Nous étudions la formation de bulles dans un fluide à seuil (matériaux liquides si la contrainte appliquée est supérieure à la contrainte seuil, et solides autrement) au moyen de géométries milli fluidiques (jonctions en T, “flow focusing“) constituées de canaux axisymétriques, et fabriquées par stéréo lithographie. En tirant partie de la domination des effets capillaires par la contrainte seuil, nous produisons des bulles dans des fluides à seuil simples (émulsions concentrées, gels de carbopol). La formation des bulles est due au pincement du filament de gaz par l'écoulement de fluide à seuil à débit imposé. Il rappelle celui observé pour des fluides Newtoniens dans des géométries de “flow focusing“ 2D. Nous étudions les différents régimes de fonctionnement de ces systèmes lorsque le débit de fluide à seuil et la pression de gaz sont imposés. La production instationnaire de bulles est observée, et expliquée par la rétroaction provenant des variations de résistance hydrodynamique induites par la formation des bulles sur le débit de gaz. La déstabilisation finale se produit lorsque toutes les bulles coalescent. Ceci est dû au transfert de fluides entre les ponts liquides séparant les bulles et les films fins situés près des parois solides. Aussi, nous étudions le dépôt de fluide à seuil dans un tube capillaire avec ou sans glissement aux parois. En effet, ce phénomène est courant lors de l'écoulement de fluide à seuil en milieu confiné sur des surfaces lisses. Les résultats peuvent être décrits par une loi d'échelle (contrainte interne équilibrant le gradient de pression capillaire) lorsqu'il n'y a pas de glissement aux parois. Dans le cas contraire nous montrons qu'il existe trois régimes dépendant de l'état de contrainte du système, et qu'ils fixent les formes de bulle observées en régime instationnaire. Finalement, différentes méthodes de régulations (pression, écoulement pulsés) nous permettent d'obtenir des régimes stationnaires. Ceux-ci sont caractérisés (fraction volumique de gaz, temps de formation de bulles), et permettent l'obtention de mousses de fluides à seuil. Ainsi, ouvrant potentiellement la voie à la production contrôlée de fluides à seuil aérés à grande échelle / We study the formation of bubbles inside yield stress fluids (liquid when the applied stress is above the yield stress, and solid otherwise) using mill fluidic geometries (T-junctions, flow focusing devices) made of axisymmetric channels, and manufactured by stereo lithography. We show that dispersing bubbles in simple yield stress fluids (concentrated emulsions, and carbopol gels) is possible by taking advantage of the yield stress over the capillary stress, and due to the squeezing of the gas thread by the core of the yield stress fluid flow at imposed flow rate. The observed behaviour is reminiscent of the geometrical operating regime in 2D flow-focusing devices for Newtonian fluids. We investigate the different operating regimes that occur when the yield stress fluid flow rate and the gas pressure are imposed. We report that, for these inlet conditions the production is unsteady, which comes from the hydrodynamic feedback induced by the formation of each bubble on the gas flow rate. The regime eventually breaks down when all bubbles coalesce. This is due to the transfer between the liquid plugs separating each bubble and the thin film located on the channel wall. Thus, we study the deposition of yield stress fluid on the wall of capillary tubes. Indeed, this often occurs for yield stress fluids flowing in confined geometries on smooth surfaces. The results with no-slip are well described by a classical scaling law (internal stresses balanced by capillary pressure gradient). When there is wall slip, we show that there are three regimes that depend on the stress state of the system, and set the bubbles' shape observed for unsteady regimes. Finally, different regulation methods (pressure, pulsated flows) allow to obtain steady regimes. They are characterized (gas volume fraction, bubble formation time) and we show that they allow to obtain yield stress fluid foams. Thus, identifying pathways for potential steady-state controlled production of aerated yield stress fluids at large scale

