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. / Palladium is commonly used for the storage of tritium (the hydrogen radioactive isotope), since it forms a low-equilibrium-pressure and reversible tritide. Tritium decay into helium-3 is responsible for the ageing of the tritide, leading to the apparition of helium-3 bubbles for instance. Both experimental and theoretical aspects of this phenomenon are studied here.Previous works on ageing modelling led to two main models, dealing with:- Helium-3 bubbles nucleation (using a cellular automaton),- Bubbles growth (using continuum mechanics).These models were quite efficient, but their use was limited by the lack of input data and fitting experimental parameters.To get through these limitations, this work has consisted in studying the most relevant experimental data to improve the modelling of the palladium tritide ageing.The first part of this work was focused on the assessment of the mechanical properties of the palladium tritide (yield strength, ultimate strength, mechanical behaviour…). They were deduced from the in situ tensile tests performed on palladium hydride and deuteride.In the second part, ageing characterization was undertaken, mainly focusing on:- Bubbles observations in palladium tritide using transmission electron microscopy,- Internal bubble pressure measurements using nuclear magnetic resonance,- Macroscopic swelling measurements using pycnometry.The present work has led to significant progress in ageing understanding and has brought very valuable improvements to the modelling of such a phenomenon.

En plongée, lors d’une décompression, une partie des gaz dissous dans l’organisme est éliminée sous formede bulles qui peuvent être à l’origine d’accidents parfois sévères. Des modèles mathématiques permettentde déterminer des procédures de décompression par paliers fiables mais ne s’appliquent que pour certainesconfigurations de plongée (profondeur, durée, gaz respirés). Une extrapolation de ces modèles à denouveaux types d’exposition comme la plongée profonde aux mélanges est actuellement hasardeuse. Onsuppose ici qu’une modélisation biophysique des mécanismes de la décompression doit apporter dessolutions préventives plus sures, même pour des expositions moins explorées combinant azote et hélium.Deux modèles ont été élaborés pour la prévention des accidents articulaires et neurologiques, formesd’accident les plus fréquentes. Ils ont été corrélés à partir de bases de données et d’analyses de risqueexistantes. Tous deux permettent de représenter l’apparition de symptômes tardifs. Pour l’accidentarticulaire, on montre 1/ l’impact de la diffusion intra-tissulaire (entre un tendon et son voisinage) de gazinerte sur la dynamique d’amplification de la phase gazeuse générée 2/ une augmentation quantifiable durisque d’accident avec le volume de gaz généré 3/ une faible efficacité des paliers 4/ une efficacité modéréede la respiration d’oxygène pur aux paliers proches de la surface. Pour les accidents neurologiques, lemodèle global proposé permet d’estimer le volume instantané des microbulles formées dans les tissus(muscles et graisses) et transférées (via le système lymphatique par ex) dans le sang veineux de retour. Lasurcharge du filtre pulmonaire par les bulles est supposée être un événement précurseur dans la genèse del’accident. La méthode de corrélation du modèle, originale, utilise notamment des campagnes d’écoutes debulles circulantes par système Doppler après plongées, dont une dédiée à cette thèse. Il ressort de cesinvestigations que I/ le risque d’accident peut être relié au volume des bulles transféré dans le sang sur unepériode donnée II/ l’introduction de paliers profonds ne diminue pas le risque III/ la respiration d’oxygènepur aux paliers est très efficace pour réduire ce risque. Un deuxième modèle neurologique dédié à laprévention des accidents médullaires se produisant rapidement après la décompression et à la déterminationdes premiers paliers requis est aussi proposé. L’ensemble de ces trois modélisations offre des perspectivesde prévention intéressantes. / During a scuba diving decompression, a part of the gas that is dissolved in the body is eliminated throughbubbles that can generate potentially severe forms of decompression sickness (DCS). Known mathematicalmodels allow the determination of safe decompression procedures by stages but can only be applied for alimited range of diving configurations (pressure, duration, breathing gas). An extrapolation of