L'anisotropie est une caractéristique du comportement mécanique des sols dont l'existence est bien connue dans le cas des sols surconsolidés ou déposés par couches au cours de leur formation. Généralement cette caractéristique est négligée dans les projets et ignorée lors des études en laboratoire. L'hypothèse du comportement isotrope des sols est ainsi très largement utilisée en pratique pour des raisons de simplification des calculs et de facilité de dimensionnement des ouvrages. L'emploi des lois de comportement isotrope pour un matériau anisotrope ou la non prise en compte de l'anisotropie dans les calculs des massif de sols entraîne une mauvaise appréciation de la stabilité des ouvrages en service. Une démarche d'observation et de mise en évidence de l'anisotropie a donc été mise en oeuvre durant ce travail afin de cerner l'influence de ce phénomène. Nous avons étudié à ces fins deux types principaux d'anisotropie des sols :<br />-l'anisotropie induite, cas des sols « homogènes » ayant un comportement anisotrope, due à des surcharges historiques,<br />-l'anisotropie inhérente, cas de l'anisotropie structurelle des sols. Nous avons suivi un programme expérimental s'appuyant sur une étude en laboratoire d'éprouvettes de sol reconstitué qui n'étaient pas destinées à simuler un sol naturel précis mais à présenter une forte anisotropie afin que l'on puisse l'observer sans équivoque. Nous avons voulu simplement créer un comportement de référence pour les sols anisotropes et étudier leur comportement anisotrope. Le travail a consisté à étudier en laboratoire le comportement de sols à anisotropie matérielle ou de chargement sous chemins de sollicitation triaxiaux pour caractériser :<br />-l'évolution du domaine élastique des petites aux grandes déformations,<br />-l'apparition de la plasticité et lors de l'atteinte de la surface de charge,<br />-la loi d'écoulement expérimentale. La forme de la surface de charge et l'influence de l'anisotropie transverse sur la loi d'écoulement sont en effet des éléments importants du comportement du sol à proximité des ouvrages de génie civil tels que les parois de soutènement, les fondations ou les tunnels. Une des retombées du travail expérimental a été de tester des modèles de comportement utilisés classiquement pour ces types de sollicitations, dans les outils de calcul comme la modélisation des ouvrages par éléments finis.

L'argile est utilisée avec des polymères en solution dans de nombreuses applications telles que les boues de forage ou encore pour rendre les fibres textiles résistantes au feu. Du fait de la structure très particulière des particules d'argile, avec plusieurs échelles d'association de feuillets, les propriétés rhéologiques de dispersions d'argile dans des solutions de polymère dépendent fortement de l'histoire mécanique du matériau. Une étude de vieillissement des dispersions d'argile dans les solutions aqueuses de CMC a montré l'effet du temps, en particulier sur l'existence d'un seuil de contrainte et son évolution. Les mesures rhéologiques mettent en évidence des comportements de type " gel ". Ils résultent de la formation, au sein du fluide, de réseaux élastiques de nature différente selon la phase continue utilisée. Dans l'eau, les particules partiellement exfoliées s'associent entre elles selon des mécanismes qui dépendent du pH. Alors que dans la solution de polymère, il semble que des agrégats de particules soient connectés entre eux par l'intermédiaire des chaînes macromoléculaires. L'influence de la température et du pH sur les propriétés rhéologiques a été examinée. Plusieurs expériences indépendantes ont montré une évolution non monotone des caractéristiques mécaniques des fluides lorsque la température augmente. Ceci peut s'expliquer en invoquant un accroissement de la mobilité des chaînes favorisant l'ouverture des agrégats se dissociant en agrégats de plus petite taille. Le contrôle du pH quant à lui permet de modifier les interactions particule-particule et particule-polymère et, de ce fait, d'agir sur les propriétés mécaniques des gels formés.

