L'atomisation d'un jet circulaire d'eau typique des applications agricoles est présentée dans cette étude. Maîtriser la dispersion de l'eau à des fins d'irrigation ou de traitements phytosanitaires implique de réduire la consommation d’eau et la pollution de l'environnement. Un cas d'étude simplifié est construit : une buse ronde dn=1.2 mm et d'une longueur Ln=50dn y est considérée. La vitesse d'injection est fixée à UJ=35 m/s et alignée avec la gravité, plaçant le jet liquide dans un régime d'atomisation turbulent. L'écoulement est statistiquement axisymétrique. L'approche est à la fois expérimentale et numérique.Un modèle multiphasique Eulérien de mélange décrit l'écoulement constitué de deux phases. Plusieurs modèles de turbulence U-RANS sont utilisés: k-ε et RSM. Une attention particulière est alors portée à la modélisation des effets de masse volumique variable issus de la formulation du fluide de mélange. Un solveur numérique spécifique est développé à l'aide du code CFD OpenFOAM. Une série de cas d'étude est construite pour tester l'influence de la modélisation de la turbulence et des fermetures de premier/second-ordre des flux massiques turbulents.Les techniques optiques (LDV et DTV) sont déployées pour recueillir des informations statistiques des phases liquide et gazeuse du spray. La campagne expérimentale est réalisée de x/dn=0 jusqu'à x/dn=800. En ce qui concerne la LDV, des gouttelettes d'huile d'olive (~1 µm) permettent d'analyser la phase gazeuse. Une distinction entre les gouttes de liquide et ces traceurs est obtenue par une configuration spécifique de la source laser et le paramétrage de la détection des bouffées Doppler (Filtre-BP et le SNR). Dans la zone dispersée, les mesures par DTV permettent d'estimer les vitesses et les tailles des gouttes. Une attention particulière est portée à l'estimation de la profondeur de champ (DOF) afin d'obtenir une corrélation taille-vitesse des gouttes moins biaisée.Les résultats numériques et expérimentaux concordent pour le champ de vitesse moyenne. Une forte dépendance au modèle de turbulence est trouvée. Cependant, le modèle RSM ne simule pas le comportement du tenseur de Reynolds. En effet, ni l'anisotropie trouvée expérimentalement (R22/R11≈0.05), ni la vitesse de glissement liquide-gaz ne peuvent être reproduites; même avec une fermeture au 2nd-ordre des flux massiques turbulents. Le fort rapport de masse volumique (eau/air), la directionnalité de l'écoulement et la production d'énergie cinétique turbulente peuvent être à l'origine d'une faible dispersion et d'un faible mélange entre les deux fluides. Ce mécanisme n'est pas encore clarifié du point de vue de la modélisation RSM. / A typical water round-nozzle jet for agricultural applications is presented in this study. The dispersion of a liquid for irrigation or pesticides spraying is a key subject to both reduce water consumption and air pollution. A simplified study case is constructed to tackle both scenarios, where a round dn=1.2 mm nozzle of a length Ln=50dn is considered. The injection velocity is chosen to be UJ=35 m/s, aligned with gravity, placing the liquid jet in a turbulent atomization regime. The flow is considered statistically axisymmetric. Experimental and numerical approaches are considered.An Eulerian mixture multiphase model describes the original two-phase flow. Several U-RANS turbulence models are used: k-ε and RSM; where special attention is taken to the modelling of variable density effects from the mixture formulation. A custom numerical solver is implemented using the OpenFOAM CFD code. A series of study cases are constructed to test the influence of the turbulence modeling and first/second-order closures of the turbulent mass fluxes. LDV and DTV optical techniques are used to gather statistical information from both the liquid and the gas phases of the spray. The experimental campaign is carried out from x/dn=0 to x/dn=800. Concerning the LDV, small (~1 µm) olive-oil tracers are used to capture the gas phase, where a distinction between the liquid droplets and tracers is achieved by a specific set-up of the laser power source and the burst Doppler setting (BP-Filter and SNR). On the dispersed zone, DTV measurements are carried out to measure velocities and sizes of droplets. Special attention to the depth-of-field (DOF) estimation is taken in order to obtain a less biased droplet’s size-velocity correlation.Numerical and experimental results show good agreement on the mean velocity field. A strong dependence on the turbulence model is found. However, the RSM does not capture the same behaviour on the calculated Reynolds stresses. Indeed, neither the experimental anisotropy (R22/R11≈0.05), nor the liquid-gas slip-velocity can be reproduced, even with a second-order closure for the turbulent mass fluxes. The strong density ratio (water/air), flow’s directionality and production of turbulent kinetic energy may be the cause of a weak dispersion and mixing between the two fluids. This mechanism is not yet clarified from a RSM modeling point-of-view.

