La spectrométrie de plasma induit par laser, plus connue sous le nom de LIBS (l’acronyme du terme en anglais Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) est une technique analytique qui permet la détection de l’ensemble des éléments du tableau périodique avec des limites de détection de l’ordre du ppm et ceci sur tous types d’échantillons qu’ils soient liquides, solides ou gazeux. Sa simplicité de mise en œuvre, sa rapidité et sa versatilité en font une technique très attractive avec un fort potentiel en termes d’applications que ce soit pour le contrôle en ligne, l’environnement ou l’exploration spatiale. Son point faible reste cependant son manque de fiabilité dans l’analyse quantitative, en particulier lors de l’étude d’échantillons hétérogènes ou de matrices complexes telles que les matrices organiques. Ce travail de thèse propose une étude des propriétés des plasmas induit par laser sur différentes familles de polymères. Une étude du plasma au temps court (~ns) par ombroscopie est tout d’abord présentée, ceci pour différents paramètres expérimentaux (énergie laser, durée d’impulsion, longueur d’onde). Un diagnostic complet du plasma par spectrométrie d’émission est ensuite détaillé pour différents délais de détection et montre que la mesure des températures des différentes espèces du plasma (atomique, ionique et moléculaire) permet de vérifier, dans certaines conditions, les hypothèses d’homogénéité et de l’équilibre thermodynamique local. Ceci permet alors la mise en place de procédures quantitatives telles que la méthode dite sans calibration (calibration free LIBS) tout en optimisant le rapport signal sur bruit de la mesure LIBS. Dans nos expériences cette optimisation est mise à profit pour l’identification de différentes familles de polymères en utilisant, pour le traitement des données de la spectroscopie LIBS, la méthode chimiométrique des réseaux de neurones artificiels. Les résultats obtenus, très prometteurs, permettent d’envisager l’utilisation de la LIBS pour l’identification en temps réel des matières plastiques sur chaine de tri. Par ailleurs et de manière plus générale, ce travail pourrait constituer une base solide pour aller étudier d’autres matériaux organiques plus complexes tels que des tissus biologiques. / Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is an analytical technique that has the potential to detect all the elements present in the periodic table. The limit of detection can go below a few ppm and this regardless of the physical phase of the analyzed sample (solid, liquid or gas). Its simplicity of use, its rapidity to get results and its versatility provide this technique with attractive features. The technique is currently developed for applications in a large number of domains such as online control, spatial explorations and the environment. However the weakness of the LIBS technique, compared to other more conventional ones, is still its difficulty in providing reliable quantitative results, especially for inhomogeneous and complex matrix such as organic or biological materials. The work presented in this thesis includes a study of the properties of plasma induced from different organic materials. First, a study of the plasma induced on the surface of a Nylon sample at short time delays (~ns) was carried out using the time-resolved shadowgraph technique for different experimental parameters (laser energy, pulse duration, wavelength). Then, a complete diagnostics of the plasma was performed using the plasma emission spectroscopy. A detailed analysis of the emission spectra at different detection delays allowed us to determine the evolution of the temperatures of the different species in the plasma (atoms, ions and molecules). The homogeneity and the local thermodynamic equilibrium within the plasma was then experimentally checked and validated. We demonstrated that the optimisation of the signalto- noise ratio and a quantitative procedure, such as the calibration-free LIBS, can be put in place within a properly chosen detection window. In our experiments, such optimised detection configuration was further employed to record LIBS spectra from different families of polymer in order to identify and classify them. For this purpose, the chemometrics procedure of artificial neural networks (ANN) was used to process the recorded LIBS spectroscopic data. The promising results obtained in this thesis makes LIBS stand out as a potentially useful tool for real time identification of plastic materials. Finally, this work can also be considered as a base for the further studies of more complex materials such as biological tissues with LIBS.

