La projection plasma de suspensions (SPS) est un procédé de revêtement de surface qui consiste à injecter une suspension (particules solides d’environ 1 μm ou moins, dispersées dans une phase liquide) dans un jet de plasma énergétique. Les particules sont chauffées, accélérées en direction d’un substrat, écrasées et soumises à une solidification très rapide (de l’ordre de 106 K.s-1). Couche après couche, un dépôt se forme en surface du substrat et lui apporte de nouvelles propriétés fonctionnelles. Cette variante de la projection plasma conventionnelle permet la fabrication de revêtements avec des épaisseurs plus fines de quelques dizaines de μm et une échelle microstructurale réduite, pouvant conduire à améliorer, par exemple, les performances de dureté ou de conductivité thermique des dépôts. Bien que ce procédé soit étudié depuis le milieu des années 1990 et connaisse un intérêt grandissant, les applications industrielles ne sont pas finalisées et leur développement nécessite d’être poursuivi. En effet, l’injection d’une suspension dans un jet thermique conduit à des phénomènes complexes tels que la fragmentation des gouttes de suspension ou encore l’évaporation de la phase liquide. A ce jour, ces mécanismes ne sont pas parfaitement compris et maîtrisés et méritent d’être étudiés pour comprendre les interactions de ces fines particules avec le plasma. Les travaux décrits dans ce mémoire s’intéressent au cas de la projection SPS de céramiques avec un atomiseur bi-fluide comme système d’injection. Deux matériaux ont été choisis : l’alumine, connue pour sa difficulté à être projetée conventionnellement et dont la formation de phases cristallines particulières constitue une source d’informations sur l’histoire thermique des particules, ainsi que l’yttrine, qui permet de confirmer les tendances observées pour l’alumine. Dans un premier temps, l’optimisation de l’injection de la suspension a été effectuée en travaillant sur deux axes. Le premier axe concerne la formulation des suspensions, qui a conduit à l’obtention, avec différentes phases liquides, de suspensions stables et dispersées, de propriétés parfaitement connues. De telles suspensions assurent une reproductibilité du procédé à ce niveau et limitent le bouchage du système d’injection. Le deuxième axe porte sur la conception mécanique en trois étapes d’un atomiseur pneumatique approprié au procédé SPS. Cette étude a commencé par la caractérisation d’une buse commerciale notamment par des tests d’injection de suspension dans le plasma. Les tests étant peu concluants, l’étude s’est poursuivie par la mise au point d’une nouvelle géométrie d’atomiseur inspirée du modèle commercial. Les essais ont conduit à la réalisation de cordons et de dépôts satisfaisants. Cette étude s’est terminée enfin par l’optimisation de sa géométrie grâce à la mise en évidence de l’influence de plusieurs paramètres-clé sur les caractéristiques du jet atomisé. Dans un second temps, des outils de diagnostic ont été mis en oeuvre pour mesurer la qualité de l’injection. Le jet de suspension a été caractérisé en termes de géométrie et de tailles de gouttes, respectivement par ombroscopie et diffraction laser. L’ombroscopie a été réutilisée pour l’optimisation de l’injection de la suspension dans le plasma en permettant le réglage en temps réel des pressions d’entrée de l’atomiseur. Les propriétés des particules en vol ont ensuite été étudiées grâce à des collectes de particules sur substrat et à la vélocimétrie par images de particules (PIV). Cet outil a apporté des informations complémentaires sur l’injection de la suspension. Enfin, les revêtements obtenus ont été caractérisés en termes de morphologie (MEB), taux de porosité (analyse d’images MEB et USAXS) et de phases cristallines (DRX et EBSD). Le couplage des informations obtenues entre ces différentes techniques a permis de faire ressortir le rôle de la phase liquide et de la charge massique sur la microstructure... / Suspension plasma spray (SPS) is a surface coating process that consists in injecting a suspension (solid particles of about 1 μm or less, dispersed in a liquid phase) in a high-energy plasma flow. Particles are heated, accelerated towards a substrate, flattened and submitted to a rapid solidification (order of 106 K.s-1). Layer after layer, a coating is formed on the substrate surface and brings new functional properties. This variation of the conventional plasma spray process allows the manufacturing of coatings with finer thickness of few tens of μm and a reduced structural scale that can lead to improved coating properties, like hardness or thermal conductivity. Even though this process has been studied since the middle of the 1990’S and known a fast-growing interest, industrial applications are not finalized and their development needs to be pursued. Indeed, the suspension injection in a thermal jet leads to complex phenomena such as suspension droplet fragmentation or liquid phase evaporation. Up to now, these mechanisms are not perfectly understood and controlled and deserve to be further studied to understand interactions between these fine particles and the plasma. This thesis focuses on the SPS process with ceramic suspensions and a twin-fluid nozzle as injection system. Two materials were chosen: alumina, known for its difficulty to be conventionally sprayed and whose crystalline phase formation represents a source of information about particle thermal history, and also yttria, in order to confirm the tendencies observed for alumina. Firstly, the suspension injection was optimized by working on two areas. The first area concerns suspension formulation. This led to obtain, with different liquid phases, stable and dispersed suspensions, whose properties are perfectly known. Such suspensions ensure reproducibility of the process at this level and limit the risk of injection system clogging. The second area is about the three-step mechanical conception of a pneumatic atomizer, adapted to the SPS process. This study began with the characterization of a commercial nozzle, in particular by testing the suspension injection into a plasma flow. Tests being little convincing, the study was carried on with the development of a new atomizer geometry, inspired from the commercial model. Trials drove to the manufacturing of satisfying spray beads and coatings. This study was finally completed with the optimization of this new geometry by highlighting the influence of several key parameters on the atomized jet features. Secondly, diagnostic tools were implemented to qualify the injection. Suspension jet was characterized in terms of geometry and droplet sizes, using respectively shadowgraphy and laser diffraction. Shadowgraphy was used again for optimizing the suspension injection into plasma by allowing the adjustment in real time of inlet atomizer pressures. In-flight particle properties were then studied thanks to particle collection onto a substrate and particle image velocimetry (PIV). This tool also provided additional information on the suspension injection. Finally, the resulting coatings were characterized in terms of morphology (SEM), porosity rate (SEM image analysis and USAXS) and crystalline phases (DRX and EBSD). The cross-checking of the information obtained with all these techniques brought out the role of the suspension liquid phase and of the mass load on the coating microstructure. These works contributed to enhance the knowledge about the SPS process and justified the use of a twin-fluid nozzle to obtain specific microstructures of coatings, whose functional characterizations have still to be done.

