La rhéologie des fluides complexes est un sujet à l’intérêt grandissant dans le domaine de la recherche appliquée. Toutefois, les rhéomètres classiques nécessitent de grands volumes d'échantillons et sont généralement limités à une plage relativement étroite de fréquences de fonctionnement. En outre, seuls quelques rhéomètres sont dédiés à desmesures à hautes pressions, qui sont pourtant essentielles pour résoudre certains des problèmes rencontrés dans l’industrie pétrolière. Par conséquent, dans le cadre de cette thèse, un rhéomètre piézo-électrique à vibrations axiales est présenté. Il peut produire des données sur une large gamme de fréquences continues (1 Hz à 8 kHz). Il peut êtreutilisé avec de faibles quantités d'échantillons (jusqu'à 10 μL) et a servi pour la caractérisation d’huiles de synthèse. Enfin, cet appareil a été adapté pour faire face à des conditions de haute pression. Pour ce faire, une nouvelle conception de la cellule a été nécessaire et est présentée dans ce travail. Ce projet de thèse permettra d'étudier les propriétés de transport des huiles lourdes et de concilier les données obtenues dans les domaines de la sismique et de la pétro-acoustique. / Rheology of complex fluids is growing topic in applied research. However, the conventional rheometers require large sample volumes and are usually limited to a relatively narrow range of operating frequencies. Furthermore, only few rheometers are dedicated to high pressures conditions, which are nevertheless crucial to tackle some of the petroleum industry problem. Therefore, in this thesis, a piezoelectric axial vibrator rheometer is presented which can produce data for a large continuous frequency range (1 Hz to 8 kHz). It can be used for very small amount of samples (down to 10μL) andhas been employed to characterize synthetic oil. Then, this apparatus has been adapted to deal with High Pressure conditions. To do so, a new design of the cell has been required and is presented in this work. This thesis project will allow studying the transport properties of heavy oils to conciliate the data obtained in the areas of seismic and petro-acoustic.

Le but principal de cette étude était d'évaluer et de mieux comprendre l'impact de la vitesse superficielle de gaz et des propriétés de boues activées (BA), sur leur comportement rhéologique et le transfert de l'oxygène dans des bioréacteurs.Tout d'abord, la rhéologie des BA a été évaluée à l'aide d'un rhéomètre tubulaire, conçu et construit dans ce travail. Des mesures rhéologiques ont été effectuées avec des BA provenant de cinq stations d'épuration (STEP) et avec des concentrations en MES comprises entre 2.3 et 10.2 g L-1. Selon ces résultats, la rhéologie des BA est significativement déterminée par la concentration en matière en suspension (MES) mais d'autres caractéristiques liées à leur origine, tel que la taille, la cohésion et la densité du floc, peuvent aussi influencer la viscosité apparente des boues. Basé sur les rheogrames expérimentaux, le modèle rhéologique issu de cette étude est comparé à des modèles rhéologiques existants.Deuxièmement, le transfert d'oxygène a été évalué dans une colonne à bulles (Hc=4.4 m, Dc=0.29m) installée dans deux STEP: une installation classique et un bioréacteur à membrane. La colonne, alternativement équipée d'un diffuseur fines ou grosses bulles (FB, GB), a été alimentée en continu avec des BA extraites du réacteur d'aération, ou de la boucle de recirculation ou du réacteur membranaire. Pour des MES comprises entre 3.0 et 10.4 g L-1, le coefficient kLa a étéplus faible dans les BA que dans l'eau propre et encore réduit avec une augmentation des MES. Cette diminution est en partie attribuable à la réduction observée de la rétention de gaz (εG), associée à une augmentation de la viscosité apparente des boues, celle-ci entrainant une réduction de l'aire interfaciale spécifique (a) due à la coalescence de bulles et à la formation de bulles plus grosses. Aussi, la concentration des tensioactifs non ioniques, a montré un effetnégatif sur le coefficient kLa lors des tests d'oxygénation effectués en aération FB et faibles concentrations en MES. Cet impact n'a pas été observé dans des conditions d'aération GB, ce qui a été expliqué par le taux de renouvellement d’interface plus élevé généré par ces dernières. Enfin, le taux de cisaillement moyen exercé par l'essaim de bulles dans la colonne pendant les tests d’oxygénation a été théoriquement évalué compte tenu des conditions d’opération. Par lasuite, des corrélations empiriques ont été construites en utilisant des nombres adimensionnels et expriment le coefficient kLa en fonction de la vitesse superficielle de gaz et la viscosité apparente, tout en considérant sa dépendance du taux de cisaillement. Enfin, le facteur alpha est défini comme une loi de puissance décroissante en fonction de la viscosité apparente, pour des systèmes à faible chargé. / The main purpose of this study was to evaluate and better understand the impact of superficial gas velocity and activated sludge properties,on activated sludge rheology and oxygen transfer in bioreactors. First of all, activated sludge rheology was evaluated using a tubular rheometer, designed and constructed in this work. Rheological measurements were performed with activated sludge from five different wastewater treatment plants and with MLSS concentrations between 2.3 and 10.2 g L-1. Results showed that although the sludge rheology is significantly defined by the MLSS concentration, other sludge characteristics related to the sludge orign, such as such as floc size, floc cohesiveness and floc density also influence the sludge apparent viscosity. Existing rheological models were evaluated on the set of obtained