Ces travaux concernent l’étude expérimentale des textures se développant dans les ménisques de films smectiques de cristaux liquides thermotropes. Ces fluides complexes nous servent de système modèle pour l’étude des couplages élasto-capillaires qui se manifestent dans certaines conditions par des déformations périodiques de l’interface cristal liquide-air. Dans un premier temps, à partir de l’étude détaillée de la topographie de l’interface par une méthode interférométrique, nous caractérisons les différents types de structures, puis, identifions les principaux paramètres impliqués dans le processus d'apparition des défauts dans le ménisque de films libres suspendus. Ces résultats nous servent de base pour discuter des mécanismes physiques qui génèrent les différents types de défauts observés. Nous regardons en particulier, comment la diminution d’épaisseur de couche associée à une transition de phase va induire une instabilité mécanique responsable de l’apparition des ondulations de l’interface. Dans un deuxième temps, afin d’aller plus loin dans la compréhension des mécanismes, nous avons utilisé des films minces de cristaux liquides déposés sur des substrats solides microstructurés par des plots fabriqués par des techniques photolitographiques. Une telle géométrie permet de générer un ménisque autour de chaque plot et surtout de faire varier un plus grand nombre de paramètres comme par exemple l’ancrage sur le substrat via un traitement chimique de surface. L’ensemble de nos résultats apportent un éclairage nouveau sur la caractérisation et la compréhension des déformations spécifiques aux ménisques de fluides complexes. / The present work is an experimental study of the textures that appear in the meniscus of free standing smectic films with thermotropic liquid crystals. These complex fluids serve as model systems to investigate elasto-capillary phenomena which, under certain conditions, manifest themselves through periodic deformations of the liquid crystalair interface. In the first part of the thesis, we focus our attention on meniscus structures whose interfacial topographies are thoroughly characterized thanks to an in-house optical interferometry technique. Our study allows us to identify the main parameters involved in the development of meniscus structures and to discuss the physical mechanisms that are likely to be responsible for their formation. In particular, we show how a phase transition-induced layer shrinkage triggers a mechanical instability leading to interfacial undulations of the smectic free surface. In the second part of the manuscript, we address the case of thin liquid crystal films deposited on solid patterned solid substrates. The latter consist of regular arrays of microposts fabricated through photolithographic techniques. Such a geometry allows a meniscus to be formed around each micropost and makes it possible to examine the influence of other parameters such as the anchoring conditions on the solid substrate. The results gathered so far are able to shed some light on the characterization and the understanding of the specific deformations and textures that appear in the menisci of complex fluids.

Des questions fondamentales concernant les propriétés de diffusion des systèmes biologiques dans des conditions isothermes et non-isothermes restent en suspens en raison de l’absence de techniques expérimentales capables de visualiser et de mesurer les phénomènes de diffusion avec une très bonne précision. Il existe en conséquence un besoin de développer de nouvelles techniques expérimentales permettant d’approfondir notre compréhension des phénomènes de diffusion. La convection naturelle en cavité tridimensionnelle inclinée est elle-aussi très peu étudiée. Cette inclinaison de la cavité peut correspondre à un léger défaut expérimental ou être imposée volontairement. Dans cette thèse, nous étudions les phénomènes de transport de chaleur et de masse en cavité parallélépipédique, nous intéressant particulièrement à la thermodiffusion en situation sans convection et à la convection naturelle en fluide pur (sans thermodiffusion). La diffusion de masse est étudiée à l’aide d’une nouvelle technique optique, tandis que la convection naturelle est tout d’abord étudiée en détails avec une méthode numérique sophistiquée, puis visualisée expérimentalement à l’aide du même système optique que pour les mesures de diffusion. Nous présentons l’interféromètre optique de haute précision développé pour les mesures de diffusion. Cet interféromètre comprend un interféromètre polarisé de Mach–Zehnder, un polariseur tournant, une caméra CCD et un algorithme de traitement d’images original. Nous proposons aussi une méthode pour déterminer le coefficient de diffusion isotherme en fonction de la concentration. Cette méthode, basée sur une analyse inverse couplée à un calcul numérique, permet de déterminer les coefficients de diffusion à partir des profils de concentration transitoires obtenus par le système optique. Mentionnons de plus que c’est la première fois que la thermodiffusion est visualisée dans des solutions aqueuses de protéines. La méthode optique proposée présente trois avantages principaux par rapport aux autres méthodes similaires : (i) un volume d’échantillon réduit, (ii) un temps de mesure court, (iii) une stabilité hydrodynamique améliorée. Toutes ces méthodes ont été validées par des mesures sur des systèmes de référence. La technique optique est d’abord utilisée pour étudier la diffusion isotherme dans des solutions de protéines : (a) dans des solutions binaires diluées, (b) dans des solutions binaires sur un large domaine de concentration, (c) dans des solutions ternaires diluées. Les résultats montrent que (a) le coefficient de diffusion isotherme dans les systèmes dilués décroit avec la masse moléculaire, comme prédit grossièrement par l’équation de Stokes-Einstein ; (b) la protéine BSA a un comportement diffusif de type sphère dure et la protéine lysozyme de type sphère molle ; (c) l’effet de diffusion croisée est négligeable dans les systèmes ternaires dilués. La technique optique est aussi utilisée (d) dans des solutions binaires diluées non-isothermes, révélant que les molécules d’aprotinin (6.5 kDa) et de lysozyme (14.3 kDa) sont, respectivement, thermophiliques et thermo-phobiques, quand elles sont en solutions aqueuses à température ambiante. Enfin, la technique optique est utilisée pour l’étude de la convection de Rayleigh-Bénard en cavité cubique horizontale. Puisque la convection peut aussi être étudiée de façon réaliste en utilisant les équations de Navier-Stokes, une