Nous reportons dans ce travail le comportement mécanique, dans le régime solide et en écoulement, de matériaux granulaires liés par un liquide non saturant, qui intervient par sa viscosité et par des effets capillaires. De tels matériaux, intermédiaires entre les assemblages granulaires secs et les suspensions très concentrées, sont étudiés expérimentalement et par simulations discrètes depuis la microstructure jusqu'au comportement macroscopique. Ainsi, on adopte une démarche multi-échelle, dont l’objectif est d’établir les fondements de la compréhension des phénomènes capillaires et/ou visqueux, qui interviennent dans la formulation de lois de comportement, et d'y intégrer une caractérisation de la microstructure de ces matériaux. Nous nous intéressons notamment au modèle d'interactions capillaire et visqueuse par ponts simples, dans un cadre où l'on fait varier l'inertie, le degré de confinement, le degré de friction du matériau ainsi que la quantité de liquide introduite. Pour répondre à cet objectif, ce travail de thèse s’articule autour des trois volets suivants :- Un travail de rhéologie expérimentale macroscopique sur matériau modèle (billes de polystyrènes monodisperses, mouillées avec une huile de silicone newtonienne) qui nous permet de délimiter des régimes d'écoulement et de caractériser l'influence de l'effet cohésif. Le format expérimental adopté nous permet de cisailler les échantillons sur des temps très longs et d'atteindre des régimes d'écoulement stationnaires. Ainsi, à l'instar des matériaux secs, on retrouve des régimes quasistatiques puis inertiels à mesure que la vitesse d'écoulement augmente. On met aussi en avant une très forte influence de l'effet cohésif qui tend à augmenter drastiquement la résistance au cisaillement et à diminuer la compacité de nos échantillons.- Des expériences de microtomographie à rayons X qui permettent d'étudier la microstructure à l'état statique. On remarque notamment une bonne homogénéité des échantillons, qu'ils soient faiblement ou fortement saturés. On détecte aussi un nombre non-négligeable de morphologies capillaires complexes, ce qui, par comparaison aux résultats de rhéologie macroscopique, ne semble pas influencer les propriétés d'écoulement. Ce résultat est particulièrement intéressant puisqu’il montre la capacité du modèle d’interactions par pont simple à décrire le comportement de systèmes à priori hors de sa portée descriptive.- Des simulations numériques discrètes qui nous permettent d'élargir fortement la gamme de paramètres étudiés, notamment avec des caractéristiques du matériau comme la friction de Coulomb. L'étude micromécanique, permise par les simulations, autorise aussi l'analyse des questions d'anisotropie, de coordination et de contraintes capillaires. On met en avant l'importance des interactions capillaires à distance lors de l'utilisation d'un modèle de contraintes effectives. Les limites de ce modèle, usuellement adapté à la description du comportement en régime quasi-statique, sont aussi testées et discutées dans le régime inertiel. La bonne concordance entre résultats expérimentaux et numériques nous aura permis de valider et calibrer un modèle numérique qui, en retour, aura donc fourni une analyse viable des effets microstructurels pour la compréhension du comportement et la transition de l'échelle microscopique à l'échelle macroscopique / With this doctoral research, we report on the solid and liquid-like mechanical behaviors of wet granular materials, which exhibit viscous and capillary effects. Such systems, standing between dry and immersed granular materials, are studied both in experiments and discrete numerical simulations, from the microstructural aspects to the mechanical behavior. We therefore adopt a multiscale approach whose purposes are to understand the origins and roles of capillary and viscous effects in constitutive laws and to include a microstructural description within these laws. We are interested in the simple bridge model for the illustration of viscous and capillary effects in the case of quasistatic and inertial flows, where the confining forces, the Coulomb friction and the liquid quantity can vary. To answer such questions, this thesis is articulated around the 3 following topics :- A study based on macroscopic rheological experiments with a simple model material (monodisperse polystyrene beads, wetted with a Newtonian silicon oil) which enables us to distinguish the flow regimes and to characterize the influence of cohesive effects. The experimental framework allows for long time shearing experiments, where the materials can reach their steady state behavior. Alike dry systems, wet granular materials still exhibit a quasistatic and an inertial regime with increasing flow velocity. We show the noticeable influence of capillary effects which strongly increases the shear resistance and reduces the materials density.