Le palladium est couramment utilisé pour le stockage du tritium, isotope radioactif de l'hydrogène, car il forme un tritiure réversible, à basse pression d'équilibre. La décroissance du tritium en hélium-3 provoque un vieillissement du tritiure, caractérisé notamment par l'apparition de bulles d'hélium-3, qui est étudié ici. De précédents travaux de modélisation du vieillissement avaient abouti à la création de deux modèles traitant, d'une part, de la germination des bulles d'hélium-3 (utilisation d'un automate cellulaire) et, d'autre part, de la croissance des bulles (mécanique des milieux continus). Ces modèles étaient fonctionnels, mais leur utilisation était limitée par le manque de données expérimentales d'entrée et de recalage. Ce travail de thèse a donc consisté à acquérir les données expérimentales les plus pertinentes pour améliorer la modélisation du vieillissement du tritiure de palladium. La première partie de ce travail a consisté à estimer les propriétés mécaniques du tritiure de palladium (limite d'élasticité, contrainte maximale, loi de comportement...), déduites de celles de l'hydrure et du deutérure de palladium, mesurées à l'aide d'essais de traction in situ. En seconde partie, la caractérisation du vieillissement a été entreprise, focalisée sur des observations de bulles dans le tritiure de palladium par microscopie électronique en transmission, des mesures de pression à l'intérieur des bulles par résonance magnétique nucléaire et des mesures de gonflement macroscopique du matériau par pycnométrie. Ces travaux ont conduit à des avancées significatives quant à la compréhension du vieillissement et ont permis d'améliorer considérablement sa modélisation.

The scope of this thesis is micromanipulation in liquid media. This scientific field aims at understanding the relevant phenomena existing during the manipulation in a liquid of microcomponents having a size between $1,micrometer$ and a few millimeters. This work focuses on the study of surface tension forces in immersed media, because they have favorable scaling effect. The main idea is to use gas bubbles as actuation mean in a liquid, and requires to study the mechanical properties of these bubbles. The originality of the approach is the combination of two effects: surface tension and gas compressibility. The first step was the study of an efficient mean to generate a single bubble of predefined size. After a detailed review, it appeared that volume controlled bubble generation was a promising method. We have then developed a model to predict the size of a bubble, and emphasized the possible existence of a growing instability. An analytic dimensionless study allowed to define a criterion to predict the existence of this instability. The second step aimed at the mechanical characterization in quasi static equilibrium of a gas bubble caught between two solids. The purpose is to predict the force generated by the bubble, together with its stiffness. The model implemented allowed to infer interesting properties, notably a high compliance whose value is controllable by fluidic parameters. This compliance property being very important during micromanipulation, a demonstrator making use of gas bubbles has been designed and manufactured. It consists in a compliant microtable actuated by three bubbles. This work opens the way to new actuation or sensing means, using the transduction between fluidic and mechanic energy operated by a capillary bridge. / Cette thèse a pour contexte la micromanipulation en milieu liquide. Cette thématique scientifique vise à comprendre les phénomènes qui interviennent lors de la manipulation dans un liquide de microcomposants, dont la taille peut varier entre $1,micrometer$ et quelques millimètres. Les travaux de cette thèse se sont focalisés sur l'étude des forces de tension de surface en milieu immergé, car elles bénéficient d'effets d'échelle favorables. L'idée poursuivie est d'utiliser des bulles de gaz comme un moyen d'actionnement dans les milieux liquides, et nécessite d'étudier les propriétés mécaniques de ces bulles. L'originalité de l'approche repose sur la combinaison de deux effets : la tension de surface et la compressibilité du gaz. La première étape a été l'étude d'un moyen efficace pour générer une unique bulle de gaz de taille voulue. Après une analyse exhaustive, il est apparu que la génération de bulle par le contrôle en volume était une méthode prometteuse. Nous avons alors développé un modèle permettant de prédire la taille d'une bulle, et mis en évidence la possible existence d'une instabilité de la croissance de ces bulles. Une étude analytique adimensionnelle nous a permis de définir un critère pour prédire l'existence ou non de cette instabilité. La seconde étape a porté sur la caractérisation mécanique en régime quasi statique d'une bulle de gaz en contact avec deux solides. Le but étant de prédire la force générée par une bulle de gaz sur les solides ainsi que sa raideur. Le modèle implémenté a permis de déduire des propriétés intéressantes des bulles de gaz, notamment une grande compliance dont la valeur peut être contrôlée par des paramètres fluidiques. Cette propriété de compliance étant très recherchée en micromanipulation, un démonstrateur exploitant les bulles de gaz a été conçu. Il s'agit d'une microtable compliante actionnée par trois bulles. Ces travaux ouvrent la voie vers de nouveaux modes d'actionnement ou de capteur utilisant la transduction entre une énergie fluidique et mécanique opérée par un ménisque capillaire.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 93 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 74 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 44 réf.