Les mousses liquides sont utilisées dans de nombreux domaines de la vie quotidienne. Leur excellente capacité à dissiper de l'énergie en fait également des matériaux très utilisés dans le domaine militaire pour atténuer les ondes de souffle émises lors d'une explosion. Dans cette thèse, nous avons conçu un dispositif expérimental original nous permettant de visualiser la déformation d'une mousse liquide lors de l'impact d'une onde de souffle en sortie d'un tube à choc. Nous mesurons la surpression en plusieurs points de la mousse, sur une gamme de 5 à 50 kPa. Nous mettons en évidence une atténuation de pression qui augmente avec la taille des bulles puis sature, tous les autres paramètres, notamment la fraction liquide, étant maintenus constants. Ces résultats sont interprétés avec un modèle de dissipation thermique à l'échelle de la bulle suggérant l'existence d'un maximum d'atténuation pour une taille de bulles donnée. Nous caractérisons ensuite la vitesse de propagation de l'onde au sein de la mousse. Aux petites amplitudes, la vitesse suit le modèle de Wood, basé sur une propagation linéaire dans un milieu continu effectif. Aux plus hautes amplitudes, nous mettons en évidence l'apparition d'un régime non linéaire, avec une vitesse de propagation plus importante et une atténuation plus faible, ces deux phénomènes étant retrouvés à la fois théoriquement et numériquement. Près de la source, la mousse est détruite par le choc. Nous terminons notre étude avec des résultats plus qualitatifs sur la quantité de mousse détruite et la vitesse de propagation du front de rupture, visualisées pour la première fois dans une mousse tridimensionnelle. / Liquid foams are used in various domains in our everyday life. Their excellent ability to dissipate energy makes foams widely used in the military domain to mitigate blast waves produced after an explosion. In this Thesis, we have designed an original experimental setup allowing us to image the deformation of a liquid foam after the impact of a blast wave exiting a shock tube. We also measure the overpressure in the foam, within a range of 5 to 50\,kPa. We evidence a pressure attenuation, increasing and then saturating at increasing bubble size, while all the other parameters of the foam, especially liquid fraction, are kept constant. Those results are interpreted with a thermal dissipation model at the bubble scale, suggesting the existence of a maximum dissipation for a given bubble size. We then characterise the wave velocity in the foam. At small amplitudes, the velocity follows Wood's model, based on linear propagation in an effective continuous medium. At greater amplitudes, we show the apparition of a non-linear regime, with a higher propagation velocity and a lower attenuation, those two features being captured theoretically and numerically. Close to the source, the foam is destroyed by the shock. We close our study with more qualitative results on the quantity of destroyed foam and the propagation velocity of the rupture front, which have been evidenced for the first time in a three-dimensional foam.

Dans le domaine de la cristallisation des fibres monocristallines par la technique de la micro-pulling down (µ-PD), les résultats récents sur les performances des fibres monocristallines (optique, laser, scintillateur) ont montré l’étendue des champs d’applications ouverts aux fibres cristallines. La course à la croissance cristalline, la fabrication de fibres cristallines performantes et la maitrise des procédés sont des enjeux de recherche dans un nombre important de laboratoires à travers le monde. Les fibres monocristallines de saphir et du YAG dopées Cérium (Ce3+) sont des formats à forte valeur ajoutée. Elles sont susceptibles d’être utilisées dans un large domaine d’applications, d’où la nécessité de contrôler et de maitriser la technologie de fabrication. En fonction des conditions de tirage (gradient de température, orientations cristallographiques des germes, vitesses de tirage), nous nous sommes intéressés à l’étude des bulles et des contraintes résiduelles dans le saphir tiré par µ-PD. La ségrégation du Cérium et la propagation de la lumière ainsi que l’atténuation dans les fibres YAG-dopées Cérium (Ce3+) ont été étudiées en fonction des vitesses de tirage. Nous avons étudié tous ces phénomènes ainsi que les mécanismes mis en jeu. La variation de la vitesse de tirage est en corrélation avec la distribution des