L'objectif principal de cette thèse est consacré à l'étude de la dynamique et la rhéologie d'une suspension de particules denses qui se comportent comme des fluides complexes. La premier partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la déformation, le comportement dynamique et la rhéologie d'une suspension de vésicule (un modèle simple pour les globules rouges) sous l'action d'un écoulement externe appliqué (cisaillement simple et Poiseuille confiné) dans la limite de faible nombre de Reynolds. L'étude basée sur des simulations numériques en utilisant la méthode des intégrales de frontière. Cette étude est inspirée par le comportement des globules rouges dans le système microvasculaire. Notre étude est ensuite consacrée aux effets du confinement et du nombre capillaire sur la forme, le comportement dynamique et la viscosité effective d'une suspension de vésicules. Nous avons montré que pour des membranes rigides (nombre capillaire petit), on peut observer en plus de la forme parachute et pantoufle, les formes suivantes : (i) forme d'oscillation centrée, (ii) forme d'oscillation décentrée et (iii) la forme cacahuète. Egalement, nous avons examiné l'influence du contraste de viscosité sur la dynamique et la rhéologie d'une vésicule. Nous avons montré qu'il existe une phase de "coexistence" entre la forme pantoufle et la forme parachute. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons proposé un modèle analytique et une étude numérique pour étudier les propriétés dynamiques et rhéologiques d'une suspension de particules rigides sous écoulement de Poiseuille confiné. Le débit, la dissipation et la viscosité apparente sont étudiés en fonction de la structure des plaques dans le canal. Egalement, l'étude numérique d'une suspension de particules sphériques (formes des chaînes de particules) est en accord qualitatif avec le modèle analytique qui considère les longues plaques. Cette étude numérique est basée sur une méthode de la dynamique des particules du fluide, où les particules sont représentées par un champ scalaire ayant une viscosité élevée à l'intérieur.

This thesis focuses on the lattice-Boltzmann method (LBM) and its ability to simulate immiscible two-phase flow. We introduce the main lattice-Boltzmann-based approaches for analyzing two-phase flow: the color-fluid model by Gunstensen, the interparticle-potential model by Shan and Chen, the free-energy model by Swift and Orlandini, and the mean-field model by He. The first objective is to assess the ability of these methods to maintain continuity at the interface of two fluids, especially when the two fluids have different viscosities or densities. Continuity issues have been mentioned in the literature but have never been quantified. This study presents a critical comparison of the four lattice-Boltzmann-based approaches for analyzing two-phase flow by analyzing the results of the two-phase Poiseuille flow for different viscosity ratios and density ratios. The second objective is to present the capability of the most recent version of the color-fluid model for simulating 3D flows. This model allows direct control over the surface tension at the interface. We demonstrate the ability of this model to simulate surface tension effects at the interface (Laplace bubble test), stratified two-phase flows Poiseuille two-phase flow), and bubble dynamics (the free rise of a bubble in a quiescent viscous fluid).