- X-ray microtomographic experiments enabling the microstructural study of static samples. We witness a good homogeneity of our samples whether slightly or strongly saturated. A non-negligible number of very complex capillary bonds were detected, which stresses, when compared with macroscopic rheological results, their lack of influence on the flow properties. This result is very noticeable as it demonstrates the ability of the simple bridge model to illustrate the behavior of materials which would not be included a priori within its reach.- Discrete numerical simulations allowing us to strongly improve the range of the parameters of the study, especially in the case of material characteristics such as Coulomb friction. The micromechanical study emerging from simulations, allows us to analyze anisotropy, coordination and capillary stresses questions. We underline the great importance of long-range capillary interactions when using an effective stress model. The limits of such model, usually adopted to describe the behavior in the quasistatic regime, are also tested and debated in the inertial regime. The good agreement between numerical and experimental results enabled us to validate and calibrate a numerical model which, in return, offered a reliable analysis of microstructural effects for the understanding of the mechanical behavior and for the transition from the microscopic to the macroscopic scale

L'objectif de ce travail est de contribuer à l'amélioration des mécanismes d'imprégnation d'un renfort fibreux par une résine polymère dans les procédés de mise en œuvre de matériaux composites de type LCM (Liquid Composite Molding). Les études théoriques et expérimentales réalisées se sont focalisées sur les anomalies d'imprégnation pouvant apparaître lors des écoulements. Les défauts couramment observés sont des vides pouvant s'assimiler à des bulles et provenant, en partie, d'une compétition entre les régimes gouvernant les écoulements intra-mèche et inter-mèches. L'analyse de la formation et du transport des bulles au sein d'une structure fibreuse demeure délicate à réaliser du fait de l'architecture complexe de la préforme. Afin de s'exonérer des difficultés rencontrées lors de la visualisation au sein du renfort et pour répondre à cette problématique de vide créé, nous avons fait le choix d'étudier les mécanismes d'imprégnation ainsi que la formation et le transport de bulles dans des réseaux modèles. Une analyse multi-échelles a été adoptée pour nos expérimentations faisant appel à une approche micro et millifluidique où les forces de mouillabilité sont prépondérantes. Les résultats obtenus montrent, dans un premier temps, l'influence de ces forces dans les mécanismes de génération et de transport de bulles et permet de justifier certaines observations proposées dans ce sujet. Un modèle simple basé sur des configurations d'inter-connectivités micropore/macropore a été proposé. Ce modèle permet d'envisager différentes analyses paramétriques selon des configurations géométriques et des régimes d'écoulement variés. Sur cette base, il est possible de prendre en compte différents facteurs et de les comparer à certaines contributions de la littérature dans le domaine de l'imprégnation des milieux fibreux et de la mise en œuvre des composites.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l'étude de l'évolution des régimes d'écoulements diphasiques lors de l'évaporation progressive dans un canal horizontal. Le but est de mieux comprendre l'écoulement à l'intérieur d'un tube récepteur d'une centrale solaire à concentration à génération directe de vapeur. Cette technologie, présentée comme une amélioration des systèmes actuels pouvant permettre une réduction des coûts, consiste en la production de vapeur directement sous l'effet du rayonnement solaire concentré. La prévision de l'écoulement liquide-vapeur alors généré dans le tube est encore de nos jours difficile, c'est pourquoi le recours à la simulation numérique est intéressant. Pour cela un modèle a été développé permettant la simulation de ces écoulements, depuis le début de la création de la vapeur jusqu'à l'existence de larges poches. Basé sur le modèle diphasique VOF du code Fluent, par l'ajout de fonctions personnalisées et d'une phase dispersée supplémentaire, il permet de modéliser différents phénomènes liés au processus d'évaporation : création en paroi, transport, recondensation et création de larges structures. Ce développement a été mis en oeuvre pour simuler des écoulements en évaporation, permettant de reproduire l'évolution des régimes d'écoulement. La validation est faite grâce à une étude expérimentale de la littérature, en comparant les régimes d'écoulements obtenus pour différents débits de liquide et sous l'effet de différents flux de chaleur. Enfin, le modèle a été appliqué à la simulation de la génération de vapeur dans le tube récepteur d'une centrale solaire, mettant en évidence l'apparition et l'évolution des différents régimes d'écoulement. Au vu du peu d'installations expérimentales trouvées dans la littérature sur le sujet, et afin de valider au mieux les fonctions développées, une installation expérimentale a été conçue et dimensionnée. / This PhD thesis is about the study of two-phase flow patterns