experimental flow curves. Besides, the oxygen transfer is evaluated in a bubble column (Hc=4.4, Dc=0.29 m) installed in two different wastewater treatment plants: a conventional activated sludge plant (CAS) and a membrane bioreactor (MBR). The column, alternatively equipped with a fine or a coarse bubble diffuser (FB, CB), was continuously fed with activated sludge extracted either from the aeration tank, the recirculation loop or the membrane reactor. With MLSS concentrations from 3.0 to 10.4 g L-1, the kkllaa coefficient was lower in activated sludge than in clean water and still reduced with an increase of the MLSS concentration. This reduction is partially attributed to the observed reduction of gas holdup (εεɢɢ), associated with an increase in the sludge apparent viscosity (µµαααααα), which leads to a reduction of the specific interfacial area (αα) due to bubble coalescence and the formation of larger bubbles. Besides, the concentration of non-ionic surfactants, exhibited a negative effect on the κκιιαα coefficient for the oxygenation tests performed under FB aeration conditions and low MLSS concentration. This impact was not observed under CB aeration conditions, which was explained by the higher renewal rates generated by coarse bubbles. Finally, the mean shear rate exerted by the bubble swarm in the column during the oxygen transfer tests was theoretically evaluated considering the operating conditions. Subsequently, empirical correlations were constructed using dimensionless numbers and express the oxygen transfer coefficient as a function of the superficial gas velocity and the apparent viscosity, considering its shear rate dependence. Finally, alpha factor is defined as a power law decreasing function of the apparent viscosity, for low loaded activated sludge systems.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons aux différents comportements de fluides structurés (solutions aqueuses de polymères, suspensions), sous écoulements cisaillés. Dans la première partie, nous donnons une description globale des objets constituant le matériau en utilisant une modélisation structurelle, d'une part et en effectuant des mesures de biréfringence pour qualifier l'anisotropie des objets, d'autre part. A travers la loi tentio-optique, nous montrons que le comportement des objets ne dépend que de la contrainte appliquée. En outre, nous étudions les conditions de mesures objectives pour mener une caractérisation rigoureuse, en comparant des mesures de fluage et d'oscillations et en utilisant une approche analytique. Ce qui va permettre de développer une méthode d'identification des paramètres viscoélastiques et leurs évolutions sous cisaillement, dans le régime linéaire et non linéaire. La deuxième partie concerne les écoulements bidimensionnels de ces fluides dans une géométrie de cylindres coaxiaux centrés et excentrés, à grand entrefer. Le dispositif expérimental est validé par des mesures sur un fluide newtonien. L'objectif est d'étudier le comportement local de différents fluides en utilisant la technique de la PIV. Pour cela, nous réalisons un dispositif expérimental fiable et suffisamment précis pour accéder au champs de vitesse instantané dans tous l'entrefer. Les mesures nous permettent d'accéder à la loi de comportement locale de chaque matériau que nous comparons avec la loi de comportement globale donnée par le rhéomètre dans le cas de la géométrie centrée. De plus, des simulations numériques sur Fluent, ont été effectuées pour compléter notre étude. Les résultats obtenus pour des écoulements laminaires, de différents fluides: newtonien, peu rhéofluidifiant, très rhéofluidifiant, montrent qu'il est possible de décrire et prédire le comportement des fluides newtoniens et faiblement rhéofluidifiants mais les modèles classiques existants dans Fluent ne sont pas capables de décrire le comportement des fluides très rhéofluidifiant qui présentent une très forte hétérogénéité des gradients de vitesse dans l'entrefer / Under this thesis, we look at the different behaviors of structured fluids (aqueous solutions of polymers, suspensions) under sheared flow. In the first part, we give a comprehensive description of the items constituting the material using a structural modeling, on the one hand and carrying out birefringence measures to qualify anisotropy objects on the other. Through the tentio-law, we show that the behavior of objects depends only on the applied stress. In addition, we study the conditions of objective measures to conduct a rigorous characterization, comparing creep and oscillations measures, and using an analytical approach. This will help develop a method for identifying viscoelastic parameters and their developments under shear, in both a linear and a no linear regime. The second part concerns the two-dimensional flows of fluids in a coaxial cylinder geometry centered and eccentred, in a wide gap. The objective is to study the local behavior of different fluids using the PIV technic. To do this, we realize an experimental reliable and accurate enough, in all the gap. The experimental device is validated by measurements on a Newtonian fluid. The measures allow to access the local law behavior of each material that we compare with the overall behavior of law given by the rheometer in the case of centered geometry . In addition, digital simulations on Fluent, were made to complement our study. The results for laminar flow, for different fluids: newtonian, little rhéofluidifiant and very rhéofluidifiant, show that it is possible to describe and predict the behavior of some fluid but the existing model in Fluent can not describe the behavior of very rheofluidifiant fluids which have a very strong heterogeneity gradients speed in the gap.