L'atomisation d'un liquide par l'intermédiaire d'une nappe est un phénomène fréquemment rencontré dans la nature ainsi que dans un contexte industriel tel que la formation de sprays de combustibles dans les moteurs. Cette étude expérimentale vise à rendre compte des mécanismes de brisure des lames liquides. Deux régimes de nappes sont ici considérés.<br /><br />Le premier correspond à un état stable pour lequel la nappe reste plane. Cet état est étudié à l'aide d'un dispositif formant des nappes par collision de jets cylindriques. Un couplage entre des modulations d'épaisseur de la nappe et la déstabilisation capillaire du bord libre conduisant à la formation des gouttes est mis en évidence. Ces modulations d'épaisseur sont dues aux conditions d'injection et pilotent la fragmentation de la nappe. <br /><br />Lorsque la vitesse d'écoulement dans la nappe est augmentée, une instabilité de cisaillement avec l'air se développe et la nappe se met à battre tel un drapeau. Ce second régime est étudié à partir d'une nappe formée par la collision normale d'un jet rond sur un cylindre solide pouvant osciller verticalement. Les caractéristiques des ondes générées par l'oscillation du point d'impact (vitesse, amplitude,...) sont correctement prédites par une analyse linéaire. Les ondulations de la surface imposent une accélération transitoire au liquide. Cette situation est instable au sens de Rayleigh-Taylor et conduit à des modulations d'épaisseur transverses à l'écoulement. La modification du champ d'épaisseur conditionne la morphologie du bord libre qui est constitué d'indentations à l'extrémité desquelles des ligaments sont formés et se brisent en gouttes. Un modèle incluant le développement des deux instabilités permet de rendre compte de la caractérisation de la fragmentation de la nappe (lieu de brisure, vitesse et taille des gouttes). Enfin, d'autres situations expérimentales mettant en jeu des accélérations et des modulations d'épaisseur sur des nappes liquides sont également envisagées.

La fragmentation d'un jet liquide en un spray de gouttelettes est étudiée lorsque sa surface est soumise à un fort courant de gaz parallèle au jet. La visualisation du jet révèle qu'une étape transitoire précédent la formation des gouttelettes est la croissance de ligaments liquides à partir de la surface. En effet la surface est instable vis-à-vis du cisaillement imposé par le courant gazeux. Initialement lisse elle est soumise à des ondulations axisymétriques grandissantes, dont la longueur d'onde est déterminée par l'épaisseur de la couche limite gazeuse. Les crêtes de ces ondulations présentent des modulations transverses dont l'espacement résulte d'une compétition entre les forces capillaires et l'inertie du gaz. L'allongement de ces modulations dans le courant gazeux crée les ligaments de liquide. Le devenir des ligaments est étroitement lié à l'espacement des modulations transverses. Leur brisure, qui se produit lorsque les forces capillaires les fragmentent, est l'acte de naissance de gouttes dont la taille moyenne est proportionnelle à cet espacement. Les tailles sont largement réparties autour de cette moyenne et un modèle basé sur l'interaction des tailles pendant la brisure rend compte de leur distribution. Le spray de gouttelettes qui résulte des brisures des ligaments présente aussi un large éventail de diamètres. Leur répartition est telle que le nombre de gouttelettes d'un diamètre donné décroît exponentiellement avec le diamètre. Le diamètre moyen est aussi proportionné à l'espacement transverse, il est inversement proportionnel à la vitesse du courant de gaz.