these modelsto new expositions such as deep/short dives using mixtures is currently hazardous. In the presented work itis deemed that a biophysical modeling of the decompression mechanisms can produce safer preventivesolutions even for less explored expositions combining nitrogen and helium. Two models have beendeveloped for the prevention of articular and neurological DCS, which are the most frequent forms ofinjury. Existing database and risk analyses have been used to correlate the models. Both predict potentialdelays for the occurrence of DCS symptoms after a decompression. For the articular model it is shown that1/ the intratissular diffusion of inert gases between a target tendon and its neighborhood impacts theamplification dynamics of the generated gas phase 2/ the more the generated gas volume, the bigger theDCS risk 3/ stages of short and moderate durations have a low efficiency 4/ the efficiency of pure oxygenbreathing in order to reduce the risk during the shallow stages is moderated. For neurological DCS, theproposed global model allows estimation of the instantaneous volume of microbubbles that are formed intissues (muscles and adipose tissues) and that are transferred via the lymphatic system for instance in thevenous blood. The overload of the pulmonary filter by bubbles is assumed to be a primary event in the DCSpathogenesis. The original model correlation method uses in particular the recording of circulating bubblessignals through Doppler detections campaigns. One of these campaigns is dedicated to the presented thesiswork. The analysis leads to the following conclusions: I/ the DCS risk is linked to the total bubbles volumethat is transferred into the blood over a given period II/ the introduction of deep stages does not decreasethe risk III/ the breathing of pure oxygen during the shallow stages is very efficient in reducing this risk. Asecond neurological model is proposed: it is dedicated to the prevention of spinal cord DCS forms whichoccur early after the decompression and to the determination of the first required stops. The threedeveloped models give interesting prevention perspectives.

L'objet de cette étude est de mieux formaliser et modéliser de façon générique le processus de structuration d'un produit par le procédé de foisonnement, en reliant les paramètres opératoires aux propriétés des mousses formées et de contribuer ainsi à un meilleur pilotage de l'opération. Une ligne de foisonnement par battage en continu a été instrumentée et l'évolution du diamètre des bulles en fonction des paramètres du produit et du procédé a été suivie pour des milieux modèles newtoniens et rhéofluidifiants. L'analyse dimensionnelle à l'échelle du procédé a permis d'aboutir à un modèle physique de l'opération, et donc d'avoir une compréhension des phénomènes en présence. Elle a aussi permis d'intégrer les paramètres du produit et du procédé et de simplifier la représentation des résultats expérimentaux. Enfin, la cohérence de ce modèle avec d'autres issus de la littérature et une première approche de validation avec un produit réel, semble justifier son caractère générique. / The aim of this study is to better formalize and model in a generic way the structuring of a product by the foaming operation process, by linking the operating parameters to the foams properties and contribute to a better steering of the operation. A continuous whipping line was instrumented and the evolution of bubble diameter depending on both product and process parameters was characterized for Newtonian and shear-thinning model fluids. Dimensional analysis of the process has lead to a physical model of the operation, and therefore makes possible the understanding of the phenomena involved. It also helped to integrate the product and the process parameters and simplify the representation of experimental results. Finally, the consistency of this model with others from the literature and a first validation with a real product seems to justify his relevance.