre, nous démontrons l'existence d'une ségrégation en volume pour les rides à tourbillon qui est la conséquence de la distribution de contrainte de cisaillement sur la surface de la ride.

Le calcul d'écoulements dans les générateurs de vapeur des réacteurs à eau pressurisée est un problème complexe, faisant intervenir différents régimes d'écoulement et plusieurs échelles de temps et d'espace. Un scénario accidentel peut être caractérisé par des variations très rapides pour un nombre de Mach de l'ordre de l'unité. A l'inverse en régime nominal l'écoulement peut être stationnaire, à bas nombre de Mach. De plus quelque soit le régime considéré, la complexité de la géométrie d'un générateur de vapeur conduit à modéliser le faisceau de tubes par un milieu poreux, d'où le problème de couplage à l'interface avec le milieu fluide.Un schéma de correction de pression tout-Mach en volumes finis colocalisés a été introduit pour les équations d'Euler et de Navier-Stokes. L'existence d'une solution discrète, la consistance du schéma au sens de Lax et la positivité de l'énergie interne ont été démontrées. Le schéma a été ensuite étendu aux modèles diphasiques homogènes du code GENEPI développé au CEA. Enfin un algorithme Multigrille-AMR a été adaptée pour permettre de mettre en oeuvre notre schéma sur des maillages adaptatifs.Concernant la seconde problématique, une extension de la loi de Beavers-Joseph a été proposée pour le régime convectif. En introduisant un saut d'énergie cinétique à l'interface, on retrouve une loi de type Beavers-Joseph mais avec un coefficient de glissement non-linéaire, qui dépend de la vitesse fluide à l'interface et de la vitesse Darcy. La validité de cette nouvelle condition d'interface a été évaluée en réalisant des calculs de simulation numérique directe à différents nombres de Reynolds. / The numerical simulation of steam generators of pressurized water reactors is a complex problem, involving different flow regimes and a wide range of length and time scales. An accidental scenario may be associated with very fast variations of the flow with an important Mach number. In contrast in the nominal regime the flow may be stationary, at low Mach number. Moreover whatever the regime under consideration, the array of U-tubes is modelled by a porous medium in order to avoid taking into account the complex geometry of the steam generator, which entails the issue of the coupling conditions at the interface with the free-fluid.We propose a new pressure-correction scheme for cell-centered finite volumes for solving the compressible Navier-Stokes and Euler equations at all Mach number. The existence of a discrete solution, the consistency of the scheme in the Lax sense and the positivity of the internal energy were proved. Then the scheme was extended to the homogeneous two-phase flow models of the GENEPI code developed at CEA. Lastly a multigrid-AMR algorithm was adapted for using our pressure-correction scheme on adaptive grids.Regarding the second issue addressed in this work, an extension to the Beavers-Joseph law was proposed for the convective regime. By introducing a jump in the kinetic energy at the interface, we recover an interface condition close to the Beavers-Joseph law but with a non-linear slip coefficient, which depends on the free-fluid velocity at the interface and on the Darcy velocity. The validity of this new transmission condition was assessed with direct numerical simulations at different Reynolds numbers.

Application a un cristal liquide nématique dans lequel la déformation du directeur est induite soit par un écoulement de poiseuille plan du cristal liquide, soit par application d'un champ électrique. Détermination de l'énergie d'ancrage du nématique en contact avec son support.