La pollution des eaux est une préoccupation majeure relayée par la Communauté Européenne. Cette problématique s'accentue avec les particules métalliques et l'émergence de produits nanostructurés tels les Nano-objets, leurs Agrégats et leurs Agglomérats (NOAA). Ces NOAA constituent un cas particulier de polluants du fait de leurs propriétés physicochimiques. La surveillance et le contrôle de ces polluants dans les eaux, nécessite le développement d'instruments de mesure aptes à répondre à ce fléau environnemental. Dans ce contexte, la technique de spectroscopie de plasma induit par laser ou Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) a été retenue à l'INERIS. Elle permet l'identification chimique élémentaire des polluants sous forme particulaire dans la matrice liquide et la détermination de leurs concentrations in-situ et en temps réel. Ce travail de thèse a permis d'optimiser l'analyse des suspensions par LIBS avec deux modes d'échantillonnage. La première partie de l'étude a porté sur le couplage LIBS avec un jet liquide et les limites de détection du titane ont été évaluées à 0.5 mg/L. Dans la deuxième partie, les suspensions ont été aérosolisées avec un nébuliseur et analysées par LIBS. Les résultats obtenus en comparant ces deux modes d'échantillonnage montrent que le jet liquide peut être avantageux pour l'analyse de particules dans les liquides. Cependant le mode aérosol présente un intérêt pratique à condition d'avoir un rendement d'aérosolisation supérieur à 50%. Au final, ce travail de thèse démontre l'applicabilité de la LIBS comme outil potentiel pour l'analyse in situ de particules dans les liquides telle que la surveillance et le contrôle des eaux usées / Water pollution is a major concern, as noted by the European Community. This problem is accentuated with metallic particles and the emergence of nanostructured products such as Nano-Objects, their Aggregates and their Agglomerates (NOAA). These are the special types of pollutants owing their physicochemical properties. The monitoring and control of these pollutants in water require the development of measurement instruments which are capable to anwer this environmental problem. In this context, the technique of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) has been developed at INERIS. It not only allows the chemical identification of these particles pollutants present in liquids, but also the determination of their concentrations in situ and in real time. This thesis has optimized the analysis of suspensions by LIBS with two sampling modes. The first mode focused on coupling LIBS with a liquid jet in which the detection limits of titanium dioxide were estimated at 0.5 mg/L. In the second mode, the suspensions were aerosolized with a nebulizer and analyzed by LIBS. The results obtained by comparing these two sampling modes show that the liquid jet may be advantageous for the analysis of suspensions. However, the aerosol mode has a practical interest if it has an aerosolization efficiency of over 50%. Finally, this work demonstrates the applicability of LIBS as a potential tool for in situ particle analysis of suspensions such as monitoring and control of wastewater

Dans les moteurs à combustion interne, l'injection de carburant est une phase essentielle pour la préparation du mélange et la combustion. En effet, la structure du jet liquide joue un rôle essentiel pour la qualité du mélange du combustible avec le gaz. Le présent travail porte sur les phénomènes d'atomisation de jet liquides dans les conditions opératoires des moteurs diesel. Dans ces conditions, la morphologie du jet liquide comprend une phase liquide séparée (c'est à dire un noyau liquide) et une phase liquide dispersée (c'est à dire un spray). Ce manuscrit décrit les étapes de développement d'un nouveau modèle d'atomisation, pour un jet liquide à grande vitesse, basée sur une approche eulérienne diphasique. Le phénomène d'atomisation est modélisée par des équations définissant une densité de surface pour le noyau liquide en plus de celle des gouttelettes du spray. Ce nouveau modèle a été couplé avec un système d'équations diphasique et turbulent de type Baer-Nunziato. Le processus de rupture des ligaments et son éclatement subséquent en gouttelettes sont modélisés en utilisant des connaissances rassemblées à partir des expériences disponibles et des simulations numériques précises. Dans la région dense du jet de liquide, l'atomisation primaire est modélisée comme un processus de dispersion en raison de l'étirement turbulent de l'interface, à partir du côté du liquide en plus du côté du gaz. Différents cas tests académiques ont été effectués afin de vérifier la mise en œuvre numérique du modèle dans le code IFP-C3D. Enfin, le modèle est validé avec les résultats DNS récemment publiés dans des conditions typiques de moteurs Diesel à injection directe. / In internal combustion engines, the liquid fuel injection is an essential step for the air/fuel mixture preparation and the combustion process. Indeed, the structure of the liquid jet coming out from the injector plays a key role in the proper mixing of the fuel with the gas in the combustion chamber. The present work focuses on the liquid jet atomization phenomena under Diesel engine conditions. Under these conditions, liquid jet morphology includes a separate liquid phase (i.e. a liquid core) and a dispersed liquid phase (i.e. a spray). This manuscript describes the development stages of a new atomization model, for a high speed liquid jet, based on an eulerian two-phase approach. The atomization phenomenon is modeled by defining different surface density equations, for the liquid core and the spray droplets. This new model has been coupled with a turbulent two-phase system of equations of Baer-Nunziato type. The process of ligament breakup and its subsequent breakup into droplets are handled with respect to available experiments and high fidelity numerical simulations. In the dense region of the liquid jet, the atomization is modeled as a dispersion process due to the turbulent stretching of the interface, from the side of liquid in addition to the gas side. Different academic test cases have been performed in order to verify the numerical implementation of the model in the IFP-C3D software. Finally, the model is validated with the recently published DNS results under typical conditions of direct injection Diesel engines.

