Ce travail de thèse est consacré à l'étude des instabilités de Saffman-Taylor de fluides complexes modèles. Ces derniers sont des solutions de Xanthane dont le caractère rhéofluidifiant augmente avec la concentration en polymère. Dans un premier temps, nous avons étudié les propriétés rhéologiques de ces fluides modèles puis nous avons caractérisé leurs propriétés d'écoulement dans une cellule de Hele-Shaw de forte épaisseur. Dans un deuxième temps, nous avons mesuré par PIV (Particles Image Velocimetry) la distribution du champ de vitesse autour des doigts de Saffman-Taylor pour l'ensemble des fluides étudiés. Afin de valider les expériences de PIV, nous avons caractérisé les vitesses de sédimentation des traceurs, par la technique complémentaire de vélocimétrie par Speckle ultrasonore (Ultrasonic Speckle Velocimetry). Nous avons montré expérimentalement que le champ de vitesse pour tous les fluides est irrotationnel et que la forme du doigt peut être modélisé par un écoulement potentiel autour d'un solide de Rankine. Les expériences ont établi que le rayon de courbure à l'extrémité des doigts est l'unique paramètre qui dépend des propriétés rhéologiques des solutions de Xanthane. De plus, ce paramètre conditionne toute l'hydrodynamique autour des doigts de Saffman-Taylor. / This thesis is devoted to the study of Saffman-Taylor instabilities of complex fluids models. These are solutions of xanthan whose shear thinning behavior increases with polymer concentration.Initially, we studied the rheological properties of model fluids and then we characterized the properties of flow in a Hele-Shaw thick. In a second step, we measured by PIV (Particle Image Velocimetry) distribution of the velocity field around the fingers of Saffman-Taylor for all fluids studied. To validate the PIV experiments, we characterized the sedimentation rates of tracers, by the complementary technique of ultrasonic speckle velocimetry (Ultrasonic Speckle Velocimetry).We have shown experimentally that the velocity field for all fluids is irrotational and that the shape of the finger can be modeled by a potential flow around a Rankine solid. Experiments have shown that the radius of curvature at the top of the fingers is the only parameter which depends on the rheological properties of xanthan solutions.In addition, this parameter influences the whole hydrodynamic around Saffman-Taylor fingers.

Cette thèse se situe dans le cadre de la conception du réacteur nucléaire à caloporteur sodium ASTRID, actuellement à l'étude au CEA Cadarache. La mesure de vitesse du sodium liquide dans les boucles primaire et secondaire, ainsi que la détection de bulles, en cas de fuite par exemple, représentent un enjeu majeur pour le contrôle et la surveillance en fonctionnement du réacteur. Le caractère conducteur électrique du sodium liquide permet d'envisager l'utilisation de débitmètres à courants de Foucault, ou ECFM (pour Eddy Current Flow Meter) pour répondre à ces fonctions. Une précédente thèse réalisée par Mitlesh Kumar a permis de découpler le signal mesuré à l'ECFM relatif à la vitesse du métal, de celui relatif à la présence d'hétérogénéités dans le métal (telles que des bulles). L'objet de la présente thèse est de caractériser expérimentalement et analytiquement les effets de la vitesse et de la présence d'une inclusion isolante sur le signal mesuré, à partir d'écoulements modèles. Cette approche, complémentaire avec un certain nombre d'études en écoulement réel recensées dans la littérature, a pour objectif d'apporter un outil de compréhension physique au système. Deux dispositifs expérimentaux en métal liquide (galinstan) sont réalisés. Le premier dispositif représente un écoulement de galinstan en conduite cylindrique avec un champ de vitesse uniforme (écoulement piston), contenant une inclusion rigide électriquement isolante simulant une bulle. Le second dispositif expérimental est un écoulement en conduite de galinstan réel en l'absence d'inclusion. Les paramètres contrôlés sont la vitesse débitante du métal liquide (de 0.01 à 1 m/s), la taille et la position de l'inclusion (rayon entre 1 et 2.5 mm, profondeur entre 3 et 6 mm) et la fréquence (de 0.5 à 20 kHz). Le rayon de la conduite vaut 12.5 mm, et l'épaisseur de peau varie entre 2.4 et 15.3 mm sur cette plage de fréquence. Deux modèles théoriques, basés sur la résolution de l'équation d'induction du potentiel vecteur, sont en outre développés pour déterminer les effets de la vitesse et les effets de la présence de l'inclusion sur le signal mesuré. Dans les deux expériences, il est montré que le signal mesuré relatif à la vitesse du métal varie linéairement avec la vitesse et est maximal à une certaine fréquence (f = 2 kHz ici). Ces résultats correspondent à ceux du premier modèle théorique et montrent un bon