bulles, la ségrégation du Ce et l’atténuation. A travers ce travail, on est en mesure de dire que les phénomènes à l’origine de la présence, de la répartition des bulles dans les fibres saphir et la ségrégation du Cérium dans le YAG ont été significativement éclaircis et que, à partir de ces résultats, des améliorations peuvent être apportées aux procédés technologiques de tirage par µ-PD / In the field of crystallization of single crystal fibers by micro-pulling down (µ-PD) technique, the recent results on the performance of single crystal fibers (optical, laser, scintillator) have shown the wide range of applications open to crystalline fibers. The race for crystal growth, the manufacture of high-performance crystal fibres and process control are research challenges in a large number of laboratories around the world. Cerium-doped monocrystalline sapphire and YAG fibres (Ce3+) are high value-added formats. They are likely to be used in a wide range of applications, hence the need to control and master manufacturing technology. Depending on the growth conditions (temperature gradient, crystallographic orientations of the germs, growth speeds), we were interested in studying the bubbles and residual stresses in the sapphire pulled by µ-PD. The segregation of Cerium and the propagation of light as well as the attenuation in YAG-doped Cerium fibres (Ce3+) were studied as a function of growth speeds. We have studied all these phenomena and the mechanisms involved. The variation in the growth rate is correlated with the distribution of bubbles, the segregation of Ce and the attenuation. Through this work, it can be said that the phenomena at the origin of the presence, distribution of bubbles in sapphire fibres and the segregation of Cerium in the YAG have been significantly clarified and that, from these results, improvements can be made to the technological processes of pulling by µ-PD

Les technologies laser sont largement utilisées dans le contexte de l'impression 3D de matériaux de toute taille ainsique pour la bioimpression des constituants de tissue biologiques. Dans ce contexte, la bioimpression par laser (LAB), basée sur le procédé LIFT, a émergé comme une technique permettant de s'affranchir des inconvénients des technologies d'impression à jet d'encre(par exemple le colmatage). La bioimpression par Laser est une technique d'écriture directe de matériaux sous forme solide ou liquide dotée d'une haute résolution spatiale. La technique permet ainsi le transfert précis de microgouttelettes (volume de l'ordre du pL) de biomatériaux et de cellules sur un substrat de réception. Dans nos travaux de recherche, afin de mieux comprendre la dynamique du processus de transfert et d'utiliser la technique en ingénierie tissulaire, nous avons avons développé une approche expérimentale basée sur une méthode d'imagerie résolue en temps. Nous avons tout d'abord caractérisé les différents régimes d'éjection afin de définir des conditions appropriées à l'impressiond'éléments biologiques. Nous avons également exploré la fenêtre d'éjection, afin d'étudier l'influence de l'énergie laser sur la dynamique de jet. Ensuite, nous avons étudié une nouvelle de configuration bioimpression par laser pour laquelle des études paramétriques impliquant l'effet de la viscosité et de la distance d'impression sur la morphologie des gouttes imprimées ont été réalisées. Cette configuration permet d'imprimer des encres biologiques en obtenant des contours très lisses et uniformes jusqu’à une grande distance de séparation (≤10 mm). Les paramètres d'impression de cellules ont aussi été analysées par TRI en fonction de la concentration cellulaire des encres. Nos résultats fournissent des renseignements clés sur l'optimisation et devraient permettre un meilleur contrôle du mécanisme de transfert du processus de LAB. Enfin à la lumière de ces études, nous proposons un mécanisme complet pour la bioimpression par laser. / Laser-based approaches are among the pioneering works in cell printing. These techniques are being extensively focussed for two or three-dimensional structures of any size in transferring pattern materials including deposition of 3D biological constructs. In this context, Laser-Assisted Bioprinting (LAB), based on Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) has emerged as a