Les technologies laser sont largement utilisées dans le contexte de l'impression 3D de matériaux de toute taille ainsique pour la bioimpression des constituants de tissue biologiques. Dans ce contexte, la bioimpression par laser (LAB), basée sur le procédé LIFT, a émergé comme une technique permettant de s'affranchir des inconvénients des technologies d'impression à jet d'encre(par exemple le colmatage). La bioimpression par Laser est une technique d'écriture directe de matériaux sous forme solide ou liquide dotée d'une haute résolution spatiale. La technique permet ainsi le transfert précis de microgouttelettes (volume de l'ordre du pL) de biomatériaux et de cellules sur un substrat de réception. Dans nos travaux de recherche, afin de mieux comprendre la dynamique du processus de transfert et d'utiliser la technique en ingénierie tissulaire, nous avons avons développé une approche expérimentale basée sur une méthode d'imagerie résolue en temps. Nous avons tout d'abord caractérisé les différents régimes d'éjection afin de définir des conditions appropriées à l'impressiond'éléments biologiques. Nous avons également exploré la fenêtre d'éjection, afin d'étudier l'influence de l'énergie laser sur la dynamique de jet. Ensuite, nous avons étudié une nouvelle de configuration bioimpression par laser pour laquelle des études paramétriques impliquant l'effet de la viscosité et de la distance d'impression sur la morphologie des gouttes imprimées ont été réalisées. Cette configuration permet d'imprimer des encres biologiques en obtenant des contours très lisses et uniformes jusqu’à une grande distance de séparation (≤10 mm). Les paramètres d'impression de cellules ont aussi été analysées par TRI en fonction de la concentration cellulaire des encres. Nos résultats fournissent des renseignements clés sur l'optimisation et devraient permettre un meilleur contrôle du mécanisme de transfert du processus de LAB. Enfin à la lumière de ces études, nous proposons un mécanisme complet pour la bioimpression par laser. / Laser-based approaches are among the pioneering works in cell printing. These techniques are being extensively focussed for two or three-dimensional structures of any size in transferring pattern materials including deposition of 3D biological constructs. In this context, Laser-Assisted Bioprinting (LAB), based on Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) has emerged as a nozzleless method to surmount the drawbacks (e.g. clogging) of inkjet printing technologies. LAB is a laser direct-write technique that offers printing micropatterns with high spatial resolution from a wide range of solid or liquid materials, such as dielectrics, biomaterials and living cells. The technique enables controlled transfer of droplets onto a receiving substrate. A typical LAB setup comprises three key components: (i) a pulsed laser source, (ii) a ribbon coated with the material to be transferred and (iii) a receiving substrate. The ribbon integrates three layers: (i) a quartz disk support transparent to laser wavelength, (ii) a thin (1–100 nm) absorbing layer (like Ti or Au), and (iii) a bioink layer (few tens of microns) incorporating the material to print. The receiving substrate is faced to the bioink and placed at 100 μm to 1 mm distance from the ribbon. Rapid thermal expansion of metallic layer (on absorbing laser pulse) propels a small volume (~pL) of the ink towards a receiving substrate. Such a metallic interlayer eliminates direct interaction between the laser beam and the bioink. Volume of deposited material depends linearly on the laser pulse energy, and that a minimum threshold energy is required for microdroplet ejection. The thickness of the absorbing layer, viscosity and thickness of the bioink, different optical parameters such as the focus spot and the laser fluence are the controlling parameters to obtain a microscopic resolution and to limit the shock inflicted on the ejected cells. In our research works, we considered experimental approach to study the physical mechanism involved in the LAB using a time-resolved imaging method in order to gain a better insight into the dynamics of the transfer process and to use the technique for printing biomaterials. First we designed and implemented a novel configuration of LAB for upward printing. Then we characterized different ejection regimes to define suitable conditions for bioprinting. We further explored jetting window to study the influence of laser energy on jet dynamics. Ejection dynamics has been investigated by temporal evolution of the liquid jet for their potential use in cell printing. In addition parametric studies like effect of viscosity and printing distance on the morphology of the printed drops were conducted to explore jetting “window”. This configuration allows debris-free printing of fragile bioinks with extremely smooth and uniform edges at larger separation distance (ranging from 3 to 10mm). Material criteria required for realization of the cell printing are discussed and supported by experimental observations obtained by TRI investigation of cell printing from donors with different cell concentrations. These results provide key insights into optimization and better control of transfer mechanism of LAB. Finally, in the light of these studies, a comprehensive mechanism is proposed for printing micro-drops by LAB.

