La problématique des contaminations croisées (transfert inter-lots de micro-ingrédients : additifs et/ou produits médicamenteux) dans le secteur de l'alimentation animale est entrée, depuis quelques décennies, au cœur des préoccupations de la profession. Ce phénomène se décompose en 2 phases : le dépôt de particules par un lot de fabrication et sa récupération par le/les lot(s) suivant(s). Plusieurs études expérimentales, ont incriminé l'élévateur à godets post-mélangeur dans l'augmentation du niveau de contamination d'une ligne de fabrication. Cet appareil de manutention achemine verticalement des mélanges pulvérulents de diverses matières premières, pouvant contenir, en particulier, des additifs ou des produits médicamenteux. L'objectif de ces travaux est de comprendre dans quelles mesures cet appareil est source de transfert inter-lots, et quels paramètres liés au procédé entrent en jeu. Plusieurs outils ont été mis en place et la réalisation d'un plan d'expériences a permis de mettre en lumière l'impact de certains facteurs sur la contamination croisée :d'une part, le mode de vidange (lié à la vitesse de la sangle) en tête de l'élévateur et l'angle de la bavette de jetée agissent sur la quantité de micro-ingrédient déposée lors du passage d'un lot, et d'autre part, l'espace autour des godets, modifie la capacité du lot suivant à collecter les reliquats.Ces informations définissent une position optimale des paramètres de l'élévateur qui, sur pilote, réduit le niveau de contaminations croisées de 9 à 7 %. Enfin, des observations des champs de vitesses pendant la jetée du produit ont apporté de éléments de compréhension sur mouvements d'air et d'aérosols à l'origine des contaminations.

Le sang est une suspension concentrée (45 % en volume) de cellules déformables, les globules rouges, dans un liquide newtonien, le plasma. Dans la microcirculation, i.e. le sous-ensemble du système de circulation sanguine où s'effectuent les échanges de matière entre le sang et les tissus, les tailles de vaisseaux sont comparables à la taille d'un globule rouge (environ 10 µm). En conséquence, les effets dynamiques liés à la présence de ces cellules induisent des comportements rhéologiques complexes, qui jouent un rôle important dans le transport de l'oxygène vers les tissus. En particulier, aux bifurcations microvasculaires divergentes, les débits de globules rouges et de plasma peuvent se répartir de façon non proportionnelle entre les deux branches filles. La fraction volumique de globules rouges (hématocrite) dans l'une des branches filles est alors plus élevée que celle de la branche d'entrée, et la fraction volumique dans l'autre branche y est plus faible. Cet effet, connu sous le nom d'effet de séparation de phase, induit une très grande hétérogénéité de l'hématocrite d'un vaisseau à l'autre dans la microcirculation. Il induit également un couplage entre l'architecture du réseau microvasculaire et la dynamique de l'écoulement sanguin dans ce réseau. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier finement l'effet de séparation de phase in vitro, dans un régime représentatif des conditions physiologiques, au moyen de dispositifs microfluidiques modélisant les bifurcations microvasculaires et de suspensions de globules rouges. Dans ce but, un dispositif expérimental microfluidique a d'abord été élaboré. Puis, les aspects métrologiques spécifiques aux suspensions concentrées ont été abordés afin de quantifier les paramètres de l'écoulement. En particulier, la technique de dual-slit a été comprise et optimisée, assurant une mesure précise de profils de vitesse de globules rouges en microcanaux. Des métrologies spécifiques à nos conditions expérimentales ont également été mises en place pour déterminer l'hématocrite. Ces techniques ont été validées par vérification du principe de conservation de la masse entre les trois branches d'une bifurcation, et elles nous ont permis de caractériser les écoulements de globules rouges dans des micro-canaux de différentes tailles (10 à 100 µm), et ce pour de larges gammes de débits et de concentrations. Enfin, l'écoulement de suspensions de globules rouges a été étudié au niveau de micro-bifurcations, dans l'objectif de caractériser l'effet de séparation de phase pour des tailles de canaux et des gammes d'hématocrites qui n'ont pas été étudiés auparavant en conditions d'écoulement maîtrisées. / Blood is a concentrated suspension (45% by volume) of deformable red blood cells, flowing in a Newtonian fluid called plasma. The microcirculation is the part of the blood circulation system where the exchanges of material (e.g. nutrients, oxygen) between the blood and tissues take place. The microvessels are characterized by diameters less than 100 microns, which is similar in size to the size of a red blood cell ( 10 microns). As a result, the presence of these cells considerably influences the dynamics of microvascular flows and induces complex rheological behaviors. In particular, at diverging microvascular bifurcations, red blood cells and plasma may be nonproportionally distributed between two daughter vessels : one gets a higher red blood cell volume fraction (hematocrit) than the feeding vessel, while the other gets a lower one. This effect, known as the phase separation effect, causes a tremendous heterogeneity of the hematocrit among vessels in microvascular networks and induces a coupling between the microvascular architecture and the blood flow dynamics. The aim of this thesis is to investigate the phase separation effect in vitro, in physiological conditions, using red blood cell suspensions and microfluidic devices modeling microvascular bifurcations. For this purpose, a microfluidic experimental device was first developed. Then the metrological aspects specific to concentrated suspensions were addressed in order to quantify all the flow parameters. In particular, the dual-slit technique has been understood and optimized, ensuring accurate measurement of velocity profiles of red blood cells in microchannels. Measurement methods for our experimental conditions were also implemented to determine the hematocrit. All these techniques have been validated by verification of the principle of mass conservation between the three branches of a bifurcation. They allowed us to characterize the flow of red blood cells in microchannels of different sizes (10 to 100 microns) and for wide ranges of flow rates and concentrations. Finally, the flow of red blood cell suspensions was investigated at micro-bifurcations, with the aim of characterizing the phase separation effect for channel sizes and hematocrit ranges never studied in controlled flow conditions.