Les conditions de déplacement de l'huile en géométries simples sont étudies en fonction des caractéristiques bien identifiables de fluides viscoélastiques. Dans ces expériences de déplacement immiscible, une huile de viscosité inférieure sera déplacée par un fluide newtonien de référence et par des fluides viscoélastiques que nous allons choisir, formuler et caractériser. Les expériences de déplacement dans une cellule Hele-Shaw mettent en évidence que le caractère élastique des formulations modifie les conditions de déplacement, surtout à vitesses élevées. De même nous pouvons observer une série d'expériences où la tension interfaciale du système fluide - huile a été diminuée pour monter que l'effet de l'élasticité apparaît sous ces conditions. Nous pouvons aussi observer comme les tendances se maintiennent à niveau microscopique, où la pénétration des fluides viscoélastiques dans des pores modèle est plus prononcée par rapport a un fluide newtonien. Finalement nous proposons un modèle simple qui prend en compte les propriétés élastiques des fluides en la déformation de l'interface fluide / huile que donne comme résultat une différence dans le déplacement immiscible quand on compare par rapport aux fluides newtoniens

Ce travail de thèse porte sur les liens entre les conditions opératoires du procédé de mise en œuvre par mélange à l'état fondu et la structure de nanocomposites polypropylène/argile, ainsi que sur l'influence de l'état de dispersion de l'argile sur les propriétés mécaniques des matériaux obtenus. L'étude est basée sur des essais expérimentaux. Les analyses structurales sont réalisées en s'appuyant sur la rhéologie, la diffraction de rayons X ainsi que sur des observations en microscopie électronique.Les études en mélangeur interne ont montré, d'une part, que l'augmentation de la concentration en agent compatibilisant (PP-g-MA) favorise la dispersion de l'argile à l'échelle manométrique tout en augmentant la fragilité des nanocomposites, et d'autre part, que le mélange par voie mélange maître permet d'améliorer considérablement l'état de dispersion comparativement à la voie directe. Les essais réalisés en extrusion bivis corotative ont permis de mettre en évidence l'impact de la vitesse de rotation des vis (N), du débit d'alimentation (Q) et de la température de régulation (Trég) sur l'état de dispersion. L'influence de ces trois variables peut être décrite à l'aide d'un paramètre unique : l'énergie mécanique spécifique (EMS). L'accroissement de l'EMS entraîne une augmentation du niveau d'exfoliation jusqu'à une valeur critique au-delà de laquelle les conditions opératoires ne semblent plus influencer l'état de dispersion. Une relation entre le module de Young des nanocomposites et le niveau d'exfoliation a été établie. Le logiciel LUDOVIC© nous a permis de montrer que l'EMS permet également une bonne description de la progression de l'état de dispersion le long du profil d'extrusion. Enfin, l'étude du comportement thixotrope des nanocomposites à l'état fondu a notamment permis de comprendre que le principe de superposition temps-température ne s'applique pas systématiquement aux nanocomposites étant donné leur caractère évolutif.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la dynamique et de la rhéologie des fluides complexes. Nous utilisons une méthode de simulation numérique à trois dimensions. Les systèmes que nous étudions ici sont des suspensions de micro-nageurs actifs, des suspensions de particules sphériques rigides en présence d'un champ externe auquel elles sont sensibles et de la dynamique de suspensions de particules sphériques et confinées en cisaillement. Les Micro-nageurs sont les objets microscopiques qui se propulsent dans un fluide et ils sont omniprésents dans la nature. Un exemple commun de micro-nageurs est la micro-algue textit{Chlamydomonas} . Un des buts principaux de cette thèse est de comprendre l'effet de la motilité de ces micro-organismes sur les propriétés macroscopiques globales de la suspension, telles que la viscosité effective pour expliquer les observations expérimentales. Nous avons élaboré différents modèles de suspensions de textit{Chlamydomonas} et effectué des simulations numériques utilisant la version 3D de la dynamique des particules fluides (FPD) (méthode expliquée dans cette thèse). Les résultats de nos simulations numériques ont été présentés et discutés à la lumière des observations expérimentales. Un des modèles proposés intègre tous les phénomènes observés expérimentalement et sont applicables à d'autres types de suspensions de micro-nageurs. Cette thèse consacre également un chapitre sur les effets du confinement sur la dynamique de cisaillement des suspensions diluées de particules sphériques. Nous avons constaté que dans la géométrie confinée, la vitesse angulaire des particules diminue par rapport à celle imposée par l'écoulement de cisaillement. La vitesse angulaire des particules diminue également lorsque la particule est proche d'une paroi unique et la vitesse de translation de la particule par rapport à la vitesse de la paroi diminue. Un autre objectif de cette thèse est d'étudier les suspensions à viscosité effective ajustable. Nous avons mené une étude numérique sur des suspensions de particules sphériques en présence d'un couple externe. Nous avons montré que le changement de vitesse angulaire des particules due à l'application d'un couple externe est suffisante pour modifier fortement la viscosité de la suspension. Basée sur des simulations numériques, une formule semi-empirique a été proposée pour la viscosité des suspensions de particules sphériques valables jusqu'à 40% de concentration. Nous avons également montré que la 2ème loi de Faxén peut être étendue par une expression empirique pour de grandes concentrations.