analyse numérique de bifurcation est proposée, permettant une étude approfondie de la convection naturelle dans des cavités tridimensionnelles parallélépipédiques. Pour cela, une méthode de continuation a été développée à partir d’un code aux éléments finis spectraux. La méthode numérique proposée est particulièrement bien adaptée aux études de convection correspondant à des diagrammes de bifurcation complexes. [...] / Fundamental questions concerning the mass diffusion properties of biological systems under isothermal and non-isothermal conditions still remain due to the lack of experimental techniques capable of visualizing and measuring mass diffusion phenomena with a high accuracy. As a consequence, there is a need to develop new experimental techniques that can deepen our understanding of mass diffusion. Moreover, steady natural convection in a tilted three-dimensional rectangular enclosure has not yet been studied. This tilt can be a slight defect of the experimental device or can be imposed on purpose. In this dissertation, heat and mass transfer phenomena in parallelepiped enclosures are studied focusing on convectionless thermodiffusion and on natural convection of pure fluids (without thermodiffusion). Mass diffusion is studied with a novel optical technique, while steady natural convection is first studied in detail with an improved numerical analysis and then with the same optical technique initially developed for diffusion measurements. A construction of a precise optical interferometer to visualize and measure mass diffusion is described. The interferometer comprises a polarizing Mach–Zehnder interferometer, a rotating polariser, a CCD camera, and an original image-processing algorithm. A method to determine the isothermal diffusion coefficient as a function of concentration is proposed. This method uses an inverse analysis coupled with a numerical calculation in order to determine the diffusion coefficients from the transient concentration profiles measured with the optical system. Furthermore, thermodiffusion of protein molecules is visualized for the first time. The proposed method has three main advantages in comparison to similar methods: (i) reduced volume sample, (ii) short measurement time, and (iii) increased hydrodynamic stability of the system. These methods are validated by determining the thermophysical properties of benchmark solutions. The optical technique is first applied to study isothermal diffusion of protein solutions in: (a) dilute binary solutions, (b) binary solutions with a wide concentration range, and (c) dilute ternary solutions. The results show that (a) the isothermal diffusion coefficient in dilute systems decreases with molecular mass, as roughly predicted by the Stokes-Einstein equation; (b) BSA protein has a hard-sphere-like diffusion behaviour and lysozyme protein a soft sphere characteristic; and (c) the cross-term effect between the diffusion species in a dilute ternary system is negligible. The optical technique is then applied to (d) non-isothermal dilute binary solutions, revealing that that the aprotinin (6.5 kDa) and lysozyme (14.3 kDa) molecules are thermophilic and thermophobic, respectively, when using water as solvent at room temperature. Finally, the optical technique is applied to study Rayleigh-Bénard convection in a horizontal cubical cavity. Since natural convection can be studied in more depth by solving the Navier-Stokes equations, a bifurcation analysis is proposed to conduct a thorough study of natural convection in three-dimensional parallelepiped cavities. Here, a continuation method is developed from a three-dimensional spectral finite element code. The proposed numerical method is particularly well suited for the studies involving complex bifurcation diagrams of three-dimensional convection in rectangular parallelepiped cavities. This continuation method allows the calculation of solution branches, the stability analysis of the solutions along these branches, the detection and precise direct calculation of the bifurcation points, and the jump to newly detected stable or unstable branches, all this being managed by a simple continuation algorithm. This can be used to calculate the bifurcation diagrams describing the convection in tilted cavities. [...]

Ce manuscrit de thèse de doctorat présente la conception et la réalisation d’un système d’imageriepour le diagnostic précoce des pathologies de la peau. Un diagnostic précoce permet de réduire lesactes chirurgicaux inutiles. Il est important de mettre en avant que seulement 20% des pathologiesfaisant office d’une opération chirurgicale, sont malignes. De plus, les pronostics de l’année 2015avançaient trois millions de nouveaux cas de cancer de la peau diagnostiqués aux ´ Etats-Unis. Basésur la tomographie par cohérence optique à balayage en longueur d’onde et une configuration pleinchamp et multi-canaux, le système d’imagerie médicale est capable d’imager en volume les couchesinternes de la peau et donc de fournir un diagnostic médical pour le professionnel de santé. Pourune fabrication en série du système portatif, les composants optiques sont micro-fabriqués sur dessubstrats et assemblés verticalement. Ces micro-composants optiques requièrent une caractérisationspécifique. Pour cela, deux systèmes ont ainsi été développés pour estimer leurs performancesoptiques. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Européen VIAMOS (Vertically IntegratedArray-type Mirau-based OCT System). / The manuscript concerns the optical design and the development of a non-invasive new imagingsystem for the early diagnosis of skin pathologies. Indeed, an early diagnosis can make the differencebetween malignant and benign skin lesion in order to minimize unnecessary surgical procedure.Furthermore, prognosis for the year 2015 was that more than three millions new skin cancer caseswill be diagnosed in the United States. Based on the swept source optical coherence tomographytechnique in full-field and multiple channels configuration, the imaging system is able to perform avolumetric image of the subsurface of the skin, and thus can help in taking a better medical decision.Furthermore, for a batch-fabrication of the hand-held device, micro-optical components were made atwafer-level and vertically assembled using multi-wafer bonding. This miniaturized system requiresspecific characterization. Thus, two systems were also developed for imaging quality evaluation ofmicro-optical elements. This work has been supported by the VIAMOS (Vertically Integrated ArraytypeMirau-based OCT System) European project.