La réduction des émissions polluantes est actuellement un enjeu majeur au sein du secteur aéronautique. Parmi les solutions développées par les motoristes, la combustion en régime pauvre apparaît comme une technologie efficace pour réduire l’impact de la combustion sur l’environnement.Or, ce type de technologie favorise l’apparition d’instabilités de combustion issues d’un couplage thermo-acoustique. Des études expérimentales précédemment menées à l’ONERA ont mis en évidence l’importance de l’atomisation au sein d’un injecteur multipoint sur le phénomène d’instabilités de combustion. L’objectif de cette thèse est de mettre en place la méthodologie multi-échelle pour reproduire les phénomènes de couplage entre l’atomisation du jet liquide en présence d’un écoulement gazeux transverse (configuration simplifiée d’un point d’injection d’un injecteur multipoint) et d’une perturbation acoustique imposée, représentative de l’effet d’une instabilité de combustion. Ce type d’approche pourra, à terme, être utilisé pour la simulation instationnaire LES d’un système de combustion, et permettra de déterminer les temps caractéristiques de convection du carburant liquide pouvant affecter les phénomènes d’évaporation et de combustion, et donc l’apparition des instabilités de combustions. Afin de valider cette approche,les résultats issus des simulations sont systématiquement comparés aux observations expérimentales obtenues dans le cadre du projet SIGMA. Dans un premier temps, une simulation du jet liquide en présence d’un écoulement gazeux transverse est réalisée. Cette simulation a permis de valider l’approche multi-échelle : pour cela, les grandes échelles du jet, ainsi que les mécanismes d’atomisation reproduits par les simulations, sont analysés. Ensuite, l’influence d’une perturbation acoustique sur l’atomisation du jet liquide est étudiée. Les comportements instationnaires du jet et du spray issu de l’atomisation sont comparés aux résultats expérimentaux à l’aide des moyennes temporelles et des moyennes de phase. / The reduction of polluting emissions is currently a major issue in the aeronautics industry.Among the solutions developed by the engine manufacturers, lean combustion appears as an effectivetechnology to reduce the impact of combustion on the environment. However, this type oftechnology enhances the onset of combustion instabilities, resulting from a thermo-acoustic coupling.Experimental studies previously conducted at ONERA have highlighted the importanceof atomization in a multipoint injector to the combustion instabilities. The aim of this thesis isto implement the multi-scale methodology to reproduce the coupling phenomena between theatomization of the liquid jet in the presence of a crossflow (which is a simplified configuration ofan injection point of a multipoint injector) and an imposed acoustic perturbation, representativeof the effect of combustion instabilities. This type of approach can ultimately be used for the unsteadysimulation of a combustion system, and will determine the characteristic convection timesof the liquid fuel that can affect the phenomena of evaporation and combustion, and therefore theappearance of combustion instabilities. In order to validate this approach, the results obtainedfrom the simulations are systematically compared with the experimental observations obtainedwithin the framework of the SIGMA project. First, a simulation of the liquid jet in gaseous crossflowis performed. This simulation enabled us to validate the multi-scale approach : to this end,the large scales of the jet, as well as the atomization mechanisms reproduced by the simulations,are analyzed. Then, the influence of an acoustic perturbation on the atomization of the liquidjet is studied. The unsteady behavior of the jet and the spray resulting from the atomization arecompared with the experimental results using time averages and phase averages.