Thèse (D.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2006. / La p. de t. porte en outre: Thèse présentée à l'Université du Québec à Chicoutimi pour l'obtention du doctorat en ingénierie. CaQCU Comprend des réf. bibliogr. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Th. univ.--Sci.--Toulouse--I.N.P., 1978. N°: 5.

Nous avons étudié expérimentalement la mise en suspension de particules lorsque l’on injecte du gaz à la base d’une couche de grains immergée dans un liquide, en géométrie confinée (cellule de Hele-Shaw). En configuration verticale, le système atteint toujours un régime stationnaire résultant de la compétition entre l’entraînement des grains par la remontée des bulles, et leur sédimentation. Un modèle phénoménologique permet d’expliquer les propriétés de la suspension ainsi formée, et du lit granulaire non affecté par la remontée de gaz. L’effet de la gravité effective dans le système est ensuite considérée. Lorsqu’un état stationnaire existe, la taille du lit granulaire présente un maximum pour un angle d’inclinaison de la cellule de 30-40 degrés environ. Cette observation s’explique par un phénomène particulier de sédimentation, l’effet Boycott. Les propriétés statistiques de la suspension (densité, homogénéité) et des bulles (taille, forme, orientation) ont été caractérisées. On montre en particulier que l’on atteint un plateau pour l’aire de contact entre les trois phases (gaz/liquide/solide) en fonction du débit, indépendamment de la gravité effective – résultat important dans le cadre d’applications à des réactions catalytiques. Enfin, une large exploration de la gamme des paramètres montre, pour des cellules inclinées et certaines valeurs de débit de gaz, l’existence d’un régime oscillant : la taille du lit granulaire varie entre un état « creusé » (suspension très dense) et un état « comblé » (suspension peu concentrée). Une explication est proposée pour les temps de montée et de descente de ces oscillations. / We have studied experimentally particle suspension when injecting a gas at the bottom of an immersed granular layer, in confined geometry (Hele-Shaw cell). In a vertical setup, the system always reaches a stationary state resulting from the competition between grains entrainment by bubble rise, and sedimentation. A phenomenological model makes it possible to explain the properties of the suspension thus formed, and of the granular bed not affected by the gas rise. The influence of the effective gravity in the system is then considered. When a stationary state is reached, the size of the granular bed displays a maximum for a cell inclination angle of about 30-40 degrees. This observation can be explained by referring to a peculiar sedimentation process, the Boycott effect. Statistical properties of the suspension (density, homogeneity) and bubbles (size, shape, orientation) have been characterized. In particular, we show that the contact surface between the three phases (gas/liquid/solid) reaches a plateau when increasing the gas flow-rate, independent of the effective gravity. This result is important in the frame of possible applications to catalytic reactors. Finally, exploring a large range of parameters, we point out the existence of an oscillatory regime for inclined cells in a given range of gas flow-rates: the granular bed size oscillates between an "excavated" state (dense suspension) and a "filled" state: (dilute suspension). An explanation for the rising and falling time of these oscillations is proposed.