Ce travail de thèse repose sur l’élaboration et l’exploitation d’un banc expérimental dédié à l’étude d’un écoulement cavitant dans un micro-canal, pour des conditions proches de celles de l’injection diesel. Ce banc a été développé dans le but de faire varier différents paramètres, notamment l’état de surface des parois du canal. Plusieurs méthodes optiques (imagerie en transmission, strioscopie et interférométrie) ont été mises en place afin de visualiser l’écoulementet d’en extraire des informations quantitatives. Les images en transmission permettent de visualiser la formation de vapeur dans le canal. Elles sont sensibles au gradient de masse volumique et font ainsi apparaître des couches de cisaillement, des structures turbulentes et des ondes de pression. Leur interprétation est rendue délicate par cette richesse en information et nécessite de recourir aux autres techniques optiques. Il ressort de ce travail que la cavitation se forme dans la couche de cisaillement, sous l’effet combiné de la dépression engendrée par le décollement à l’entrée du canal et de tourbillons générés par des instabilités dans la couche de cisaillement. La confrontation des résultats obtenus à l’aide des différentes techniques optiques, notamment les champs de pression reconstruits à partir des interférogrammes, montre que la zone de formation de la cavitation ne correspond pas à la zone de minimum de pression moyenne de l’écoulement. Il apparaît aussi que certaines bulles de vapeur ont une durée de vie bien supérieure à ce que prévoient les modèles de dynamique de bulles. On suspecte que des fluctuations de pression de l’ordre de 20 bar, associées à la turbulence, contribuent à la prolongation de ces temps de vie. Un algorithme de PIV, appliqué à des couples d’images en transmission, permet de montrer une augmentation importante des fluctuations de vitesse en sortie de canal lorsque les poches de vapeur se développent. Cette augmentation devient plus significative quand les poches atteignent60% de la longueur du canal. L’écoulement cavitant est essentiellement piloté par le nombre de cavitation K. Les conditions d’apparition et de développement de la cavitation ont été quantifiées dans différents canaux, en faisant varier des paramètres géométriques, la pression amont ou la température. L’influence de la hauteur du canal et du rayon de courbure à l’entrée de l’orifice est conforme aux données de la littérature. Une dépendance du nombre de cavitation critique Kcrit à l’apparition de la cavitation au nombre de Reynolds Re est montrée. Enfin, l’influence de l’état de surface des parois a fait l’objet d’une étude spécifique. Cette partie du travail demande probablement à être complétée mais l’état de surface semble avoir une influence sur la cavitation. D’après les cas étudiés au cours de cette thèse, une surface rugueuse ou texturée avec des motifs suffisamment espacés peut retarder l’apparition de la cavitation et une rugosité limitée (jusqu’à Ra = 0,7 μmici) peut favoriser le développement des poches de vapeur. / This PhD study is based on the design and use of an experimental set-up dedicated to the study of a cavitating flow in a micro-channel in conditions close to Diesel injection. The experimental set-up has been designed so that different parameters may vary, in particular channel wall roughness. Several optical systems (backlit imaging, Schlieren imaging and interferometry) have been developed in order to visualize the flow and get quantitative data.Backlit images make it possible to visualize vapor formation in the channel. They are sensitive to density gradients and therefore show shear layers, turbulent structures as well as pressure waves. Since they are rich in information, it is tricky to interpret them and the use of other optical methods is required.This study shows that cavitation appears in the shear layer due to the combined effect of the depression induced by flow detachment at the channel inlet and vortexes caused by instabilities in the shear layer. The comparison of the results obtained from the different optical systems – in particular the pressure fields rebuilt from interferograms – indicates that cavitation does not appear where flow pressure is the lowest in average.It is noticed that some vapor bubbles have a life expectancy much higher than predicted by bubble dynamics models. It is thought that pressure variations of about 20 bar, associated to turbulence, may play a role in this phenomenon.A PIV algorithm applied to couples of backlit images shows that velocity fluctuations largely increase at the channel outlet when vapor cavities develop. The increase gets more significant when cavities are 60 % the channel length.The cavitating flow is mainly dependent on the cavitation number K. The conditions of cavitation inception and development have been quantified in different channels, and geometrical parameters, upstream pressure or temperature have varied. The influence of channel height and radius inlet on cavitation is in line with the literature. At cavitation inception, it is shown that the critical cavitation number Kcrit is dependent on Reynolds number Re. Finally, the influence of wall roughness has been the subject of a specific study. Although it would need to be further investigated, roughness seems to have an influence on cavitation. The samples used during this PhD work suggest that roughness or patterns sufficiently spaced out may delay cavitation inception, and limited roughness (up to Ra = 0.7 μm here) may enhance vapor cavity development.