On étudie l'écoulement turbulent d'un fluide sur une canopée, que l'on modélise comme un milieu poreux déformable. Ce milieu poreux est en fait composé d'un tapis de fibres susceptibles de se courber sous la charge hydrodynamique du fluide, et ainsi de créer un couplage fluide-structure à l'échelle d'une hauteur de fibre (honami). L'objectif de la thèse est de développer un modèle macroscopique de cette interaction fluide-structure, afin d'en réaliser des simulations numériques. Une approche numérique de simulation aux grandes échelles est donc mise en place pour capturer les grandes structures de l'écoulement et leur couplage avec les déformations du milieu poreux. Pour cela nous dérivons les équations régissant la grande échelle, au point de vue du fluide ainsi que de la phase solide. À cause du caractère non-local de la phase solide, une approche hybride est proposée. La phase fluide est décrite d'un point de vue Eulerien, tandis que la description de la dynamique de la phase solide nécessite une représentation Lagrangienne. L'interface entre le fluide et le milieu poreux est traitée de manière continue. Cette approche de l'interface fluide/poreux est justifiée par un développement théorique sous forme de bilan de masse et de quantité de mouvement à l'interface. Ce modèle hybride est implémenté dans un solveur écrit en C$++$, à partir d'un solveur fluide disponible dans la librairie CFD \openfoam. Un préalable nécessaire à la réalisation d'un tel modèle macroscopique est la connaissance des phénomènes de la petite échelle en vue de les modéliser. Deux axes sont explorés concernant cet aspect. Le premier consiste à étudier les effets de l'inertie sur la perte de charge en milieu poreux. Un paramètre géométrique est proposé pour caractériser la sensibilité d'une microstructure poreuse à l'inertie de l'écoulement du fluide dans ses pores. L'efficacité de ce paramètre géométrique est validée sur une diversité de microstructures et le caractère général du paramètre est démontré. Une loi asymptotique est ensuite proposée pour modéliser les effets de l'inertie sur la perte de charge, et comprendre comment celle-ci évolue en fonction de la nature de la microstructure du milieu poreux. Le deuxième axe d'étude de la petite échelle consiste à étudier l'effet de l’interaction fluide-structure à l'échelle du pore sur la perte de charge au niveau macroscopique. Comme les cas présentent de grands déplacements de la phase solide, une approche par frontières immergées est proposée. Ainsi deux méthodes numériques sont employées pour appliquer la condition de non-glissement à l'interface fluid/solide: l'une par interface diffuse, l'autre par reconstitution de l'interface. Cela permet une validation croisée des résultats et d'atteindre des temps de calcul acceptables tout en maîtrisant la précision des résultats numériques. Cette étude permet de montrer que l'interaction fluide-structure à l'échelle du pore a un effet considérable sur la perte de charge effective au niveau macroscopique. Des questions fondamentales sont ensuite abordées, telles que la taille d'un élément représentatif ou la forme des équations de transport dans un milieu poreux souple. / We study the turbulent flow of a fluid over a canopy, that we model as a deformable porous medium. This porous medium is more precisely a carpet of fibres that bend under the hydrodynamic load, hence initiating a fluid-structure coupling at the scale of a fibre's height (honami). The objective of the thesis is to develop a macroscopic model of this fluid-structure interaction in order to perform numerical simulations of this process. The volume averaging method is implemented to describe the large scales of the flow and their interaction with the deformable porous medium. An hybrid approach is followed due to the non-local nature of the solid phase; While the large scales of the flow are described within an Eulerian frame by applying the method of volume averaging, a Lagrangian approach is proposed to describe the ensemble of fibres. The interface between the free-flow and the porous medium is handle with a One-Domain- Approach, which we justify with the theoretical development of a mass- and momentum- balance at the fluid/porous interface. This hybrid model is then implemented in a parallel code written in C$++$, based on a fluid- solver available from the \openfoam CFD toolbox. Some preliminary results show the ability of this approach to simulate a honami within a reasonable computational cost. Prior to implementing a macroscopic model, insight into the small-scale is required. Two specific aspects of the small-scale are therefore studied in details; The first development deals with the inertial deviation from Darcy's law. A geometrical parameter is proposed to describe the effect of inertia on Darcy's law, depending on the shape of the microstructure of the porous medium. This topological parameter is shown to efficiently characterize inertia effects on a diversity of tested microstructures. An asymptotic filtration law is then derived from the closure problem arising from the volume averaging method, proposing a new framework to understand the relationship between the effect of inertia on the macroscopic fluid-solid force and the topology of the microstructure of the porous medium. A second research axis is then investigated. As we deal with a deformable porous medium, we study the effect of the pore-scale fluid-structure interaction on the filtration law as the flow within the pores is unsteady, inducing time-dependent fluidstresses on the solid- phase. For that purpose, we implement pore-scale numerical simulations of unsteady flows within deformable pores, focusing for this preliminary study on a model porous medium. Owing to the large displacements of the solid phase, an immersed boundary approach is implemented. Two different numerical methods are compared to apply the no-slip condition at the fluid-solid interface: a diffuse interface approach and a sharp interface approach. The objective is to find the proper method to afford acceptable computational time and a good reliability of the results. The comparison allows a cross-validation of the numerical results, as the two methods compare well for our cases. This numerical campaign shows that the pore-scale deformation has a significant impact on the pressure drop at the macroscopic scale. Some fundamental issues are then discussed, such as the size of a representative computational domain or the form of macroscopic equations to describe the momentum transport within a soft deformable porous medium.