accord avec la littérature. Dans la première expérience par ailleurs, le passage de l'inclusion à travers l'ECFM se manifeste par une oscillation du signal mesuré. Le comportement de l'oscillation est correctement décrit par le second modèle théorique dans la limite des basses fréquences (jusqu'à 2 kHz) : l'amplitude de l'oscillation est alors proportionnelle au volume de l'inclusion et suit une loi de puissance en f^2. Aux hautes fréquences, il est montré que l'amplitude et le déphasage du signal mesuré relatif à la présence de l'inclusion sont impactés de manière importante par la taille et la profondeur de l'inclusion. Un début de méthode inverse est développé à partir de ce résultat, pour déterminer la taille et la position de l'inclusion / This thesis is included in the conception of the prototype of Sodium Fast Reactor (SFR) ASTRID, currently studied in the CEA Cadarache. Velocimetry of liquid sodium in the primary andsecondary loops, and bubble detection in sodium (e.g. in case of leaks) represent a major issue for the control and oversight of the reactor. The electrical conductive property of liquid sodium allows to consider the use of Eddy Current Flow Meters (ECFM) for this purpose. A previous thesis realized by Mithlesh Kumar highlighted a decoupling of the signal measured with the ECFMrelative to the velocity, to the one relative to the presence of heterogeneities (such as bubbles). The object of the present thesis is to caracterize experimentally and analytically the effects of velocity and the effects of the presence of an insulating inclusion on the measured signal, thanks to modeled flows. This approach, complementary with most of the studies of real flows existing in the litterature, aims to give a tool for a physical comprehension of the system. Two experimental set-ups with liquid metal (galinstan) have been developed. The first set-up represent a galinstan flow in a cylindrical duct at uniform velocity (plug flow), advecting electrically insulating rigidinclusion simulating a bubble. The second experimental set-up is a galinstan flow in a cylindrical duct without inclusion. The controled parameters are the flow velocity (from 0.01 to 1 m/s), the size and location of the inclusion (radius from 1 to 2.5 mm, depth of 3 and 6 mm) and the frequency (from 0.5 to 20 kHz). The radius of the duct is equal to 12.5 mm, and the skin depth varies between 2.4 and 15.3 mm for this frequency range. Two theoretical models, based on the resolution of the induction equation of the vector potential, are moreover developed to determine velocity effects and inclusion effects on the measured signal. In both experimental studies, it is shown that the measured signal relative to the liquid metal velocity varies linearly with velocity and is maximal at a given frequency (f = 2 kHz here). These results are corresponding well with those of the first theoretical model and show a good agreement with litterature. Besides, in the first experimental study, the passage of the inclusion through the ECFM manifests itself by an oscillation of the measured signal. The behaviour of the oscillation is well described by the second theoretical model within the limit of low frequencies (up to 2 kHz) : the amplitude of the oscillation is then proportionnal to the inclusion volume and follows a power law in f^2. At high frequencies, it is shown that amplitude and phaseshift of the measured signal relative to the presence of an inclusion are highly impacted by inclusion size and depth. A first step of inverse method is developed from this result, in order to determine size and location of an inclusion.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité de l'interférométrie par rétro-injection optique (IRO) pour la mesure de vitesse en dynamique des matériaux. La dynamique des matériaux est l'étude du comportement des matériaux soumis à des chocs (chocs laser, chocs plan,compression isentropique, projectiles, etc.). Dans ces conditions, nous cherchons à mesurer des vitesses pouvant aller jusqu'à 10 km/s. La technique IRO est couramment utilisée comme capteur embarqué pour mesurer de faibles vitesses dans divers domaines. Cependant, très peu d'études ont été réalisées sur les limites hautes vitesses de ce type de capteur. La rétro-injection optique provoque des effets non linéaires dans la cavité laser : elle perturbe la puissance d'émission optique. Suivant le taux de rétro-injection optique, le laser peut présenter un comportement chaotique et il n'est alors plus possible de récupérer l'information de la vitesse et/ou du déplacement de la cible à partir des signaux. Nous avons pour cela développé des modèles mathématiques et réalisé un grand nombre de simulations numériques afin d'évaluer les performances et les limitations de ce système. Nous avons