nozzleless method to surmount the drawbacks (e.g. clogging) of inkjet printing technologies. LAB is a laser direct-write technique that offers printing micropatterns with high spatial resolution from a wide range of solid or liquid materials, such as dielectrics, biomaterials and living cells. The technique enables controlled transfer of droplets onto a receiving substrate. A typical LAB setup comprises three key components: (i) a pulsed laser source, (ii) a ribbon coated with the material to be transferred and (iii) a receiving substrate. The ribbon integrates three layers: (i) a quartz disk support transparent to laser wavelength, (ii) a thin (1–100 nm) absorbing layer (like Ti or Au), and (iii) a bioink layer (few tens of microns) incorporating the material to print. The receiving substrate is faced to the bioink and placed at 100 μm to 1 mm distance from the ribbon. Rapid thermal expansion of metallic layer (on absorbing laser pulse) propels a small volume (~pL) of the ink towards a receiving substrate. Such a metallic interlayer eliminates direct interaction between the laser beam and the bioink. Volume of deposited material depends linearly on the laser pulse energy, and that a minimum threshold energy is required for microdroplet ejection. The thickness of the absorbing layer, viscosity and thickness of the bioink, different optical parameters such as the focus spot and the laser fluence are the controlling parameters to obtain a microscopic resolution and to limit the shock inflicted on the ejected cells. In our research works, we considered experimental approach to study the physical mechanism involved in the LAB using a time-resolved imaging method in order to gain a better insight into the dynamics of the transfer process and to use the technique for printing biomaterials. First we designed and implemented a novel configuration of LAB for upward printing. Then we characterized different ejection regimes to define suitable conditions for bioprinting. We further explored jetting window to study the influence of laser energy on jet dynamics. Ejection dynamics has been investigated by temporal evolution of the liquid jet for their potential use in cell printing. In addition parametric studies like effect of viscosity and printing distance on the morphology of the printed drops were conducted to explore jetting “window”. This configuration allows debris-free printing of fragile bioinks with extremely smooth and uniform edges at larger separation distance (ranging from 3 to 10mm). Material criteria required for realization of the cell printing are discussed and supported by experimental observations obtained by TRI investigation of cell printing from donors with different cell concentrations. These results provide key insights into optimization and better control of transfer mechanism of LAB. Finally, in the light of these studies, a comprehensive mechanism is proposed for printing micro-drops by LAB.

Cette thèse vise à contribuer à la caractérisation, à l’aide de modélisation et d’expérience, de la dynamique de bulle en microfluidique. Deux régimes d’écoulements rencontrés en microfluidique sont étudiés, le régime bubbly flow et le régime Taylor flow. En particulier, la première partie de cette thèse traite de la dynamique d’un écoulement de type bubbly flow dans un microcanal rectiligne de section circulaire en présence de surfactants. Le code de calcul numérique JADIM est utilisé. Une méthode numérique permettant, d’une part, de simuler le transport de surfactants le long d’une interface qui bouge et qui se déforme, et d’autre part, de simuler l’effet Marangoni crée par une distribution inhomogène de ces surfactants sur cette interface, est implémentée et validée. Les simulations effectuées avec ce code concernant la dynamique d’un écoulement de type bubbly flow montrent par exemple que, le confinement créé par les parois du microcanal résulte en une distribution des surfactants sur la surface des bulles qui est fondamentalement différente d’une distribution rencontrée dans le cas d’une bulle qui se déplace dans un liquide de dimension infinie. En effet, les surfactants s’accumulent en des locations spécifiques sur la surface des bulles et créent des forces de Marangoni locale, qui influencent drastiquement la dynamique des bulles. Dans certains cas, les surfactants