Dans ce document, nous présentons nos travaux sur les décharges dans l'heptane. L'une des conditions retenue pour ces études est le choix d'un gap micrométrique. Nous avons travaillé avec des gaps compris entre 10 et 150 µm qui correspondent à des tensions de claquage comprises entre 1 et 15 kV. Du claquage jusqu'à 1 µs, la décharge a été caractérisée par ombroscopie et par spectroscopie d'émission optique (SEO). L'ombroscopie a montré que la vitesse de propagation de l'onde de choc et de la bulle est de l'ordre de 1200 m s-1 et 100 m s-1, respectivement. Au-delà de 1 µs, la dynamique de la bulle a été étudiée. Une nouvelle méthode est proposée pour estimer la pression à l'initiation de la décharge. La technique est basée sur la réponse d'une "bulle test" qui se trouve dans le champ acoustique d'une nouvelle décharge dont on veut connaître la pression. Elle est aux environs 80 bar. La SEO a montré une dominance des rayonnements continus pendant les premières 200 ns qui ont été attribués à la recombinaison électron-ion. Au-delà de 200 ns, les rayonnements continus s'effondrent et les raies d'émission deviennent dominantes. L'étude de l'élargissement de la raie H[alpha] de l'hydrogène a montré que la densité électronique peut atteindre 1019 cm-3. En ce qui concerne l'interaction plasma-surface, nous avons pu démontrer que l'impact créé est gouverné par la quantité de charges déposée. Sa morphologie est une résultante d'un équilibre entre la force due à la pression et la force de Marangoni. Nous avons étudié dans une dernière partie la synthèse des nanoparticules de platine (diamètre 5 nm) insérées dans une matrice de carbone hydrogéné présentant un ordre à courte distance / In this document, we report our work on discharges in heptane. One of the specific conditions selected is the choice of a micrometric gap distance. Typically, gaps were between 10 and 150 µm, corresponding to breakdown voltages between 1 and 15 kV. From breakdown up to 1 µs, the plasma discharge was characterized by shadowgraphy and optical emission spectroscopy (OES). Shadowgraphy results showed that the velocities of shock wave and bubble interface are about 1200 m s-1 and 100 m s-1, respectively. Beyond 1 µs, experimental and theoretical studies of the oscillatory dynamics of the bubble are made. Then, we proposed a new method to estimate the pressure at discharge breakdown. The technique is based on the response of a 'test bubble' present in the acoustic field of a new discharge whose pressure is to be known. It is estimated to be about 80 bar. OES, between 300 and 800 nm, showed a dominance of continuous radiations during the first 200 ns which were attributed to electron-ion recombination processes. Beyond 200 nm, continuous radiations collapse and then, the emission lines dominate the spectrum. The study of the H? line broadening showed that the electron density can reach 1019 cm-3. Regarding the interaction of the discharge with the electrode surfaces, we demonstrated that the diameter of the impact is governed by the quantity of charges deposited by the discharge. However, the impact morphology is determined by a balance between the force exerted by the plasma pressure and the Marangoni's force. Finally, we studied the possibility to synthesize platinum nanoparticles (5 nm in diameter) embedded in a matrix of hydrogenated carbon exhibiting a short range order

L'étude de l'injection d'un fluide dans des conditions de hautes pressions reste encore aujourd'hui un challenge. Lorsque la pression critique des fluides est dépassée, l'état supercritique est atteint, faisant disparaître la distinction entre liquide et gaz. Pour ces conditions extrêmes, les données expérimentales sont peu nombreuses et nécessitent d'être consolidées. Dans cette étude, un nouveau banc d'essai a été réalisé au laboratoire CORIA dans le but d'étudier des injections non-réactives d'éthane et de propane dans une atmosphère sub- et supercritique d'azote ou d'hélium. Les données ont été collectées à partir de quatre diagnostics optiques : l'ombroscopie, la DBI, la radiographie et la CBOS. Des informations qualitatives sur la topologie des jets et de leur couche de mélange sont apportées. Des mesures quantitatives de longueur de cœur dense, d'angle d'ouverture et de densité sont complétées par une étude phénoménologique à l'aide de la théorie des mélanges binaires. / Studying a fluid flow under high-pressure conditions through reliable experiments is still nowadays a challenge. When the chamber pressure exceeds the critical pressure of working fluids the supercritical state of matter is reached and the distinction between gas and liquid becomes blurred. For such special conditions, experimental data are scarce and need to be consolidated. In the present study, a new test bench has been designed at CORIA Lab to study the non-reactive injection of ethane and propane into nitrogen or helium under sub- and supercritical conditions. Experimental data are collected from four image-based techniques : shadowgraphy, diffused backlight illumination (DBI), radiography and color background oriented schlieren (CBOS). Qualitative information on topology of the jets and their mixing layer are provided. Quantitative measurements of dense core length, jet spreading angle and density field are supported by a phenomenological study based on binary mixing theory.

