Ce travail concerne les suspensions macroscopiques en régime visqueux, pour lesquelles les interactions sont purement hydrodynamiques, au travers de deux expériences modèles.<br />La première, de nature rhéologique, vise à caractériser les contraintes de la phase particulaire dans une suspension isodense cisaillée. Elle met en évidence une pression des particules, proportionnelle au cisaillement imposé, analogue à la pression osmotique, proportionnelle à la température dans les systèmes Browniens. Les résultats obtenus pour des concentrations en particules allant de 0.30 à 0.50, indiquent que les contraintes normales induites dépendent fortement de la concentration.<br />La seconde expérience concerne des suspensions bidisperses fluidisées de particules plus denses que le fluide. L'efficacité de la fluidisation à ségréger ou à mélanger les particules de tailles différentes est testée pour différents débits imposés. Pour des rapports de tailles assez grands et quelle que soit la concentration, il existe un état ségrégé stationnaire (grosses billes seules surmontées de petites seules). Les vitesses de fronts de ségrégation permettent de discriminer les modèles empiriques proposés dans la littérature : le modèle de Funamizu & Takakuwa rend compte des mesures, avec un seul paramètre ajustable. En revanche, lorsque le rapport de tailles est inférieur à 4/3, et pour une certaine gamme de concentration, aucun état stationnaire n'est observé. Les suspensions oscillent entre états mélangés et états partiellement ségrégés avec une période variant avec la composition et la concentration : le processus de ségrégation est interrompu par un phénomène de mélange encore inexpliqué.

The diploma thesis deals with the study of the behaviour of bidisperse MR fluids. The introduction gives brief research and analysis of previously published studies. In the main part of this thesis, the sedimentation properties of monodispersions and bidispersions are investigated influencing on the primary and secondary particles size, the ratio between the fractions, the total concentration of the particles dispersed in the MR fluid and the carrier fluid viscosity. The initialization sedimentation rate is used to assess sediment stability. Subsequently, MR samples are tested on a slit-flow rheometer, and flow curves are measured at different temperatures and in the presence of various magnetic fields intensities. The MR effect is evaluated by the yield stress. The study contains results describing the behaviour of investigated MR fluid samples.

This thesis makes contributions towards the development of two different small-scale sensing systems which show promise for measurements in fluid mechanics. Well-resolved turbulent Wall Shear Stress (WSS) measurements could provide a basis for realistic computational models of near-wall turbulent flow in aerodynamic design. In aerodynamics field applications, they could provide indication of flow direction and regions of separation, enabling inputs for flight control or active control of wind-turbine blades to reduce shock and fatigue loading due to separated flow regions. Traditional thermal WSS sensors consist of a single microscale hot-film, flush-mounted with the surface and maintained at constant temperature. Their potential for fast response to small fluctuations may not be realized, as heat transfer through the substrate creates heat-exchange with fluid, leading to loss of spatial and temporal resolution. The guard-heated thermal WSS sensor is a design introduced to block this loss of resolution. A numerical flow-field with a range of length and time and scales was generated to study the response of both guard-heated and conventional single-element thermal WSS sensors. A conjugate heat transfer solution including substrate heat conduction and flow convection, provides spatiotemporal data on both the actual and the “measured” WSS fluctuations calculated from the heat transfer rates experienced due to the WSS field. For a single-element sensor in air, we found that the heat transfer through the substrate was up to six times larger than direct heat transfer from the hot-film to the fluid. The resulting loss of resolution in the single-element sensor can be largely recovered by using the guard-heated design. Spectra for calculated WSS from heat transfer response show that high frequencies are considerably better resolved in guard-heated sensors than in the single element sensor. Nanoresonators are nanowires (NWs) excited into mechanical vibration at a resonance frequency, with a change in spectral width created by gas damping from the environment, or a shift in the resonance peak frequency created by added mass. They enable a wide range of applications, from sensors to study rarefied gas flow friction to the detection of early-stage cancer. The extraordinary sensitivity of nanoresonators for disease molecule detection has been demonstrated with a few NWs, but the high cost of traditional electron-beam lithography patterning, have inhibited practical applications requiring large arrays of sensors. Field-directed assembly techniques under development in our laboratory enable a large number of devices at low cost. Electro-deposition of metals in templates yields high-quality single nanowires, but undesired clumps must be removed. This calls for separation (extraction) of single nanowires. In this work, single nanowires are extracted by using the sedimentation behavior of particles. Based on numerical and experimental analyses, the optimum time and region for extracting samples with the highest fraction of single nanowires ratio was found. We show that it is possible to take samples free of large clumps of nanowires and decrease the ratio of undesired particles to single nanowires by over one order of magnitude. / Graduate