Les contraintes actuelles, écologiques et économiques, imposent aux constructeurs automobiles de réduire la consommation et les émissions polluantes des moteurs Diesel. Pour améliorer ces derniers, il faut comprendre finement les phénomènes physiques mis en jeu et en particulier l'injection du carburant dans la chambre de combustion. Une voie d'analyse de la physique et d'optimisation des moteurs Diesel à injection directe est la simulation numérique et plus particulièrement la modélisation. Après avoir détaillé les caractéristiques physiques des sprays, les modélisations existantes du processus d'atomisation ainsi que leurs limitations, un modèle innovant est présenté : le modèle ELSA (pour Euler - Lagrange pour les Sprays et l'Atomisation). Il prend en compte l'écoulement dans la zone dense du spray et traite le phénomène d'atomisation depuis l'intérieur de l'injecteur jusque dans la zone diluée du spray. Les équations fondamentales de ce modèle sont l'équation de transport de la fraction massique moyenne de liquide et l'équation de transport de la densité massique moyenne d'interface liquide/gaz. Dans ces deux équations apparaît un terme de flux turbulent non fermé. Une méthode de couplage des formalismes eulérien et lagrangien est proposée pour sa fermeture. De plus, en prenant en compte chacun des phénomènes physiques agissant sur la quantité d'aire interfaciale liquide/gaz, des évolutions sur la fermeture de cette équation de transport sont apportées. Enfin, les échanges thermique et massique entre les phases liquide et gaz sont intégrés au modèle ELSA à l'aide de deux équations de transport : une pour la fraction massique de vapeur et une pour l'enthalpie massique de la phase liquide. Des cas de validations sont présentés, concernant tout d'abord une étude comparative en zone dense du jet avec des données issues d'une simulation numérique directe puis à l'aide de données expérimentales macroscopiques comme les pénétrations liquide et vapeur pour un spray vaporisant ou le positionnement de flamme dans le cas d'une combustion diphasique en régime stationnaire.

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.

The aim of this research is to understand the solid state physical properties of inulin in regards to the spray-drying treatments. In this context, inulin powders were produced by pilot spray-drying a commercial inulin dispersion under various feed (Tfeed) and inlet air (Tin) temperatures. More particularly, the amorphous and crystalline properties of the powders were studied by developing different fine characterization tools, such as modulated differential scanning calorimetry or powder X-ray diffraction. When the temperature of the inulin water systems increased, the crystallinity of the powder decreased. To a smaller extent, this tendency is also observed with the increase of the inlet air temperature of the spray drier. For example, an amorphous powder is obtained with a Tfeed of 90°C whatever the Tin (comprised between 120 and 230°C); whereas for a Tfeed of 80°C, a Tin of 230°C is necessary to obtain the same result. Adsorption isotherms were established on four powders covering a large range of crystallinity (crystallinity index from 0 to 92). The Guggenheim Anderson de Boer model was fitted to the experimental data. As the water content of the powders increased, the glass transition of inulin decreased. When the Tg droped below the storage temperature (20°C for example), the powders crystallized and underwent clumping phenomenon. Under these conditions, a continuous hard mass was observed for the amorphous powders; while their semi-crystalline counterparts were agglomerated but friable. To understand these changes, a kinetic study of the physical properties evolution and stability of an amorphous powder as a function of its water content was realized. These results allowed to correlate the Tg water content relationship to the evolution of the powders behaviour, such as stickiness or hardening during storage.

Dans le contexte actuel, l'accroissement des tensions liées à l'utilisation de la ressource en eau impose une meilleure gestion de cette ressource pour la poursuite d'une croissance économique durable. Cette problématique liée à la ressource en eau s'inscrit également dans des préoccupations sociales et environnementales importantes. En Europe, l'irrigation par aspersion représente une large part de la consommation en eau. Or l'irrigation des champs par aspersion est parfois mal adaptée et engendre de fortes pertes, dues à l'évaporation ou à la dispersion due au vent. Ces apports nécessitent d'être optimisés, ce qui passe par une meilleure maîtrise de la taille et de la dispersion des gouttes produites durant l'aspersion. L'objectif principal de cette thèse est la caractérisation des gouttes produites pendant l'atomisation d'un jet d'eau utilisé en irrigation par aspersion et la modélisation de l'atomisation de ce jet. Une technique d'ombroscopie est mise en place pour analyser le coeur liquide et pour caractériser la population de gouttes d'eau produites en terme de tailles et de vitesses moyennes et fluctuantes de la phase liquide. Une attention particulière a été portée sur la calibration de la technique et sur l'estimation des tailles de gouttes produites durant l'atomisation. L'approche employée pour la modélisation de l'atomisation repose sur une description eulérienne de l'écoulement diphasique, où celui-ci est représenté comme un écoulement turbulent d'un seul fluide dont la masse volumique varie selon la composition du mélange diphasique, entre la masse volumique du gaz et celle du liquide. La dispersion du liquide dans son environnement gazeux est prise en compte par la résolution d'une équation de transport de la fraction massique moyenne du liquide. De plus, une équation de transport de la densité moyenne d'interface liquide/ gaz permet de modéliser les phénomènes de fragmentation et de coalescence des gouttes et in fine d'estimer la taille des gouttes.