peuvent même engendrer une désintégration de la bulle, un mécanisme qui est rationalisé par un bilan de force à l’arrière de la bulle. La méthode numérique implémentée dans cette thèse est également utilisée pour un problème pratique concernant la production artisanale de Mezcal, une boisson alcoolisée produite au Méxique. La seconde partie de cette thèse traite de la dynamique d’un écoulement de type Taylor flow, à l’aide d’expérience et de modélisation. Une méthode expérimentale permettant de mesurer l’épaisseur du film de lubrification qui se forme entre une bulle de Taylor et les parois du microcanal est développée. Cette méthode requiert uniquement une image « brightfield » de la bulle. En plus de la mesure de l'epaisseur du film de lubrification, la méthode permet aussi de mesurer la profondeur du microcannal. Enfin, l'utilisation de la méthode proposée couplée à la mesure de la vitesse de translation de la bulle permet de déduire la tension de surface de celle-ci. Dans le dernier chapitre de cette thèse, l'influence des effets gravitaires sur la dynamique des écoulements de Taylor est quantifiée. Quoique souvent négligée en microfluidique, il est montré que les effets gravitaires peuvent avoir un impact significatif sur la dynamique des écoulements de Taylor. Ces impacts sont quantifiés à l'aide d'expériences et de modélisations. Ce travail a été réalisé à la Princeton University avec Professeur Howard A. Stone pendant un séjour de 7 mois. / This thesis aims at contributing to the characterization of the dynamics of bubbles in microfluidics through modeling and experiments. Two flow regimes encountered in microfluidics are studied, namely, the bubbly flow regime and the Taylor flow regime (or slug flow). In particular, the first part of this thesis focuses on the dynamics of a bubbly flow inside a horizontal, cylindrical microchannel in the presence of surfactants using numerical simulations. A numerical method allowing to simulate the transport of surfactants along a moving and deforming interface and the Marangoni stresses created by an inhomogeneous distribution of these surfactants on this interface is implemented in the Level set module of the research code. The simulations performed with this code regarding the dynamics of a bubbly flow give insights into the complexity of the coupling of the different phenomena controlling the dynamics of the studied system. Fo example it shows that the confinement imposed by the microchannel walls results in a significantly different distribution of surfactants on the bubble surface, when compared to a bubble rising in a liquid of infinite extent. Indeed, surfactants accumulate on specific locations on the bubble surface, and create local Marangoni stresses, that drastically influence the dynamics of the bubble. In some cases, the presence of surfactants can even cause the bubble to burst, a mechanism that is rationalized through a normal stress balance at the back of the bubble. The numerical method implemented in this thesis is also used for a practical problem, regarding the artisanal production of Mezcal, an alcoholic beverage from Mexico. The second part of the thesis deals with the dynamics of a Taylor flow regime, through experiments and analytical modeling. An experimental technique that allows to measure the thickness of the lubrication film forming between a pancake-like bubble and the microchannel wall is developed. The method requires only a single instantaneous bright-field image of a pancake-like bubble translating inside a microchannel. In addition to measuring the thickness of the lubrication film, the method also allows to measure the depth of a microchannel. Using the proposed method together with the measurment of the bubble velocity allows to infer the surface tension of the interface between the liquid and the gas. In the last chapter of this thesis, the effect of buoyancy on the dynamics of a Taylor flow is quantified. Though often neglected in microfluidics, it is shown that buoyancy effects can have a significant impact on the thickness of the lubrication film and consequently on the dynamics of the Taylor flow. These effects are quantified using experiments and analytical modeling. This work was performed at Princeton University with Professor Howard A. Stone during a seven month stay.