The scientific work is related to the theoretical study of the structural properties of concentrated magnetic fluids. We must be a theoretical investigate of structural properties of magnetic fluid for the effective application and synthesis of magnetic fluid. This work is devoted to investigation of interparticle correlations in magnetic fluids, because the real magnetic fluids are polydisperse in their particle size distribution. magnetic fluids is modeled bidisperse system of hard spheres, in the absence of an external magnetic field. Analytical expressions are provided for the pair distribution function and structure factor . These functions make it possible to analyze the internal structure of ferrofluids. The developed theory is compared with the results of computer simulations conducted at the University of Edinburgh, to determine the scope of applicability of the theory. It is shown that the obtained analytical expressions can be successfully applied in a sufficiently wide range of concentrations with moderate ferroparticles interparticle dipole-dipole interaction. The typical behavior of the pair distribution function and structural factor are analyzed in dependence on the particle size distribution in the system. The analytically structure factor analytically is compared with experimental results. / Научная работа связана с теоретическим изучением структурных свойств концентрированных магнитных жидкостей. Для эффективного применения и синтеза магнитной жидкости необходимо теоретическое исследование ее структурных свойств. Поскольку реальные магнитные жидкости являются полидисперсными по своему гранулометрическому составу, данная работа посвящена исследованию межчастичных корреляций в магнитных жидкостях, которая моделируется бидисперсной системой твердых сфер, в отсутствие внешнего магнитного поля. Определено аналитическое выражение для парной функции распределения и структурного фактора рассеяния. Эти функции дают возможность проанализировать внутреннюю структуру феррожидкостей. Построенная теория сравнивается с результатами компьютерного моделирования, проведенного в университете г. Эдинбург, для определения области применимости теории. Показано, что полученные аналитические выражения могут быть успешно применены в достаточно широкой области концентраций феррочастиц с умеренными межчастичными диполь-дипольными взаимодействиями, сравнимыми с тепловой энергией. Проанализировано типичное поведение парной функции распределения и структурного фактора в зависимости от гранулометрического состава в системе. Структурный фактор, полученный аналитически, сравнивается с результатами эксперимента.

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La compréhension des propriétés structurales et mécaniques des assemblages granulaires reste un problème ouvert. La modélisation numérique de ces milieux par Dynamique Moléculaire permet de répondre à certaines interrogations. Tout d'abord, nous étudions les effets des paramètres de mélange sur le degré d'ordre et la distribution des contraintes dans ces arrangements de grains. Ensuite, nous nous intéressons aux propriétés acoustiques de ces milieux, très nonlinéaires comparées aux solides élastiques continus; nos simulations servent à clarifier les déficiences de la Théorie de Milieu Effectif, qui rend partiellement compte de la dépendance en pression des modules élastiques, et elles montrent que la relaxation des grains après une déformation infinitésimale est une composante essentielle du module de cisaillement. Il y a donc un besoin pour une formulation alternative et l'approche traditionnelle élasto-plastique a été remise en cause par des nouveaux modèles. Si l'expérience numérique menée de mesure de la fonction réponse (champ de contrainte généré par une force ponctuelle) montre une remise à l'échelle élastique, elle rend également compte de phénomènes importants de relaxation. Les mécanismes de déformation des matériaux granulaires ont aussi été étudiés en simulant des essais biaxiaux; ils reproduisent qualitativement les données mécaniques classiques (pic de contrainte, transition compaction/dilatance) et aussi la localisation de la déformation; à faible pression, les rotations de grains accommodent la déformation tandis qu'à forte pression, la mobilisation du frottement est plus marquée. Enfin, nous proposons un modèle probabilistique d'endommagement de roches granulaires qui prédit une dépendance de l'endommagement avec à la fois l'hétérogénéité de cimentation et la taille d'échantillon. Ces prédictions sont confirmées par des simulations qui permettent également de mettre en évidence deux régimes d'endommagement successifs, diffus puis concentré en amas.