Nous étudions expérimentalement les instabilités hélicoïdales et chaotiques, des défauts d'extrusion de polymères fondus, sur deux polystyrènes et un polypropylène à l'aide de deux dispositifs expérimentaux: un rhéomètre capillaire et une extrudeuse monovis, munie d'une filière plate à parois transparentes, permettant d'effectuer des mesures de biréfringence d'écoulement et de vélocimétrie laser-Doppler. Dans ce dernier cas, on dispose d'une géométrie d'écoulement constituée d'un réservoir, suivi d'une contraction et d'un canal d'écoulement. En rhéométrie capillaire, nous avons étudié l'influence des conditions d'écoulement (diamètre, longueur, angle d'entrée de la filière, température...) sur le déclenchement de l'instabilité hélicoïdale. Les essais de biréfringence ont permis l'observation d'oscillations transverses d'isochromes dans le réservoir: lors de ce régime instable, l'écoulement principal a lieu de façon non symétrique dans le canal. On montre également que l'utilisation de "convergent doux" permet de repousser la déstabilisation de l'écoulement d'entrée à des débits sept fois plus importants que dans le cas d'une contraction brusque. On s'attache à mesurer, sur l'axe de symétrie du réservoir, des premières différences de contraintes normales et de taux de déformation dans les conditions critiques propres à l'initiation du défaut, par biréfringence d'écoulement et vélocimétrie laser-Doppler, respectivement. Des calculs viscoélastiques de l'écoulement par éléments finis ont également permis l'estimation de la répartition des contraintes élongationnelles autour de la contraction, dans les conditions critiques d'apparition de l'instabilité.