The fast-paced growth in microelectromechanical systems (MEMS), microfluidic fabrication, porous media applications, biomedical assemblies, space propulsion, and vacuum technology demands accurate and practical transport equations for rarefied gas flows. It is well-known that in rarefied situations, due to strong deviations from the continuum regime, traditional fluid models such as Navier-Stokes-Fourier (NSF) fail. The shortcoming of continuum models is rooted in nonequilibrium behavior of gas particles in miniaturized and/or low-pressure devices, where the Knudsen number (Kn) is sufficiently large. Since kinetic solutions are computationally very expensive, there has been a great desire to develop macroscopic transport equations for dilute gas flows, and as a result, several sets of extended equations are proposed for gas flow in nonequilibrium states. However, applications of many of these extended equations are limited due to their instabilities and/or the absence of suitable boundary conditions. In this work, we concentrate on regularized 13-moment (R13) equations, which are a set of macroscopic transport equations for flows in the transition regime, i.e., Kn≤1. The R13 system provides a stable set of equations in Super-Burnett order, with a great potential to be a powerful CFD tool for rarefied flow simulations at moderate Knudsen numbers. The goal of this research is to implement the R13 equations for problems of practical interest in arbitrary geometries. This is done by transformation of the R13 equations and boundary conditions into general curvilinear coordinate systems. Next steps include adaptation of the transformed equations in order to solve some of the popular test cases, i.e., shear-driven, force-driven, and temperature-driven flows in both planar and curved flow passages. It is shown that inexpensive analytical solutions of the R13 equations for the considered problems are comparable to expensive numerical solutions of the Boltzmann equation. The new results present a wide range of linear and nonlinear rarefaction effects which alter the classical flow patterns both in the bulk and near boundary regions. Among these, multiple Knudsen boundary layers (mechanocaloric heat flows) and their influence on mass and energy transfer must be highlighted. Furthermore, the phenomenon of temperature dip and Knudsen paradox in Poiseuille flow; Onsager's reciprocity relation, two-way flow pattern, and thermomolecular pressure difference in simultaneous Poiseuille and transpiration flows are described theoretically. Through comparisons it is shown that for Knudsen numbers up to 0.5 the compact R13 solutions exhibit a good agreement with expensive solutions of the Boltzmann equation.

La déformation et le comportement dynamique d'une vésicule sous l'action d'un écoulement externe appliqué (cisaillement simple et Poiseuille) est étudié dans la limite de faibles nombres de Reynolds. Les cas de géométries non-confinée et confinée sont considérés. On fait usage de plusieurs méthodes: (i) un calcul analytique tridimensionnelle (théorie de faible déformation) (ii) des simulations bidimensionelle (méthodes de Boltzmann sur réseau et intégrale de frontière) dans le but de résoudre les équations hydrodynamiques correspondantes et de suivre explicitement la dynamique de la vésicule. La théorie analytique de faible déformation est utilisée pour construire le diagramme de phase résumant tous les régimes dynamiques connus pour une vésicule (chenille de char, bascule et vacillation-respiration) sous un écoulement de cisaillement. L'impacte de la variation des paramètres, contrôlant la dynamique, sur l'évolution de différentes quantités caractérisant chaque régime dynamique d'une vésicule est présenté. On utilise également la méthode de Boltzmann sur réseau afin de simuler la dynamique d'une vésicule dans une géométrie confinée (e.g. un micro-canal). Comme cas test, les formes d'équilibre d'une vésicule et son mouvement de chenille de char sous cisaillement ont été analysés. L'effet du confinement sur la dynamique de la vésicule a été examiné. La migration latérale d'une vésicule placée dans un écoulement de Poiseuille non-confiné et semi-confiné est traité en utilisant des simulations basées sur la méthode d'intégrale de frontière. Pour le cas de la géométrie non-confinée, on a trouvé que le caractère non linéaire de l'écoulement de Poiseuille combiné à la déformabilité de la vésicule, induit une migration latérale des vésicules vers le centre de l'écoulement. La présence d'une paroi délimitant le fluide externe induit également une force de portance. On a analysé la compétition entre la force de portance due à la paroi et celle du la courbure de l'écoulement de Poiseuille. Une loi donnant la vitesse de migration latérale (en fonction des paramètres caractérisant la vésicule et l'écoulement) est proposée et est en accord avec les résultats expérimentaux .

The Poiseuille Flow is the flow of a viscous incompressible fluid in a channel between two infinite parallel plates. The behaviour of flow is properly described by the well-known Navier-Stokes Equations. The fact that Navier-Stokes equations are partial differential equations makes their solution difficult. They can rarely be solved in closed form. On the other hand, numerical techniques can be applied successfully to the well-posed partial differential equations. In the present study pseudo-spectral method is implemented to analyze the Poiseuille Flow. The pseudo-spectral method is a high-accuracy numerical modelling technique. It is an optimum choice for the Poiseuille flow analysis due to the flows simple geometry. The method makes use of Fourier Transform and by handling operations in the Fourier space reduces the difficulty in the solution. Fewer terms are required in a pseudo-spectral orthogonal expansion to achieve the same accuracy as a lower order method. Karhunen-Lo&egrave / ve (KL) decomposition is widely used in computational fluid dynamics to achieve reduced storage requirements or construction of relatively low-dimensional models. In this study the KL basis is extracted from the flow field obtained from the direct numerical simulation of the Poiseuille flow.