Le trempage est un procédé permettant de retirer autour d'un objet ou d'un moule une fine couche de matière après immersion de ce dernier dans un bain de liquide. Ce procédé est largement employé dans diverses industries telles que dans des applications protectrices ou de décorations ou encore pour obtenir des objets de formes creuses (implants mammaires, gants, préservatifs ou gélules). L'avantage du trempage est qu'il est très simple d'utilisation ; cependant, il est difficile de contrôle l'épaisseur extraite et sa répartition autour de l'objet. L'objectif de cette thèse est de modéliser numériquement ce procédé pour ensuite être capable de prédire l'épaisseur extraite et sa répartition autour du moule. Pour cela, la modélisation s'est faite en résolvant les équations mécaniques et thermiques dans le bain à l'aide d'une approche Lagrangienne par éléments finis accompagnée de remaillage. La tension de surface, force importante puisqu'elle permet entre autre d'éviter des instabilités en surface, a été intégrée grâce à une méthode basée sur la reformulation de la courbure à l'aide de l'opérateur de Laplace-Beltrami. Pour enrichir la modélisation, une série d'expérimentation ont également été menées pour caractériser les fluides employés.

L'amidon utilisé comme épaississant alimentaire présente tout d'abord un intérêt nutritif mais offre également une meilleure perception du goût comparé à d'autres épaississants de type hydrocolloide. Cette propriété semble liée à la capacité des produits à se mélanger en bouche et donc à la diffusion des agents de flaveurs aux récepteurs. Un paramètre physique qui pourrait refléter la capacité à se mélanger serait la facilité d'une goutte de cet épaississant à rompre lorsque celle-ci est soumise à un cisaillement. Le but de cette étude est de comprendre le comportement d'une goutte de suspension de granules d'amidon, gonflés dans l'eau, sous écoulement et de le comparer à une goutte d'un autre épaississant connu, la solution aqueuse de hydoxyproplmethyl cellulose (HPMC). Les gouttes, placées dans l'huile de silicone, sont étudiées sous cisaillement à l'aide d'un rhéo-optique contra-rotatif. Les conditions de rupture d'une goutte de suspension d'amidon sont étudiées en détails et comparées à celle d'une goutte d'HPMC. Le mécanisme de rupture d'une goutte de suspension est différent comparé à une goutte de solution d'HPMC. La déformation d'une goutte de suspension a été liée au comportement rhéologique de la suspension et à la déformation d'un granule seule gonflé sous cisaillement.

La formation d’émulsions stables eau/huile lors des processus de récupération et de raffinage du pétrole peut impacter défavorablement l’efficacité de ces opérations. Bien que résines et asphaltènes soient généralement tenus pour responsables de la stabilité des émulsions, la composition exacte des molécules présentes à l’interface eau/huile est en réalité assez mal connue. L’identification de ces molécules et la connaissance de leur influence sur la propriété des interfaces est une étape nécessaire pour mieux prédire les problèmes de stabilité des émulsions dans l’industrie pétrolière. Cette thèse présente des résultats de caractérisation analytique par GPC-ICP-HRMS et FTMS du matériel interfacial (IM) extrait de quatre bruts différents et des espèces transférées dans la phase aqueuse lorsque ces bruts contactent l’eau, ainsi que des propriétés rhéologiques en cisaillement et en dilatation des interfaces eau/huile en présence de ces composés. Les bruts ont été choisis en raison de leur capacité à former des émulsions eau-dans-huile de stabilités différentes. Les mesures d’élasticité de cisaillement ont montré que la majorité des interfaces eau/huile étudiées formaient une structure élastique susceptible de fausser la mesure du module dilatationnel de Gibbs par la méthode d’analyse du profil de goutte. Néanmoins, nous montrons à l’aide de simulations numériques que le module apparent Eapp mesuré dans un tel cas est proche de la somme du module de Gibbs et du module de cisaillement (G) multiplié par 2 du réseau interfacial dès lors que G reste petit (G < 10 mN/m), ce qui est très souvent le cas puisque nous observons que le réseau interfacial formé se rompt lors des expériences de dilatation. Une équation phénoménologique a été développée permettant d’attribuer un temps de relaxation unique aux processus de relaxation qui ont lieu aux interfaces eau/huile, ce qui nous permet de classer les différents systèmes entre eux. Nous avons également étudié les IM extraits des bruts selon la technique chromatographique dite « wet silica method » récemment développée par Jarvis et al. (Energy Fuels, 2015). Les expériences de rhéologie interfaciale confirment que cette méthode permet d’extraire les composés les plus tensioactifs présents aux interfaces eau-brut. Les analyses chimiques montrent que les IM sont partiellement composés d’asphaltènes et suggèrent que les composés contenant du soufre jouent un rôle important dans la stabilité des émulsions. Enfin, nous avons trouvé que les composés hydrosolubles transférés du brut à l’eau ont un comportement bénéfique, dans le sens où leur présence rend les émulsions eau-dans-brut moins stables. L’analyse FTMS de ces composés montre qu’ils appartiennent aux classes d’hétéroatomes suivant : O2, O3, S1, OS et O2S2 et qu’une partie de ces composés appartient à la classe des asphaltènes. / Crude oil recovery and refining operations rely on high consumption water processes, which may induce the formation of stable water-in-oil emulsions. Although asphaltenes and resins are known to influence the stability of crude oil emulsions, much is still unknown about the real composition of the w/o interfacial layer. Therefore, identifying these molecules and understanding their impact on the w/o interfacial properties are key points for better predicting emulsion problems in the petroleum industry. This thesis presents results on water/oil (w/o) interface characterization using shear and dilatational interfacial rheology as well as results on molecular characterization (GPC-ICP-HRMS and FTMS) of the crude oil interfacial material (IM) and of the amphiphilic crude oil species, which are transferred to the aqueous phase during the emulsification process. Four crude oils forming w/o emulsions of different stability were used in this study. Shear interfacial rheology experiments showed that most of the studied w/o interfaces were capable of forming an elastic interfacial network exhibiting shear elasticity G. A non-null G value interferes on drop deformation and thus on drop shape analysis (DSA) results. Nevertheless, the dilatational elasticity modulus measured by DSA (Eapp) was found to be representative of the sum of the Gibbs modulus plus 2 times G, as long as G  10 mN/m. This condition is generally satisfied since the asphaltene network is broken during dilatational experiments. Consequently, Eapp gives a good approximation of the real Gibbs modulus of the interface. A new phenomenological equation was proposed to fit the dilatational Eapp experimental data, allowing the assignment of a unique characteristic time to describe the w/o interfacial relaxation process and thus sample comparison. The IM of the crude oils was extracted using the “wet silica method” recently developed by Jarvis et al. (Energy Fuels, 2015). Results showed that this method collects the most-surface active compounds that adsorb in the time frame of the extraction procedure. Successive extractions collected species that were larger and less concentrated in the crude oil, but with higher adsorption energies. Molecular characterization revealed that the IM was partially composed of asphaltene compounds, and suggested that sulfur-containing compounds may play a major role in emulsion stability. Lastly, the oil-to-water transferred species were proven to impact the w/o interfacial properties and emulsion stability. Interestingly, concentrating these water-soluble species led to more efficient crude oil dehydration. FTMS analysis of the transferred species revealed that part of the compounds belonged to O2, O3, S1, OS and O2S2 heteroatom classes, and some of them have an asphaltene-type of molecules classification.