notamment étudié l'influence de la réflectivité de la cible, de la longueur et de la fréquence de la modulation de la cavité externe. / The purpose of this thesis is to study the feasibility of optical feedback interferometry (OFI) for measuring velocities for dynamical material's behaviour studies. Dynamical material's behaviour studies permit to analyse the shocked material when subjects to shocks (laser shocks, isentropic compression, projectiles, etc.). In these conditions, we seek to measure velocities up to 10 km/s. The OFI technique is regularly used as an embedded system to measure slow velocities in various fields. However, very few studies have been performed for determining velocities measurement limits for this system. As a matter of fact, the optical feedback induces nonlinear effects into the laser's cavity : it disrupts the laser's emitted optical power. Depending on the optical feedback strength, the laser can show chaotic behaviour, then it is no longer possible to get the information for the target's velocity or displacement regarding the signal. In this study, we have been developing mathematical models and performing a wide range of numerical simulations to study the performances and the limits of the OFI technique. We have been also studying the influence of the targets reflectivity, the length and the modulation frequency of the external cavity.

De nombreux micro-organismes vivants se propulsent en utilisant des cils ou des flagelles. Cette nage à petit nombre de Reynolds a fait l'objet de nombreuses études théoriques et expérimentales sur les organismes vivants. Toutefois il existe très peu de modèles physiques expérimentaux. Nous décrivons ici la construction des cils artificiels microscopiques actionnés par un champ magnétique. Ces cils artificiels ont en commun avec les cils réels un très grand allongement, une grande flexibilité et un mode d'actuation par couple réparti. Nous avons étudié les dynamiques de battement (planaire et tridimensionnel) de ces cils magnétiques. Nous avons également caractérisé les forces et les écoulements qu'ils induisent dans le fluide environnant.

Pour stopper un emballement thermique dans un réacteur chimique, un moyen efficace consiste à introduire une faible quantité d'un inhibiteur liquide appelé « killer » dans la cuve agitée. Tout au long de cette thèse, l'approche expérimentale a été fortement couplée à la modélisation numérique par Computational Fluid Dynamics (CFD). La première partie du manuscrit porte sur l'hydrodynamique des réacteurs partiellement chicanés incluant la prise en compte du vortex central qui se forme à leur surface. L'utilisation d'une approche numérique multiphasique, non-homogène a permis de modéliser la déformation de la surface-libre, et la faisabilité de cette méthode innovante a été démontrée par un très bon accord entre prédictions numériques et données expérimentales. Dans une deuxième partie, l'introduction d'un jet de liquide sur la surface libre a été couplée à l'hydrodynamique du réacteur. Les résultats numériques, obtenus avec une approche Eulerienne-Lagrangienne, ont également montré un bon accord avec les données expérimentales. Ces résultats ont permis de modéliser la trajectoire du jet, de quantifier sa pénétration dans la cuve agitée, et de définir de nouveaux critères de mélange. Enfin, les méthodes numériques validées à l'échelle pilote ont été étendues à l'échelle industrielle et ont permis de proposer des améliorations concrètes pour une meilleure sécurité des réacteurs industriels étudiés.

Les suspensions concentrées et les verres colloïdaux forment une classe de matériaux intéressante d'un point de vue de la physique mais également des applications. Ces matériaux présentent des comportements rhéologiques remarquables comme la présence d'un seuil d'écoulement, des phénomènes de glissement ou encore des dynamiques de relaxation très lentes et du vieillissement. Les techniques rhéologiques classiques ne permettant pas à elles seules de remonter à l'origine microscopique de ces phénomènes, il est nécessaire de les associer à des techniques permettant de sonder la structure et la dynamique à des échelles très locales. Dans ce travail nous développons et mettons en œuvre une série d'outils complémentaires utilisant la diffusion multiple de la lumière ou la microscopie par fluorescence et nous les appliquons à l'étude de la dynamique de suspensions concentrées de microgels polyélectrolytes au voisinage de l'équilibre, en cours de vieillissement ou en écoulement. Les principaux résultats portent sur la mesure des propriétés viscoélastiques linéaires dans une fenêtre de fréquences comprises entre des temps browniens et plusieurs heures, sur le vieillissement physique, et sur le rôle des parois dans la structuration des écoulements.