<p>  </p> <p>Part I studies the lubricant sprays and droplets in a rotary compressor. Air conditioning (AC) systems are now widely used in residential and commercial environments, while the compressor is the most important element in the AC system, and rotary compressors are often used in split AC appliances, whose number is estimated to reach 3.7 billion in 2050. In a rotary compressor, the lubricant oil atomizes into small droplets due to the differential pressure in and out of the cylinder. Part of the lubricant oil droplets carried by the refrigerant vapor will ultimately exhaust from the compressor through the discharge pipe. The ratio of the discharged oil volume to the total oil volume is characterized as the Oil Discharge Ratio (ODR). High ODR will reduce the reliability of the compressor and deteriorate the heat transfer of the condenser and the evaporator, resulting in decreased efficiency. Thus, controlling the ODR is a key issue for the design of the rotary compressor.</p> <p>In Part I, rotary compressors were modified to provide optical access into its internal space, i.e., the lower cavity (refers to the space between the cylinder and the motor), above the rotor/stator, and at the discharge tube level. The modified rotary compressors’ operation was supported by a test rig which provided a wide range of operating conditions, e.g., pressure and frequency. Thus, in-situ optical measurements, e.g., shadowgraph and holograph, can be performed to visualize the lubricant sprays and droplets in the rotary compressor. An image processing routine containing the Canny operator and Convolutional Neural-Network was developed to identify droplets from high-resolution shadowgraph images, while Particle Image Velocimetry (PIV) and Optical Flow Velocimetry (OFV) were applied to calculate the spray and droplet’s velocities with time-resolved shadowgraph images. Parallel Four-Step Phase Shifting Holograph (PFSPSH) located the droplets’ positions in a three-dimensional volume under the specific operating condition.</p> <p>Both primary and secondary atomization were observed in the rotary compressor, while primary atomization is the major source of droplet production. The droplet size distributions versus the frequency, vertical direction, radial direction, and pressure are obtained. It is observed that the droplet characteristic mean diameters increase with the frequency and pressure. They also become larger in the outer region above the rotor/stator and keep constant in the radial direction at the discharge tube level. The penetration velocity of the lubricant spray is calculated in the lower cavity. An outward shift of the jet core combined with an outward velocity component was observed. Additionally, horizontal swirling velocity above the rotor/stator and at the discharge tube level and the vertical recirculation velocity above the rotor/stator are characterized. The volume fraction of droplets was also characterized under the specific operating condition. The results provide detailed experimental data to set up the boundary conditions used in CFD. They also show that the droplets in the upper cavity are mostly from the discharge process of the cylinder in the lower cavity. The results support a droplet pathway model in the rotary compressor, which can guide the optimization of future rotary compressors.</p> <p>Evaporation is commonly seen in hydrology, agriculture, combustion, refrigeration, welding, etc. And it always accompanies heat and mass transfer at the liquid-gas interface and is affected by the substance’s properties, the environment’s pressure, temperature, convection, and so on. PFSPSH in Part I aims to retrieve the phase information for holograph reconstruction. Part II further explores the application of the PFSPSH technology in Part I to observe the evaporation process of acetone, where the phase disturbance caused by the vapor is used to reconstruct the vapor concentration in space. The method is called Parallel Four-Step Phase Shifting Interferometer (PFSPSI). The first case studies the evaporation process of the acetone contained in a liquid pool with uniform air flow in a low-speed wind tunnel. The mole fractions of the acetone vapor near the liquid-air interface with different air speeds are characterized. The second case studies the evaporation process of acetone droplets levitated by an ultrasound levitator. The mole fraction of the acetone vapor near the liquid-air interface is characterized by assuming an axisymmetric field and using the analytical solution of the inverse Abel transform. The asymmetric pattern of the acetone vapor field is observed, which is considered due to the drastic sound pressure change at the stand wave location produced by the ultrasound levitator. The mass transfer of the evaporation process by the vapor’s mole fraction is calculated and compared with the mass transfer calculated by the droplet size change. It is observed that the mass transfer by the vapor’s mole fraction is generally smaller than the mass transfer calculated by the droplet size change, which can be explained by the convection process induced by the acoustic streaming.</p>