Dans les procédés liés aux émulsions, des écoulements turbulents et polyphasiques entrent en jeu. De tels procédés apparaissent dans des domaines variés. Dans l'industrie agro-alimentaire, la production de lait fait intervenir un homogénéisateur à haute pression, et certains produits tels que la mayonnaise sont des émulsions stables. On trouve aussi des émulsions dans le domaine de la santé : elles assurent le bon fonctionnement de nos poumons, tandis que d'autres peuvent être injectées par voie parentérale en tant que médicaments. On les retrouve aussi dans les procédés de séparation, par exemple eau-brut de pétrole dans l'industrie pétrochimique. Dans tous les cas, la fragmentation et la coalescence des bulles et gouttes doivent être maîtrisées, car elles influencent directement la distribution en taille de la phase dispersée. La fréquence d'apparition de ces phénomènes peut être prédite en utilisant des modèles adaptés. Cependant, la présence de molécules tensioactives modifie grandement cette fréquence et par conséquent la distribution en taille en sortie du procédé. Or, ce type de molécules est présent dans quasiment tous les procédés polyphasiques. L'étude des effets des tensioactifs dans ces procédés s'est alors imposée. Dans un des plus récents modèles, les bulles ou gouttes sont considérées comme des oscillateurs forcés par la turbulence de l'écoulement environnant. Il est alors nécessaire de connaître à la fois la turbulence dans le voisinage de la goutte et les propriétés dynamique de la goutte. La première peut être déterminée expérimentalement. La réponse de la goutte au forçage est alors décrite comme une somme d'harmoniques sphériques dont la dynamique est décrite pour chaque mode par une pulsation et un coefficient d'amortissement. Cette thèse aborde l’étude des effets des tensioactifs sur ces deux grandeurs. Elle s’est déroulée en collaboration entre l'IMFT et le LGC, ce qui a permis d'associer les compétences de chaque laboratoire dans les domaines de la physico-chimie, de l'hydrodynamique des phases dispersées et des écoulements turbulents diphasiques. Le projet lors de cette thèse est d'étudier numériquement les effets des tensioactifs sur les échelles temporelles caractéristiques des oscillations, dans le cas où la goutte est immobile ou bien en mouvement dans un fluide externe. Une équation de transport des tensioactifs ainsi que l'effet Marangoni à l'interface ont été modelisés dans le code DIVA, et validés à l'aide de cas tests. Ensuite, des simulations de gouttes subissant des oscillations de forme suivant le mode 2 des harmoniques sphériques ont permis de décrire les effets des tensioactifs sur la dynamique des interfaces. Ils ont été validés par la théorie pour des oscillations linéaires. Le couplage entre le mouvement d'ascension et les oscillations de formes a aussi été étudié, afin de comprendre l'effet d'un fort effet Marangoni, généré par l'ascension de la goutte, sur les oscillations. Les viscosités de surface peuvent aussi influencer radicalement la dynamique interfaciale. Lors de cette thèse, une méthode a été développée et validée pour permettre à l'outil de simulation de prendre en compte des viscosités de surface en se basant sur le modèle de Boussinesq-Scriven. Leur effet sur la dynamique des oscillations de forme a été étudié.

L’utilisation des coulis d’hydrates comme Fluides Frigoporteurs Diphasiques (FFD) permet de réduire l’impact environnemental des systèmes frigorifiques car ces fluides possèdent une densité énergétique élevée. Leur application pour le stockage d’énergie thermique serait une réponse à une problématique industrielle de distribution de froid (climatisation, procédés de refroidissement). Un montage expérimental constitué d’une boucle de circulation et d’un réacteur de formation a été utilisé afin d’évaluer les caractéristiques thermo-hydrauliques des coulis d’hydrates de CO2 et a permis de déterminer les viscosités et les coefficients d’échange convectif des coulis. A l’aide de ces paramètres, une étude énergétique et exergétique a été réalisée sur le système. Cette étude a permis de développer un modèle numérique capable d’évaluer la distribution de l’énergie dans différents éléments du montage expérimental (réacteur de formation des hydrates et échangeur de chaleur pour la dissociation des hydrates), ainsi que de déterminer les pertes exergétiques engendrées par ces éléments. Un bon accord entre les données expérimentales et le modèle numérique pour le suivi en température du coulis lors de sa formation et dissociation a été montré. L’étude a confirmé que les fluides diphasiques présentent une plus grande efficacité énergétique et moins de pertes exergétiques que les fluides monophasiques. / Hydrates slurries as two-phase secondary refrigerants (FFD) reduces the environmental impact of refrigeration systems because these fluids have a high energy density. Their use for cold storage could be a solution to an industrial cold distribution at various temperature levels (air-conditioning, cooling process or preservation temperature). An experimental device composed of a circulation loop and a formation tank enables to characterize the thermal-hydraulic properties of CO2 hydrates slurries in order to determine the viscosities and the convective heat transfer coefficients of hydrates slurries. With these hydraulic and thermal parameters, an energy study was carried out on the system. Within this study a numerical model was developed to evaluate the energy distribution in different experimental elements (hydrate formation tank and hydrates dissociation heat exchanger) and to determine the exergetic losses created by these components. A good agreement between the experimental data and the numerical model for the temperature evolution of the slurry has been shown. The study has confirmed that multi-phases fluids provide higher energy efficiency and less exergetic losses than one-phase fluids.