Ce travail porte sur le couplage des déformations d'une bulle avec son sillage et sa trajectoire dans plusieurs configurations. Un formalisme de type eulérien-lagrangien permet d'écrire le problème sur un domaine mouvant faiblement déformé par rapport à la configuration de référence. Grâce à cette approche, il est possible d'étudier dans un cadre linéaire le couplage entre les déformations d'une bulle et les effets hydrodynamiques. En appliquant ce formalisme, on peut dans un premier temps calculer l'écoulement de base autour de la bulle et sa géométrie d'équilibre, et dans un second temps développer une approche de stabilité globale prédisant les seuils d'instabilité et les propriétés des modes d'oscillation. Afin de développer cette méthode, des résultats sur les oscillations linéaires de bulles et de gouttes dans un fluide au repos et sans influence de la gravité sont tout d'abord présentés et comparés à des résultats théoriques existants. Puis, le principe du formalisme eulérien-lagrangien est illustré en prenant pour problème modèle l'équation de la chaleur formulée sur un domaine arbitrairement déformé. Ce principe est ensuite appliqué aux équations de Navier-Stokes, aboutissant à une version linéarisée autour d'un domaine de référence incluant de manière complète les couplages entre déformations de la géométrie et perturbations de l'écoulement. On met en oeuvre sur le système obtenu une méthode itérative de Newton donnant accès à l'état de base, c'est-à-dire à l'écoulement stationnaire autour de la bulle et à sa forme d'équilibre. Ce même système permet par la suite d'effectuer une analyse de stabilité globale de l'écoulement autour d'une bulle qui se déforme. L'algorithme développé est d'abord appliqué au cas d'une bulle piégée dans un écoulement d'étirement, permettant de décrire des formes d'équilibre dans des régimes stables et instables. Le cas de la bulle en ascension dans un fluide pur est ensuite abordé. Une étude paramétrique est conduite, couvrant une vaste gamme de liquides allant de l'eau pure à des huiles de silicone très visqueuses. Les états de base calculés par la méthode de Newton ainsi que les seuils d'instabilité des sillages sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Dans les cas des liquides très peu visqueux, notre approche décrit de manière plus précise les effets visqueux dans les couches limites et donne des résultats plus satisfaisants que les approches numériques existantes. Elle confirme par ailleurs que la déformation de la bulle joue un rôle mineur dans ces gammes de paramètres. Pour les liquides plus visqueux en revanche, on observe un couplage plus fort entre déformation et sillage. / This works deals with the coupling between time-dependent deformation, wake dynamics and path characteristics of a gas bubble in different configurations. An Eulerian-Lagrangian formalism is sought to formulate this problem in a moving domain having a small deformation compared to the reference configuration. This approach allows us to study the linear coupling between bubble deformations and hydrodynamic effects. This formalism makes it possible to first compute the base flow around a bubble and the corresponding steady shape, then to develop a global stability approach aimed at predicting the threshold of path instability and the properties of bubble oscillation modes. To develop this method, we first compute the linear oscillations of bubbles and drops in a quiescent fluid without gravity and compare them to existing theory. Then, the premise of the Eulerian-Lagrangian formalism is illustrated using a model equation, namely the heat equation written in an arbitrarily deformed domain. The same formalism is applied to the NavierStokes equations, yielding a linearized version of these equations in the neighbourhood of a reference domain, including the two-way coupling between shape deformations and perturbations of the base flow. With this system of equations at hand, we implement a Newton method that provides the steady state, i.e. the base flow around the bubble and its geometry. The same system allows us to carry out a global stability analysis of the flow past a deformable bubble. We first consider the situation where the bubble is trapped in a straining flow, for which we compute stable and unstable equilibrium shapes. We finally tackle the case of a buoyancy-driven bubble rising in a pure liquid. A parametric study is carried out over a wide range of liquids, from pure water to high-viscosity silicon oils. Steady states computed with the Newton method and instability thresholds are found to be in good agreement with experimental observations. For low-viscosity fluids, our approach captures the viscous effects that take place in the boundary layer better than existing computational approaches, yielding predictions for the onset of path instability in better agreemnt with observations. Furthermore, it confirms that time-dependent bubble deformations play a minor part for such liquids. In contrast, a stronger coupling between shape and path instabilities is observed in high-viscosity fluids