No description available.

The research area of current PhD thesis is the analysis of time periodic Navier-Stokes equations in domains with cylindrical outlets to infinity. The objects of investigation is so called non-statonary Poiseuille solution in the straight cylinder and Navier-Stokes equations in system of cylinders. / Disertacijoje nagrinėjami Navjė-Stokso lygčių periodiniai laiko atžvilgiu uždaviniai srityse su cilindriniais išėjimais į begalybę. Pagrindiniai tyrimo objektai yra taip vadinami Puazelio sprendiniai tiesiame cilindre ir Stokso, bei Navjė-Stokso lygčių sistemos cilindrų sistemoje.

Cette thèse est consacrée au développement d'une méthode numérique visant à modéliser des écoulements dans des milieux poreux fissurés, ainsi qu'à déterminer leur perméabilité effective à partir des avancements théoriques récents. En parallèle, elle a été aussi l'occasion de continuer sur la voie théorique et d'obtenir de nouveaux résultats sur ce plan.Les équations générales gouvernant l'écoulement dans de tels matériaux sont rappelées, et plus particulièrement, la conservation de la masse à l'intersection entre fissures est établie explicitement [132, 139]. Des solutions générales du potentiel sont proposées sous la forme d'une équation intégrale singulière décrivant l'écoulement dans et autour des fissures entourées par une matrice infinie soumise à un champ lointain [136, 139]. Ces solutions représentent le champ de pression dans le milieu infini en fonction de l'infiltration dans les fissures qui prennent en compte complètement l'interaction et l'intersection entre fissures. En considérant le problème d'une fissure super-conductrice, des solutions analytiques de l'écoulement ont été développées et ces solutions sont utilisées comme cas de référence pour valider la solution numérique. De plus, la solution théorique de ce problème dans le cas 3D permet de comparer le modèle d'écoulement de Poiseuille dans une fissure elliptique d'épaisseur nulle et le modèle d'inclusion ellipsoïdale aplatie soumise à l'écoulement de Darcy [140]. Des outils numériques ont été développés en se basant sur la méthode des équations intégrales singulières afin de résoudre les équations générales du potentiel [132, 180]. Cela permet, d'une part, de modéliser l'écoulement stationnaire dans un domaine poreux contenant un grand nombre de fissures et, d'autre part, de proposer une solution semi-analytique de l'infiltration dans une fissure isolée dépendant de la perméabilité de la matrice, de la conductivité de la fissure et de la variable géométrique de la fissure. Cette dernière est l'élément essentiel pour déterminer de la perméabilité effective d'un milieu poreux fissuré en utilisant des schémas d'homogénéisation. Ce modèle auto-cohérent révèle un seuil de percolation qui est alors applicable pour l'estimation de la perméabilité effective d'un matériau contenant un grand nombre de fissures. L'approche par sous-structuration permet l'extension de la solution générale du potentiel, écrite pour un domaine infini, à celle d'un domaine fini [181]. Une solution analytique de l'écoulement dans et autour d'une fissure partiellement saturée est établie, fondée sur la solution analytique pour la fissure super-conductrice. Celle-ci est alors utilisée pour estimer la perméabilité effective d'un milieu poreux fissuré non-saturé [141]. Le modèle de la perméabilité effective est appliqué dans le contexte du stockage géologique du CO2 en vue d'étudier le comportement d'une zone de faille constituée par un noyau argileux et des zones fissurées. La pression d'injection provoque l'augmentation de la pression interstitielle dans le réservoir. Cette surpression engendrée dans le réservoir peut affecter la perméabilité de zones fissurées ce qui conduit à des phénomènes hydromécaniques couplés. Les résultats de simulations numériques permettent d'évaluer, d'une part, le risque de la remontée de la saumure à l'aquifère supérieur, et d'autre part, le risque de l'initiation d'une rupture sur le plan de la faille