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. / Carry-over of additives and/or medicated products is a common issue in feed industry and, by extension in most of powder handling industries. Currently carry-over rate of a production line can be accurately defined but the causes are not identified yet. It can be broken into 2 phases : firstly, particle deposit during one batch processing and then, their collecting during the following batches. Experimental studies, carried out on industrial sites or on test benches, charged the bucket elevator situated just after the mixer to be responsible for a significant increase of cross contamination rate of industrial feed production lines. Therefore this work focuses on this handling device. It transfers mixing of several raw materials in powdery forms, which may contain micro-ingredients, especially additives or medicated products. The aim of this study is to understand how process operations affect cross contamination rates during bucket elevator handling. A test bench of this handling device, a reference product and laboratory methods have been setup. Moreover, an experimental fractional factorial design highlights the effects of several process parameters : on one hand the discharge phase on elevator head (linked to belt velocity) and the discharge spout angle act on microingredients deposit mass. On the other hand, spacing between buckets and the leg’s inner surface influences micro-ingredients collected mass. Furthermore, ideal position of process parameters has been defined. By this way, cross contamination rate on the test bench has been decreased from 9 to 7 percent. Finally, velocity fields observations during the discharge phase leads to better understanding of how these process parameters influence cross contamination rate.

Le but de cette étude expérimentale est de caractériser la dynamique de particules solides, à flottabilité nulle, incluse dans un écoulement turbulent isotrope en décroissance libre. Les particules utilisées sont de forme sphérique et ont un diamètre de 4 à 5 fois plus grand que l'échelle spatial de Kolmogorov de l'écoulement. De part leur taille, les particules ont également un nombre de Stokes proche de l'unité. On s'attend alors à ce que ces particules aient une dynamique différente de celle du fluide environnant. Dans cette étude, ont se propose de quantifier les différences de vitesses entre les deux phases à l'aide d'une technique de vélocimétrie simultanée / In this experimental study, the focus is made on the characterization of the dynamics of solid neutrally buoyant particles embedded in a freely decaying, nearly isotropic turbulence, with a weak mean flow. The particles are spherical with diameters several times larger than the Kolmogorov scale. The study of this flow configuration is still challenging both theoretically and numerically. Due to large particle sizes, the local flow around particles can not be considered as uniform and due to fluid-particle density ratio of around unity, the history and Basset forces cannot be neglected in comparison with the viscous drag force. Particle equation of motion is then fully non-linear, in contrast to the equation for heavy particles with diameters smaller then the Kolmogorov scale, for which only the Stokes drag is considered. In several experimental and numerical studies, the effect of particle size on velocity and acceleration statistics has been investigated (Homann and Bec 2010 ; Qureshi et al. 2008 ; Ouellette et al. 2008 ; Xu and Bodenschatz 2008). In the case of isotropic turbulence, Homann and Bec (2010) show that while the PDF of the particle velocity normalized by the square root of its variance does not vary with particle size, the variance itself is size dependent. A scaling relation for particle velocity variance has been proposed by using the Faxen correction (Gatignol 1983) which takes into account the non uniformity of the fluid flow at the scale of the particle. The aim of our research is to further study the dependence of particle dynamics on particle size. To that purpose, a turbulence generator has been set-up and the resulting turbulence is characterized. Then the flow was seeded with millimeter sized, neutrally-buoyant particles and the velocity of the two phases have been measured simultaneously. Simultaneous measurements of particle and surrounding fluid velocities show that although the global velocity statistics of the two phases have comparable values, the particles may have different local velocity from the velocity of the neighboring fluid