L'objectif de ce travail est de contribuer à la modélisation globale du système veineux jambier entrepris par les Laboratoires Innothera, en étudiant deux de ces aspects singuliers. La première partie porte sur les confluences. A l'aide d'une étude numérique validée expérimentalement nous proposons deux modèles permettant, d'une part de prédire la perte de charge singulière d'une confluence en fonction de sa géométrie et de son régime d'écoulement et, d'autre part, de prendre en compte les effets non newtoniens du sang en introduisant une viscosité dont la valeur dépend du débit. La seconde partie porte sur le remplissage et la vidange d'un tuyau souple. A l'aide d'un banc hydrodynamique nous avons développé une méthode de mesure de loi d'état de ces tuyaux et un modèle rendant compte de la cinématique de leur paroi. Enfin, nous avons réalisé la validation d'un code de simulation numérique permettant de résoudre le problème de l'écoulement d'un fluide dans une conduite déformable.

Nous nous intéressons au transport turbulent de particules de taille grande devant l’échelle de Kolmogorov. Cette situation se retrouve à la fois dans les écoulements naturels (comme le transport de sédiments) et dans les écoulements industriels (solutés solides dans un mélangeur par exemple). Pour aborder ce problème, nous étudions la dynamique de particules de taille proche de l’échelle intégrale, de densité égale ou légèrement différente de celle du fluide, dans un écoulement turbulent de von Kármán contra-rotatif, à l’aide d’un montage de suivi lagrangien rapide. L’étude de la dynamique rapide des particules montre une diminution forte des fluctuations selon la taille, mais aussi l’apparition d’un phénomène nouveau : à partir d’une certaine taille, les particules n’explorent plus l’écoulement de façon homogène. Cette exploration préférentielle est liée à la structure moyenne de l’écoulement de von Kármán, qui crée une force de piégeage. Cette force devient alors supérieure aux fluctuations des particules quand leur taille dépasse une taille critique. Une étude dans le régime laminaire, où l’écoulement moyen domine largement les fluctuations, a en effet mis en évidence un piégeage fortement accru. Les particules orbitent alors pendant des temps très longs autour des attracteurs stables des particules fluides de l’écoulement laminaire. Même en régime pleinement turbulent, le déplacement des particules entre ces zones s’effectue sur des durées longues, décorrélées des temps de la dynamique turbulente. Nous avons adapté les outils d’analyse pour caractériser cette dynamique et l’avons comparée à celle de particules isodenses dans un écoulement de von Kármán qui possède deux états asymétriques. Nous avons également élaboré un modèle qui reproduit ces caractéristiques dans les cas symétrique et asymétrique. Ces questions sont intimement liées au transfert de masse ou de chaleur entre une particule et l’écoulement. Nous avons donc aussi étudié la fusion de grosses billes de glace en turbulence développée, analysant l’influence de la taille des billes et de la vitesse de glissement sur le transfert thermique, à l’aide d’un montage d’ombroscopie afocale. Nous avons notamment montré que les grosses billes de glace fondent dans un régime ultime de convection forcée lorsqu’elles sont librement advectées par l’écoulement. / We are interested in the turbulent transport of particles whose size is bigger than the Kolmogorov length scale. This issue takes place as much in natural flows (such as sediment transport) as in industrial flows (solid solute in mixer for instance). To tackle this problem, we study the dynamics of particle with size close to the integral length scale, whose density can be neutral or slightly different from the one of the fluid, in a turbulent counter-rotating von Kármán flow, through a fast Lagrangian tracking setup. Studying the fast scale motions, we find out that the fluctuations decrease strongly with particle diameter, but we also discover a new phenomena: particles bigger than a certain size do not sample the flow homogeneously. This preferential sampling is link to the von Kármán mean structure, which applies a trapping force on the particles, overcoming their fluctuations as their size becomes bigger than a critical size. A study in the laminar flow regime, where the mean flow is much greater than the fluctuations, showed an strongly increased trapping effect. The particles indeed orbit for very long times around stable attractors of the fluid particles of the laminar flow. Even in turbulent regime, the motion of the particle between these areas occurs at long times intervals, in a decorrelated way of the turbulent motion. We adapted our analysis tools to characterize this dynamics, comparing it to the one of large neutrally-buoyant particles in a von Kármán flow which presents two asymmetric states. We also designed a model that can reproduce these characteristics in both symmetrical and asymmetrical cases. These issues are tightly linked to mass or heat transfer between a particle and the carrier flow. Therefore, we also studied the melting dynamics of large ice balls in fully developed turbulence, analyzing the impact of particles size and sliding velocity on the turbulent heat transfer, through an afocal shadowgraphy setup. We showed in particular that large freely advected ice balls melt in the ultimate regime of heat transfer.