Cette thèse porte sur différentes problématiques liées à la détection, l'ajustement et l'identification de structures elliptiques en images. Nous plaçons la détection de primitives géométriques dans le cadre statistique des méthodes a contrario afin d'obtenir un détecteur de segments de droites et d'arcs circulaires/elliptiques sans paramètres et capable de contrôler le nombre de fausses détections. Pour améliorer la précision des primitives détectées, une technique analytique simple d'ajustement de coniques est proposée ; elle combine la distance algébrique et l'orientation du gradient. L'identification d'une configuration de cercles coplanaires en images par une signature discriminante demande normalement la rectification Euclidienne du plan contenant les cercles. Nous proposons une technique efficace de calcul de la signature qui s'affranchit de l'étape de rectification ; elle est fondée exclusivement sur des propriétés invariantes du plan projectif, devenant elle même projectivement invariante / This thesis deals with different aspects concerning the detection, fitting, and identification of elliptical features in digital images. We put the geometric feature detection in the a contrario statistical framework in order to obtain a combined parameter-free line segment, circular/elliptical arc detector, which controls the number of false detections. To improve the accuracy of the detected features, especially in cases of occluded circles/ellipses, a simple closed-form technique for conic fitting is introduced, which merges efficiently the algebraic distance with the gradient orientation. Identifying a configuration of coplanar circles in images through a discriminant signature usually requires the Euclidean reconstruction of the plane containing the circles. We propose an efficient signature computation method that bypasses the Euclidean reconstruction; it relies exclusively on invariant properties of the projective plane, being thus itself invariant under perspective

Le gaz électrogénéré dans les réacteurs électrochimiques est un phénomène à la fois électrochimique et hydrodynamique. La chute ohmique dans la solution électrolyte est l'un des paramètres importants à évaluer pour l'optimisation des réacteurs électrochimiques. Elle est due à la résistance de la solution, donc, à sa conductivité électrique et la distance entre les deux électrodes. Pour réduire la consommation énergétique de la cellule de réduction électrolytique de particules d'hématite en fer métallique, on a étudié la conception des anodes, sièges de la production des bulles d'oxygène, dans deux cellules équivalentes d'électrolyse d'eau dans un milieu alcalin. Les résultats ont montré que seulement 25% de l'anode est réellement active et que le taux de rétention augmente le long de l'anode et les bulles atteignent leur vitesse terminale dès 50% de la hauteur de l'anode. Ceci nous a permis de formuler des recommandations qui permettent d'avoir les meilleures conditions de désengagement des bulles électrogénérées, pour une consommation énergétique plus faible du procédé électrochimique / Electrogenerated gas in electrochemical reactors is considered as an electrochemical and hydrodynamic phenomenon. The ohmic drop in the electrolyte solution is one of important parameter to evaluate for the optimization design of electrochemical reactors. It is due to the resistance of the solution, therefore, its electrical conductivity and of the distance between the two electrodes. To reduce the energy consumption of the electrolytic reduction cell of hematite particles to metallic iron, we studied the design of anode, the location of oxygen bubbles production, in two equivalent cells for water electrolysis in an alkali media. The results showed that the gas hold up increases along the anode and only 25% of the initial anode height is actually active. Moreover the bubbles reach their terminal velocity after 50% of the initial anode height. This allowed us to formulate recommendations that allow the best conditions of bubbles electrogenerated disengagement and low energy consumption

Ce travail de recherche est dédié à la compréhension des mécanismes physiques de l’érosion de cavitation dans un fluide compressible à l’échelle fondamentale de l’implosion d’une bulle de cavitation. Suite à l’implosion d’une bulle de vapeur à proximité d’une surface solide, des très hautes pressions sont générées. Ces pressions sont considérées responsables de l’endommagement (érosion) des surfaces solides observé dans la plupart des applications. Notre approche numérique démarre avec le développement d’un solveur compressible capable de résoudre les bulles de cavitation au sein du code volumes finis YALES2 en utilisant un simple modèle de mélange homogène des phases fluides. Le solveur est étendu à une approche ALE (Arbitraire Lagrangien Eulérien) dans le but de mener des simulations d’interaction fluide-structure sur un maillage mobile. La réponse du matériau solide est calculée avec le code de calcul éléments finis Cast3M, et nous a permis de mener des simulation avec un couplage d’abord monodirectionnel, ensuite