Les réseaux de tuyauterie industriels sont le siège de niveaux importants de vibrations induites par l’écoulement qui peuvent mener à la rupture par fatigue des installations. La présente étude se concentre sur l’analyse et modélisation simplifiée de la source vibratoire associée au passage d’un écoulement liquide turbulent par un coude à 90°. Une approche combinant expériences et simulation a été conduite. Une boucle de circulation d’eau munie d’un coude transparent a été conçue afin de permettre des me-sures de vitesse à l’intérieur du coude. Pour cette finalité, les techniques de Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) plane et stéréoscopique ont été utilisées. La pression pariétale et les vibrations du banc d’essais ont été mesurées simultanément. Plusieurs configurations d’écoulement ont été testées afin d’obtenir une riche base de données couplées reliant l’écoulement fluide à l’excitation dynamique des parois et, finalement, à la réponse vibratoire de la structure. En parallèle, l’écoulement instationnaire d’eau dans le coude a été simulé au moyen d’une approche du type Simulation des Grandes Echelles (LES). La simulation fluide a permis d’étudier en détails la topologie de l’écoulement turbulent au passage du coude ainsi que le champ instationnaire de pression fluctuante induit sur la paroi. Finale-ment, un ensemble d’outils statistiques a été appliqué aux données expérimentales et numériques afin de proposer un modèle simplifié des transferts qui relient l’écoulement turbulent à la sollicitation dynamique de la structure contenant le coude. / The flow of dense fluids within thin-walled piping systems may lead to significant levels of Flow-Induced Vibration, mainly in the vicinities of singularities such as obstacles inserted into the flow, sudden changes of cross-sectional area or flow direction. This study focuses on the analysis and reduced-order modelling of the vibrational source associated with the turbulent flow of liquids through a 90° elbow.A mixed experimental-computational approach is undertaken. A closed water loop containing a transparent elbow was designed in order to allow for fluid velocity measurements inside the singularity. To this purpose, planar and stereoscopic Particle Image Velocimetry (PIV) were employed. Wall pressure fluctuations and structural vibrations were measured simultaneously. Several flow configurations were tested in order to obtain a large coupled database linking the flow to the dynamic excitation, and then to the vibration response of the structure.In parallel, the unsteady water flow through the elbow was computed using Large-Eddy Simulation (LES). The fluid simulation allowed for a detailed study of the turbulent flow through the singularity and the unsteady pressure field induced on the piping walls. Finally, a set of statistical tools was applied to both experimental and computational data in order to propose a reduced-order model of the transfer function that links the tur-bulent flow to the dynamic excitation of the elbowed piping structure.

Au passage d’un choc sur la surface rugueuse d’un métal, un nuage de débris micrométriques est éjecté. Sa signature spectrale temps-vitesse est mesurée au moyen d’un système optique interférométrique : la Vélocimétrie Hétérodyne (VH).Dans un régime de diffusion simple de la lumière, une étude paramétrique a mis en évidence l’influence des paramètres clés du nuage sur sa réponse Doppler. Nous avons estimé, par Maximum de Vraisemblance, la courbe masse-vitesse d’un nuage d’étain et l’incertitude associée. L’allure de la mesure a également été étudiée en incorporant aux calculs le rendement optique de la sonde.Nous présentons une méthode de calcul Monte Carlo, rendant compte des effets de diffusion multiple. Appliquée à trois expériences d’éjection d’or et d’étain, la présence de vitesses non physiques sur la mesure VH, liée aux diffusions multiples nuage-surface-nuage, a été soulignée, et les décroissances progressives de la visibilité en vitesse et de la puissance rétrodiffusée justifiées. Quelle que soit la masse éjectée, la diffusion multiple doit être intégrée aux calculs, un régime de diffusion simple n’étant valable qu’asymptotiquement, dans les limites d’un temps infini et/ou d’un faisceau sonde de dimension réduite par rapport aux libres parcours moyen de diffusion. / As a shockwave reaches a roughened metal’s surface, high-speed micron-sized particles are ejected. The spectral signature of the cloud can be measured using a fiber-based interferometric setup, so-called Photon Doppler velocimetry (PDV).In the single scattering regime, we study how the parametric dependencies of the cloud influence its Doppler response. Using a Maximum Likelihood technique, we estimate the mass-velocity function of ejected material, and its uncertainty. The time-dependent statistical properties of the spectrum, coming from the complex optical collection efficiency of the probe, are also explained.We present a Monte Carlo method to incorporate multiple scattering. Three different ejecta experiments are studied and the presence of non-physical velocities attributed to multiple scattering between surface and ejecta. Cloud’s visibility and backscattered power decrease with time due to the existence of different scattering regimes. Whatever the ejected mass, multiple scattering effects have to be integrated in PDV calculations. A single scattering will only be asymptotically valid, when time reaches infinity and/or the beam diameter is negligible with respect to the scattering mean free paths.