La formulation optimale des fluides thixotropes est essentielle dans de nombreux procédés, par exemple dans le domaine des forages pétroliers. Ceci passe par une compréhension fine des liens entre les évolutions de leur microstructure et leurs propriétés d'écoulement. Nous étudions ici les propriétés d'un système émulsion inverse comprenant des argiles organophiles utilisés comme fluide de forage. Nous travaillons sur le fluide réel et sur une émulsion modèle en régime solide, en régime liquide, et durant l'arrêt du matériau sous faibles sollicitations mécaniques. A l'aide d'expériences de rhéométrie conventionnelle et de vélocimétrie IRM, nous avons identifié les origines structurelles des principales propriétés rhéologiques en fonction des concentrations des constituants : le seuil de contrainte, le vieillissement au repos, la bifurcation de viscosité en régime liquide, le déplacement de l'interface solide-liquide au sein du fluide. En particulier nous montrons que l'arrêt progressif de l'écoulement sous une contrainte critique est induit par la croissance d'agrégats. L'homogénéité du matériau lors de nos expériences rhéologiques a été vérifiée par des mesures de concentrations locales par RMN. Ces résultats montrent l'importance des liens argileux pour les propriétés thixotropes de ces systèmes.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet RNTS R-MOD qui visait le développement d'un simulateur morpho-fonctionnel des voies respiratoires. Des méthodes de visualisation et de quantification de flux gazeux pulmonaires par IRM des gaz hyperpolarisés (GHP) ont été développées pour pouvoir valider les résultats du simulateur.<br />Pour atteindre cet objectif, un système adapté à l'environnement spécifique de l'IRM a été développé pour permettre l'administration de GHP de manière contrôlée, et différentes approches d'imagerie du flux de GHP ont été explorées.<br />La 1ère approche est basée sur de l'imagerie dynamique de l'inspiration de GHP. Ce type d'expérience est analysé. L'évolution du phénomène est trop rapide pour être observée correctement avec les techniques actuelles. Néanmoins, un état d'équilibre dynamique de la répartition spatiale de l'aimantation dans les poumons lors d'inspirations en régime stationnaire est observable. Les paramètres dont dépend cet équilibre et une partie de ce qui peut être quantifié par le biais de ce type d'expérience ont été formalisés et les concepts introduits ont été validés par différentes expériences d'imagerie dynamique.<br />La 2ième approche, quantitative, est basée sur la vélocimétrie par contraste de phase combinée à l'imagerie radiale rapide. D'abord validée quantitativement sur des fantômes d'écoulement connus (tube droit, coude, bifurcation), la technique a ensuite été appliquée sur un modèle réaliste d'arbre bronchique et comparée à une simulation numérique des écoulements. Les 3 composantes de la vitesse ont été mesurées en environ 1 s avec une résolution spatiale du mm et une précision du cm•s-1. Enfin, la faisabilité in vivo de la mesure de vitesse dans les voies aériennes pulmonaires a été démontrée dans la trachée lors d'une inspiration.<br />Cet outil de caractérisation des écoulements à l'aide de l'IRM des GHP ouvre des voies prometteuses aussi bien pour la physique des écoulements que pour les applications médicales.

Les nouveaux matériaux cimentaires fluides présentent des propriétés de thixotropie, phénomène réversible de gélification (au repos) - liquéfaction (en écoulement), qu'il est nécessaire de comprendre et de caractériser. Des essais croisés de rhéométrie globale (rhéomètre classique) et locale (vélocimétrie IRM) permettent d'obtenir le comportement complet en régime permanent et transitoire d'une pâte de ciment blanc. En particulier nous mettons en évidence une bifurcation de viscosité, traduisant un changement brutal de comportement en dessous d'une contrainte et d'un gradient de cisaillement critique. Un modèle simple, basé sur ces observations, permet de retrouver les propriétés observées. Son application à des essais d'écoulements sur plan incliné montre que cette configuration peut s'avérer un moyen simple de caractérisation pratique de la thixotropie.

L'étude du champ dynamique dans une cellule d'échangeur à vortex, en situation isotherme, est menée à la fois sur un plan expérimental et numérique. L'expérimentation, portant sur des fluides newtoniens et non newtoniens, permet d'accéder aux composantes radiale et tangentielle de la vitesse par anémométrie laser. La simulation numérique est effectuée à l'aide d'un schéma aux volumes finis. La turbulence est modélisée par un modèle statistique k-Ε classique. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus sont en bon accord et mettent en évidence l'existence d'un écoulement secondaire généré par les instabilités hydrodynamiques liées à la courbure des lignes de courant. Pour des régimes d'entrée laminaires, l'action conjuguée des forces centrifuges et visqueuses donne naissance à une structure de l'écoulement secondaire instationnaire proche de la périphérie de la partie cylindrique de la géométrie, limitant l'intensité de l'écoulement central à vortex. L'effet rhéofluidifiant des solutions de CMC stabilise ces structures et permet d'accélérer l'établissement d'un écoulement à vortex. Pour des conditions d'entrée turbulentes, les mesures et la simulation mettent en évidence l'existence d'un puissant écoulement principal à vortex dont l'intensité tend vers une limite pour des nombres de Reynolds supérieurs à 15000. Cet écoulement principal est couplé à un écoulement secondaire qui s'étend sur la totalité du rayon de l'échangeur et augmente ainsi le taux de mélange du fluide à traiter. L'influence de la variation de l'épaisseur de l'échangeur permet de définir un nouveau paramètre adimensionnel tenant compte de la courbure des lignes de courant et basé sur un nombre de Dean. Le modèle k- utilisé, qui donne des résultats proches de ceux expérimentaux, permet d'obtenir une meilleure compréhension de la dynamique, notamment de l'écoulement secondaire. Une première étude des trajectoires des particules fluides obtenues par simulation montre de fortes variations de celles-ci en fonction de leur position suivant l'épaisseur à l'entrée. La distribution des probabilités des temps de séjours numériques donne une courbe maîtresse pour toutes les conditions d'écoulement.

