Non-spherical particles are present all around us, in biological, industrial and environmental processes. Making predictions of their impact on us and systems in our vicinity can make life better for everyone here on earth. For example, the ash particles from a volcano eruption are non-spherical and their spreading in the atmosphere can hugely impact the air traffic, as was also proven in 2010. Furthermore, the orientation of the wood fibres in a paper sheet influences the final properties of the paper, and the cause of a specific fibre orientation can be traced back to the fluid flows during the manufacturing process of the paper. In this thesis, experimental and numerical work is presented with the goal to understand and utilize the behavior of elongated particles in fluid flows. Two different experimental setups are used. The first one, a turbulent half channel flow, aims at increasing the understanding of how particles with non-zero inertia behave in turbulence. The second setup is an attempt to design a flow field with the purpose to align nanofibrils and create high performance cellulose filaments. Experiments were performed in a turbulent half channel flow at different flow set- tings with dilute suspensions of cellulose acetate fibres having three different aspect ratios (length to width ratio). The two main results were firstly that the fibres agglom- erated in streamwise streaks, believed to be due to the turbulent velocity structures in the flow. Secondly, the orientation of the fibres was observed to be determined by the aspect ratio and the mean shear, not the turbulence. Short fibres were oriented in the spanwise direction while long fibres were oriented in the streamwise direction. In order to utilize the impressive properties (stiffness comparable to Kevlar) of the cellulose nanofibril in a macroscopic material, the alignment of the fibrils must be controlled. Here, a flow focusing device (resulting in an extensional flow), designed to align the fibrils, is used to create a cellulose filament with aligned fibrils. The principle is based on a separation of the alignment and the assembly of the fibrils, i.e. first align the fibrils and then lock the aligned structure. With this process, continuous filaments were created, with properties similar to that of the wood fibre at the same fibril alignment. However, the highest alignment (lowest angle) of the fibrils in a filament created was only 31o from the filament axis, and the next step is to increase the alignment. This thesis includes modeling of the alignment process with the Smoluchowski equation and a rotary diffusion. Finding a model that correctly describes the alignment process should in the end make it possible to create a filament with fully aligned fibrils. / <p>QC 20140908</p>

Dans cette thèse, nous étudions des modèles d'agrégation limitée, qui modélisent la coalescence de particules ayant des "bras", c'est-à-dire un nombre fixé de liens potentiels. Une particule ne peut donc créer plus de liens que son nombre de bras. On s'intéresse en particulier à une variante de l'équation de Smoluchowski introduite par Jean Bertoin. Ce document comprend, outre l'introduction, trois chapitres. Le premier est dévolu à l'étude d'un modèle sexué de coagulation, où les particules ont des bras mâles et femelles et seuls des bras de sexes opposés peuvent se joindre. Ce modèle généralise et unifie ceux de Bertoin, dont on peut en particulier retrouver les résultats. Le second chapitre comprend un travail en collaboration avec Lorenzo Zambotti. On s'y intéresse à l'unicité des solutions d'équations de coagulation après gélification, en particulier l'équation de Smoluchowski avec noyau multiplicatif et l'équation d'agrégation limitée. En particulier, on donne des preuves rigoureuses de certaines heuristiques de la littérature physique, par exemple en calculant précisément le temps de gélification. Dans le cas d'agrégation limitée, on obtient aussi des formules particulièrement simples pour les concentrations limites. Pour expliquer celles-ci, on étudie dans le dernier chapitre un modèle microscopique pour l'équation de Smoluchowski d'agrégation limitée. Ceci est un travail commun avec Mathieu Merle. On parvient à décrire précisément l'état microscopique du système à tout temps et ainsi à retrouver les formules du second chapitre. Une caractéristique frappante de ce modèle est qu'il possède une propriété de criticalité auto-organisée.

Ce travail, réalisé dans le cadre du projet Geant4-DNA, consiste à concevoir un prototype pour la simulation des effets chimiques précoces des rayonnements ionisants. Le modèle de simulation étudié repose sur la représentation particule-continuum où toutes les molécules sont explicitement simulées et où le solvant est traité comme un continuum. La méthode proposée par cette thèse a pour but d'améliorer les performances de ce type de simulation. Elle se base sur (1) la combinaison d'une méthode de pas en temps dynamiques avec un processus de pont Brownien pour la prise en compte des réactions chimiques et afin d'éviter une simulation à pas en temps fixe, coûteuse en temps de calcul, et (2) sur la structure de données k-d tree pour la recherche du voisin le plus proche permettant, pour une molécule donnée, une localisation rapide du réactif le plus proche. La précision de l'algorithme est démontrée par la comparaison des rendements radiochimiques en fonction du temps et en fonction du transfert d'énergie linéaire avec des résultats d'autres codes Monte-Carlo et des données expérimentales. A partir de ce prototype, une tentative de prédiction du nombre et du type d'interactions radicaux-ADN a été entreprise basée sur d'une description simplifiée du noyau cellulaire. / The purpose of this work, performed under the Geant4-DNA project, is to design a prototype for simulating early chemical effects of ionizing radiation. The studied simulation model is based on the particle-continuum representation where all the molecules are explicitly simulated, and where the solvent is treated as a continuum. The method proposed by this thesis aims at improving the performance of this type of simulation. It is based on (1) a dynamical time steps method with a Brownian bridge process, to account for chemical reactions, which avoids the costly fixed time-step simulations, and (2) on the k-d tree data structure for quickly locating, for a given molecule, its closest reactants. The accuracy of the algorithm is demonstrated by comparing radiochemical yields over time and depending on the linear energy transfer with results obtained from other Monte Carlo codes and experimental data. Using this prototype, an attempt to predict the number and type of radical attacks on DNA has been performed using a simplified description of the cell nucleus.