The linear stability of high speed-viscous plane Couette and Couette-Poiseuille flows are investigated numerically. The conservation equations along with Sutherland&amp / #65533 / s viscosity law are studied using a second-order finite difference scheme. The basic velocity and temperature distributions are perturbed by a small-amplitude normalmode disturbance. The small-amplitude disturbance equations are solved numerically using a global method using QZ algorithm to find all the eigenvalues at finite Reynolds numbers, and the incompressible limit of these equations is investigated for Couette-Poiseuille flow. It is found that the instabilities occur, although the corresponding growth rates are often small. Two families of wave modes, Mode I (odd modes) and Mode II (even modes), were found to be unstable at finite Reynolds numbers, where Mode II is the dominant instability among the unstable modes for plane Couette flow. The most unstable mode for plane Couette &amp / #65533 / Poiseuille flow is Mode 0, which is not a member of the even modes. Both even and odd modes are acoustic modes created by acoustic reflections between a will and a relative sonic line. The necessary condition for the existence of such acoustic wave modes is that there is a region of locally supersonic mean flow relative to the phase speed of the instability wave. The effects of viscosity and compressibility are also investigated and shown to have a stabilizing role in all cases studied. Couette-Poiseuille flow stability is investigated in case of a choked channel flow, where the maximum velocity in the channel corresponds to sonic velocity. Neutral stability contours were obtained for this flow as a function if the wave number,Reynolds number and the upper wall Mach number. The critical Reynolds number is found as 5718.338 for an upper wall Mach number of 0.0001, corresponding to the fully Poiseuille case.

Ce travail de thèse concerne les écoulements de fluides à seuil de contrainte autour d‘un obstacle cylindrique en milieu confiné avec une configuration d‘écoulement de Poiseuille.Expérimentalement, un banc d‘essai permettant d‘obtenir un écoulement en continu dans un circuit fermé a été mis en place. Les régimes d‘écoulement rampant, recirculant et instationnaire périodique ont été étudiés. De nouveaux résultats ont été obtenus avec un fluide newtonien et des solutions de Carbopol, polymère permettant de réaliser des fluides à seuil modèles utilisés en recherche et développement et dans l‘industrie. Une caméra rapide et un éclairage plan laser a servi pour l‘établissement d‘images qui ont ensuite été traitées par PIV. Les champs de vitesses cinématiques, les morphologies d‘écoulement et les paramètres critiques de transitions de régimes ont été déterminés.Numériquement, un modèle viscoplastique basé sur la loi de Herschel-Bulkley régularisée a été utilisé. Des résultats comme les morphologies d‘écoulement, la localisation des zones rigides, les champs de vitesses ont été obtenus. Ceci a permis de comparer les différences entre les effets liés à la nature des gels de Carbopol et la modélisation viscoplastiques. Une étude spécifique sur le glissement à l‘interface fluide-structure a également été réalisée avec l‘utilisation d‘un modèle de lubrification élasto-hydrodynamique. / The flow of yield stress fluids around a circular cylinder in a confined geometry has been investigated with a Poiseuille flow configuration.Experimentally, a test set-up was built which provides a continuous flow in a closed loop. We studied creeping, recirculating and vortex shedding flow regimes. New results has been realised with a Newtonian fluid and Carbopol solutions, models for yield stress behaviour in laboratory experiments and in industry. A high speed camera and a laser sheet have been used to perform images which are treated by PIV. Kinematic fields, flow morphologies and critical transition parameters have been determined.Numerically, a viscoplastic model based on the regularised Herschel-Bulkley law has been used. Results as flow morphologies, rigid areas and local flow parameters fields have been performed. That allowed us to compare the intrinsic effects of Carbopol solutions and the viscoplastic numerical model. A specific study on the wall slip has also been considered with an elasto-hydrodynamic lubrication model.