La recherche expérimentale, présentée dans cette thèse, a pour objectif l'étude de l'influence d'un écoulement amont turbulent ou non sur les tourbillons coniques (primaire et secondaire) engendrés à partir d'une configuration de montant de baie. Cette configuration d'écoulement est rencontrée sur les véhicules terrestres et l'interaction des tourbillons avec les vitres latérales du véhicule est le principal responsable du bruit aérodynamique transmis dans le véhicule. Une maquette du type dièdre a été conçue et testée en soufflerie afin de générer et d'étudier ces tourbillons coniques. Les propriétés spatiales et temporelles des champs de vitesse et de pression pariétale ont été étudiées en associant simultanément la mesure de la vitesse par PIV ou Stéréo-PIV à la mesure de pression pariétale fluctuante par capteurs déportés. Nous avons montré qu'un niveau modéré de turbulence amont (intensité : 4%) se traduit par une modification très importante de la dynamique du tourbillon et de la pression pariétale fluctuante associée (Cp'). Notre conjecture - basée sur l'étude des moments statistiques et des corrélations spatio-temporelles - est qu'en l'absence de turbulence externe, la contribution principale au Cp' est liée à l'empreinte du coeur tourbillonnaire et du décollement secondaire induit. Au contraire, en présence de turbulence amont, la forte augmentation du Cp' semble associée à une réponse globale de la structure tourbillonnaire et à la modification associée de l'aérodynamique autour du corps. L'inclusion de dispositifs géométriques simples de contrôle passif sur la maquette a fait objet d'essais supplémentaires. Nous avons montré que ces dispositifs permettent de modifier très significativement le développement de la structure tourbillonnaire et son empreinte en terme de pression pariétale fluctuante.

Augmenter la durée de vie des piles à combustible de type SOFC en abaissant leur température de fonctionnement tout en maintenant un prix de fabrication raisonnable est un des enjeux du secteur énergétique. Ces travaux de recherche entrent dans ce cadre par l'utilisation de la projection plasma de suspensions pour fabriquer des couches céramiques ou cermets finement structurées sur support métallique poreux. Dans cet objectif, la compréhension du procédé s'est avérée être une étape indispensable. A cette fin l'utilisation de la Vélocimétrie par Image de Particules spécialement adaptée aux contraintes de la projection plasma a permis une meilleure caractérisation des jets injectés mais aussi une compréhension plus poussée des phénomènes régissant le traitement des particules. Fort de ces informations, les couches composant le cœur de pile ont été élaborées : l'anode et l'électrolyte, constituée respectivement d'un cermet nickel-zircone yttriée et de zircone yttriée et enfin la cathode composée d'un conducteur mixte La2NiO4.

Dans une optique d'amélioration ou de construction de moteurs fusée dérivés du modèle Vulcain, ce projet propose une nouvelle géométrie d'injecteur permettant l'atomisation efficace d'une nappe annulaire liquide en un brouillard de gouttelettes, nécessaire à un rendement élevé de combustion de propergols. Les images de tomographie et de visualisations rapides ont permis de comprendre les mécanismes de rupture de la nappe liquide par un courant interne et/ou externe tandis que la phase diluée a été caractérisée par les techniques de Vélocimétrie par Images de Particules et d'Interférométrie par Phase Doppler. Plusieurs modes de rupture ont été identifiés dépendant principalement du rapport du flux de quantité de mouvement gaz/liquide et une étude fréquentielle a été réalisée sur les battements de la nappe. Le mode qui nous intéresse plus particulièrement, nommé « arbre de Noël », permet une atomisation primaire beaucoup plus efficace que celui d'un jet liquide assisté par une couronne annulaire de gaz mais aussi d'obtenir une granulométrie plus faible des gouttes produites. L'étude des différents paramètres : rapport des densités de flux de quantité de mouvement gaz/liquide, pression ambiante et rotation du gaz a montré que les deux premiers cités ont une influence très importante sur la granulométrie tandis que la longueur de rupture de la nappe dépend principalement du premier et du dernier. La rotation du gaz modifie fortement la forme du profil de vitesse en sortie d'injecteur et donc du spray généré par la suite. Elle permet également une fluctuation plus faible de la longueur de rupture de la nappe et surtout une bonne homogénéisation de la vitesse des gouttes. Bien que ce type d'atomisation soit déjà particulièrement efficace, l'ajout d'une couronne de gaz externe améliore nettement l'atomisation.