bidirectionnel, entre le fluide et le solide. On compare des résultats obtenus à deux dimensions, puis à trois, avec des observations expérimentales. On discute les chargements de pression estimés, et les réponses de différents matériaux pour des implosions de bulle à des différentes distances de la surface. Enfin, à travers l’utilisation de simulations avec couplage bidirectionnel entre fluide et solide, on identifie l’amortissement des chargements de pression pour les différents matériaux. / This research is devoted to understanding the physical mechanism of cavitation erosion in compressible liquid flows on the fundamental scale of cavitation bubble collapse. As a consequence of collapsing bubbles near solid wall, high pressure impact loads are generated. These pressure loads are believed to be responsible for the erosive damages on solid surface observed in most applications. Our numerical approach begins with the development of a compressible solver capable of resolving the cavitation bubbles in the finite-volume solver YALES2 employing a simplified homogenous mixture model. The solver is extended to Arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation to perform fluid structure interaction simulation with moving mesh capabilities. The material response is resolved with the finite element solver Cast3M, which allowed us to perform one-way and two-way coupled simulations between the fluid and solid domains. In the end, we draw comparisons between 2D and 3D vapor bubble collapse dynamics and compare them with experimental observations. The estimated pressure loads on the solid wall and different responses of materials for attached and detached bubble collapses are discussed. Finally, the damping of pressure loads by different materials is identified with two-way coupled fluid-structure interaction.

Cette thèse projetait d’étudier à la fois l’hydrodynamique et le transfert de masse dans les colonnes de pulvérisation et les colonnes à bulles, et de comparer leurs consommations de puissance spécifiques afin d’élaborer la directive de sélection pour les utilisations industrielles. Les résultats ont indiqué que la colonne à bulles avait une surface interfaciale spécifique plus grande que la colonne de pulvérisation lorsqu’on utilise un faible taux de charge de gaz. Dans cette plage de fonctionnement, la colonne à bulles produisait un coefficient de transfert de masse global plus élevé avec la même consommation d'énergie spécifique. Cependant, lorsqu’elle fonctionnait à un taux de charge de gaz élevé, la colonne de pulvérisation était meilleure que la colonne à bulles, car celle-ci consommait une plus grande consommation d’énergie, la chute de pression de la colonne à bulles étant principalement due au débit de gaz. En outre, cette recherche a également étudié l'effet de la phase solide sur l'hydrodynamique et le transfert de masse dans la colonne à bulles et la colonne de pulvérisation. En utilisant la méthode colorimétrique de l'expérience «bouteille rouge», il a été constaté que la collision bulle-particules diminuait le transfert de masse des bulles car la collision ralentissait les bulles, en particulier pour les petites bulles, du fait que la petite bulle perdait simplement leur vitesses de la collision. Cependant, l’introduction des particules présentait un avantage, car les particules solides pouvaient obstruer la bulle en hausse et réduire sa vitesse de montée. En conséquence, le temps de contact entre le gaz et le liquide est augmenté et conduit à une plus grande rétention de gaz, une zone interfaciale spécifique et donc un transfert de masse. / This thesis projected to investigate both hydrodynamics and mass transfer in both spray and bubble columns and comparing their specific power consumptions in order to develop the selection guideline for industrial usages. The results indicated that the bubble column had larger specific interfacial area than the spray column when using a small gas loading rate. At this range of operation, the bubble column yielded a higher overall mass transfer coefficient with the same specific power consumption. However, when operating at high gas loading rate, the spray column was the one better than the bubble column since the bubble column consumed larger power consumption as the pressure drop of the bubble column was mostly due to the gas flow. In addition, this research also studied the effect of the solid phase on the hydrodynamics and mass transfer in the bubble column and spray column. By using the colorimetric method of “red bottle” experiment, it was found that the bubble-particles collision diminished the mass transfer of bubbles because the collision slowed down the bubbles especially for the small bubbles due to the fact that the small bubble simply lost their velocities from the collision. However, there was an advantage of introducing the particles since solid particles could obstruct the rising bubble and reduced its rising velocity. Consequently, the contact time between gas and liquid is increased and resulted in a higher gas hold up, specific interfacial area and thus mass transfer.