evolution during progressive evaporation in horizontal tubes. The goal is to better understand the flow regimes inside a receiver tube of a concentrated solar power plant with direct steam generation. This technological evolution allows vapor production directly inside the solar field, which can lead to coast reductions. A two-phase liquid-vapor flow occurs inside the tube, which is currently still difficult to predict. Numerical simulation is an interesting way to investigate these complex phenomena. A model has been developed in order to simulate the flow patterns, from first vapor generation to large vapor slugs. It is based on Fluent software's two-phase VOF model, to which are added user-defined functions and a new dispersed phase. Different phenomena linked to the evaporating process are taken into account: vapor creation at the wall, its transport, recondensation and large structures creation. The model is used to simulate evaporating flows, and retrieves well two-phase flow patterns evolution. Validation is made using experimental data from the literature, by comparing flow regimes obtained for different flow rates and heat fluxes. Finally numerical simulation of direct steam generation inside a concentrated solar plant receiver is conducted, clearly showing apparition and evolution of two-phase flow patterns. Because few experimental data where found in the literature concerning evaporating two-phase flows visualization, a new experimental apparatus has been conceived and sized in order to better validate our numerical results.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l'étude de l'évolution des régimes d'écoulements diphasiques lors de l'évaporation progressive dans un canal horizontal. Le but est de mieux comprendre l'écoulement à l'intérieur d'un tube récepteur d'une centrale solaire à concentration à génération directe de vapeur. Cette technologie, présentée comme une amélioration des systèmes actuels pouvant permettre une réduction des coûts, consiste en la production de vapeur directement sous l'effet du rayonnement solaire concentré. La prévision de l'écoulement liquide-vapeur alors généré dans le tube est encore de nos jours difficile, c'est pourquoi le recours à la simulation numérique est intéressant. Pour cela un modèle a été développé permettant la simulation de ces écoulements, depuis le début de la création de la vapeur jusqu'à l'existence de larges poches. Basé sur le modèle diphasique VOF du code Fluent, par l'ajout de fonctions personnalisées et d'une phase dispersée supplémentaire, il permet de modéliser différents phénomènes liés au processus d'évaporation : création en paroi, transport, recondensation et création de larges structures. Ce développement a été mis en oeuvre pour simuler des écoulements en évaporation, permettant de reproduire l'évolution des régimes d'écoulement. La validation est faite grâce à une étude expérimentale de la littérature, en comparant les régimes d'écoulements obtenus pour différents débits de liquide et sous l'effet de différents flux de chaleur. Enfin, le modèle a été appliqué à la simulation de la génération de vapeur dans le tube récepteur d'une centrale solaire, mettant en évidence l'apparition et l'évolution des différents régimes d'écoulement. Au vu du peu d'installations expérimentales trouvées dans la littérature sur le sujet, et afin de valider au mieux les fonctions développées, une installation expérimentale a été conçue et dimensionnée. / This PhD thesis is about the study of two-phase flow patterns evolution during progressive evaporation in horizontal tubes. The goal is to better understand the flow regimes inside a receiver tube of a concentrated solar power plant with direct steam generation. This technological evolution allows vapor production directly inside the solar field, which can lead to coast reductions. A two-phase liquid-vapor flow occurs inside the tube, which is currently still difficult to predict. Numerical simulation is an interesting way to investigate these complex phenomena. A model has been developed in order to simulate the flow patterns, from first vapor generation to large vapor slugs. It is based on Fluent software's two-phase VOF model, to which are added user-defined functions and a new dispersed phase. Different phenomena linked to the evaporating process are taken into account: vapor creation at the wall, its transport, recondensation and large structures creation. The model is used to simulate evaporating flows, and retrieves well two-phase flow patterns evolution. Validation is made using experimental data from the literature, by comparing flow regimes obtained for different flow rates and heat fluxes. Finally numerical simulation of direct steam generation inside a concentrated solar plant receiver is conducted, clearly showing apparition and evolution of two-phase flow patterns. Because few experimental data where found in the literature concerning evaporating two-phase flows visualization, a new experimental apparatus has been conceived and sized in order to better validate our numerical results.