Cette thèse porte sur l'amélioration de la modélisation des écoulements à bulles, et plus particulièrement des écoule- ments bouillants, dont la compréhension et la prédiction est essentielle pour de nombreuses applications industrielles. L'axe de recherche choisi ici est la prise en compte du caractère polydisperse de la population de bulles, autrement dit du fait que toutes les bulles n'aient ni la même taille, ni la même vitesse. Divers mécanismes peuvent être cités pour expliquer l'existence de la variété de tailles de bulles ; dans notre cas on peut principalement citer la coalescence et la fragmentation de bulles, la cinématique de changement de phase ou encore la compressibilité du gaz à l'intérieur des bulles. De cette polydispersion en taille découle également une polydispersion en vitesse, puisqu'il est bien connu que la vitesse de déplacement d'une bulle est fonction de sa taille. Un modèle moyenné spécialement adapté aux écoulements à phase dispersée est présenté dans ce manuscrit, modèle que l'on pourra caractériser de polydisperse puisque prenant en compte une fonction de distribution en taille et en vi- tesse des bulles. Deux lois mathématiques particulières, une loi quadratique et une loi cubique, sont proposées dans ce manuscrit pour modéliser la fonction de distribution en taille des bulles, son évolution spatio-temporelle étant obtenue à l'aide la méthode des moments. Ces deux lois ayant une expression mathématique relativement simple, les différents termes d'échanges entre phases ont pu être fermés dans un cadre polydisperse. Ce modèle moyenné polydisperse a été implanté dans le code de calcul NEPTUNE_CFD, puis testé en tentant de reproduire par la simulation l'expérience DEBORA du CEA Grenoble, expérience dédiée à l'étude des écoulements bouillants sous-saturés. / The objective of this work was to improve the modelling of boiling bubbly flows.We focused on the modelling of the polydisperse aspect of a bubble population, i.e. the fact that bubbles have different sizes and different velocities. The multi-size aspect of a bubble pupolation can originate from various mechanisms. For the bubbly flows we are interested in, bubble coalescence, bubble break-up, phase change kinematics and/or gas compressibility inside the bubbles can be mentionned. Since, bubble velocity depends on bubble size, the bubble size spectrum also leads to a bubble velocity spectrum. An averaged model especially dedicated to dispersed flows is introduced in this thesis. Closure of averaged inter- phase transfer terms are written in a polydisperse framework, i.e. using a distribution function of the bubble sizes and velocities. A quadratic law and a cubic law are here proposed for the modelling of the size distribution function, whose evolution in space and time is then obtained with the use of the moment method. Our averaged model has been implemented in the NEPTUNE_CFD computation code in order to simulate the DEBORA experiment. The ability of our model to deal with sub-cooled boiling flows has therefore been evaluated.

Nous avons étudié expérimentalement la dynamique de remontée de bulles dans des fluides complexes, allant de solutions de polymère à des milieux granulaires immergés, dans le cas d'une géométrie confinée (cellule de Hele-Shaw). Dans un premier temps, nous avons considéré la remontée d'une bulle unique dans une solution de polymère confinée. Le fluide choisi (PEO) est viscoélastique et rhéofluidifiant. Au-delà d'un volume critique, nous avons mis en évidence et caractérisé deux types d'instabilités : la bulle est défléchie de sa trajectoire verticale, ou se fragmente. L'extension de cette expérience au cas de l'injection continue d'air en base de la cellule a permis de quantifier la dynamique couplée entre les bulles et en particulier leur coalescence, qui dépend fortement du débit d'injection. Dans un deuxième temps, nous avons considéré le cas d'un milieu granulaire immergé : un lit de grains à surface libre, dans lequel de l'air est injecté à débit constant par un unique point d'injection en base de la cellule. En régime stationnaire, la mise en mouvement des grains par le passage répété de l'air conduit à la formation d'une zone fluide. Nous avons quantifié la dynamique des bulles dans cette zone et montré que même en variant la taille des grains et le débit de gaz, la fraction de gaz piégée dans la zone fluide reste constante. Enfin, nous avons considéré l'influence d'un obstacle fixe sur la dynamique du canal d'air central. Un diagramme des régimes est établi en fonction de la taille et de la hauteur de l'obstacle : soit le canal est stabilisé par l'obstacle, soit il est instable et explore de manière intermittente l'un ou l'autre côté de l'obstacle. / We have studied experimentally the dynamics of bubbles rising in complex fluids, from polymer solutions to immersed granular media, in a confined geometry (Hele-Shaw cell). In a first part, we considered the rise of a single bubble in a confined polymer solution. The fluid (PEO) is viscoelastic and shear-thinning. Above a critical volume, we have observed and characterized two types of instabilities : the bubble is deflected from its vertical trajectory, or fragments. The extension of this experiment to continuous air injection at of the cell bottom made it possible to quantify the coupled dynamics between bubbles and in particular their coalescence, which is highly dependent on the injection rate. In a second part, we considered the case of a immersed granular medium, in which air is injected at constant flow rate through a single nozzle at the cell bottom. In the steady state, the movement of the grains generated by the successive air pathways leads to the formation of a fluidized zone. We quantified the bubble dynamics in this zone and showed that even when varying the grains size and gas flow rate, the fraction of gas trapped in the fluidized zone remains constant. Finally, we considered the influence of a fixed obstacle on the dynamics of the central air channel. A phase diagram is established depending on the size and height of the obstacle: either the channel is stabilized by the obstacle, or it is unstable and intermittently explores each side of the obstacle.