Les normes d'émission de polluants concernant les véhicules poussent les constructeurs automobiles à s'intéresser à l'injection Diesel haute pression et au phénomène de cavitation qui y tient un rôle prépondérant. En ce domaine, la simulation numérique est un moyen d'investigation puissant et économique. Un modèle polyphasique homogène a été développé : il considère un mélange de carburant (constitué de liquide et/ou de vapeur) et de gaz. Il est basé sur une équation d'état construite par tabulation entre une loi barotrope pour le carburant et la loi des gaz parfaits pour le gaz. La validité de l'approche est testée sur un cas d'implosion de bulle et sur des cas 2D classiques d'injection. Des calculs 3D d'injecteurs réalistes mettent en évidence l'influence de la cavitation et des écoulements secondaires, à l'intérieur de l'orifice de l'injecteur, sur la déstabilisation du jet et l'atomisation primaire du coeur liquide.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Dans un moteur à propergol solide, l'écoulement dépend fortement des gouttes d'alumine en suspension, dont la fraction massique est élevée. La distribution en taille des gouttes, qui s'élargit avec la coalescence, joue un rôle clef. Or résoudre des écoulements diphasiques polydisperses instationnaires avec une bonne précision sur la taille est un défi à la fois sur le plan de la modélisation et du calcul scientifique: (1) de très petites gouttes, par exemple résultant de la combustion de nanoparticules d'aluminium, subissent mouvement brownien et coalescence, (2) de petites gouttes ont leur vitesse conditionnée par leur taille de sorte qu'elles coalescent lorsqu'elles ont des tailles différentes, (3) des gouttes plus grosses peuvent se croiser par effet d'inertie et (4) toutes les gouttes interagissent de manière fortement couplée avec la phase porteuse. En complément des approches lagrangiennes, des modèles eulériens ont été développés pour décrire la phase dispersée à un coût raisonnable, et ils permettent un couplage aisé avec la phase porteuse ainsi que la parallélisation massive des codes: les approches eulériennes sont bien adaptées aux calculs industriels. Le modèle Multi-Fluide permet la description détaillée de la polydispersion, des coreélations taille/vitesse et de la coalescence, en résolvant séparément des "fluides" de gouttes triées par taille, appelés sections. Un ensemble de modèles est évalué dans cette thèse et une stratégie numérique est développée pour effectuer des calculs industriels de moteurs à propergol solide. (1) La physique des nanoparticules est évalué et incluse dans un modèle de coalescence complet. Des méthodes de moments d'ordre élevé sont ensuite développées: (2) une méthode à deux moments en taille est étendue à la coalescence pour traiter la physique de la polydispersion et les développements numériques connexes permettent d'effectuer des calculs applicatifs dans le code industriel CEDRE; (3) une méthode basée sur les moments en vitesse du deuxième ordre, un schéma de transport à l'ordre deux sur maillages structurés ainsi qu'un modèle de coalescence sont développés. Des validations académiques de la stratégie pour gouttes d'inertie modérée sont effectuées sur des écoulements complexes puis avec de la coalescence; (4) une stratégie d'intégration en temps est développée et mise en œuvre dans CEDRE pour traiter efficacement le couplage fort, dans des cas instationnaires et polydisperses incluant de très petites particules. L'ensemble des développements est soigneusement validé: soit par des formules analytiques ad hoc pour la coalescence et pour le couplage fort d'une onde acoustique; soit par des comparaisons numériques croisées avec une DPS pour la coalescence et avec des simulations lagrangiennes de cas applicatifs, coalescents et fortement couplés; soit par des résultats expérimentaux disponibles sur une configuration académique de coalescence et sur un tir de moteur à échelle réduite. La stratégie complète permet des calculs applicatifs à un coût raisonnable. En particulier, un cal- cul de moteur avec des nanoparticules permet d'évaluer la faisabilité de l'approche et d'orienter les efforts de recherche sur les propergols chargés de nanoparticules.