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de nos recherches sur les écoulements à bulles. C’est l’étude expérimentale du mélange d’un traceur très peu diffusif (fluoresceine dans l’eau) dans l’écoulement instationnaire engendré par le passage d’un écoulement uniforme au travers d’un réseau d’obstacles sphériques (2% de fraction volumique) répartis aléatoirement dans l’espace. Cet écoulement reproduit correctement les caractéristiques de l’agitation dans un essaim de bulles en ascension. La vitesse du fluide est mesurée par PIV de manière assez classique. Le traceur est injecté en amont du réseau et l’´evolution de sa concentration est mesurée par PLIF. L’utilisation de la PLIF pour mesurer des champs de grande extension (15 cm) et avec une grande dynamique d’intensité lumineuse fluorescée constitue une contribution importante de ce travail. Les résultats ainsi obtenus montrent que, à petit nombre de Reynolds, le mélange est régi par les forts gradients de vitesse qui existent dans le voisinage des sphères. A grand nombre de Reynolds, il est maîtrisé par la turbulence qui se développe alors. L’analyse des résultats comporte deux parties principales : (1) une analyse statistique des profils de concentration aboutissant à la détermination d’un coefficient de diffusion effectif et (2) une description de la distribution spectrale des fluctuations de vitesse et de concentration. / This research is a part of our research about bubbly flows. Experiments are performed about mixing of a high Schmidt scalar component (fluorescein in water) by the agitation generated by the flow through a random array of fixed spheres (at high Re and with a volume fraction of solid equal to 2%). This flow mimics for a great part the agitation in the liquid phase of a bubble swarm rising in a liquid otherwise at rest. The velocity of the liquid is estimated from PIV measurements. The scalar is injected through a point source in the array and the evolution of its concentration is estimated by PLIF method. An important part of this research is the measurement of large fields of concentration (15 cm) with a good precision by PLIF. The results show that, at moderate Reynolds number (100), mixing is controled by the steep velocity gradients located near the spheres, while, at large Reynolds number, it is controled by the turbulence that develops. The analysis of the results is composed of two parts : (1) the statistical analysis of the spatial distribution of scalar concentration, and the determination of an effective diffusion coefficient, (2) a spectral analysis of the velocity and concentration fields.

Au cours de la dernière décennie, les prix des logements ont augmenté de façon spectaculaire dans plusieurs pays à travers le monde. Par exemple, les prix des logements aux États-Unis, en Espagne et en Irlande ont été marqués par des cycles d'expansion et de récession les plus marquants de leur histoire. L'augmentation concomitante des prix des logements (et dans certains cas l’occurrence des épisodes d'expansion - récession) dans de nombreuses économies avancées soulève quelques questions importantes. Y a t-il eu une bulle immobilière dans les pays avancés? Quels sont les principaux déterminants de l'évolution des prix des logements dans ces pays? Est-ce que les marchés immobiliers des pays avancés sont-ils interdépendants? Le premier chapitre propose une modélisation structurelle des modèles VAR Bayésiens pour les États-Unis, la France, l'Espagne et la Grèce qui examinent les effets relatifs de l'évolution du secteur réel de production, du secteur financier et des flux internationaux de capitaux sur les marchés du logement. Un deuxième exercice tente d'identifier la présence de régimes de bulles immobilières à partir d’une modélisation Markovienne à deux états. Les principaux résultats liés au marche américain montrent que les entrées de capitaux étrangers, mesurées par le solde de la balance courante en pourcentage du PIB, comptent pour plus de 30 % de la variance des chocs qui frappent les prix des logements, tandis que les taux d’intérêt contribuent pour environ 38 %. En France, la politique monétaire a le plus grand pouvoir explicatif des évolutions du marché du logement, tandis qu'en Espagne et en Grèce, les taux hypothécaires variables et les investissements dans le logement exercent la plus grande influence sur le marché du logement. Tous les pays ont connu un régime de bulle immobilière sur la majeure partie des années 2000.Le deuxième chapitre utilise une approche de type Global VAR (ou GVAR) qui porte sur la modélisation des interdépendances internationales des prix immobiliers. Le modèle GVAR a été estimé empiriquement en utilisant des données trimestrielles de sept pays, pour la période 1987-2011. Les résultats montrent que les chocs des prix immobiliers originaires des États-Unis ont de fortes répercussions sur tous les pays, avec les plus fortes magnitudes observées pour l'Irlande. Ce résultat suggère que les marchés immobiliers pourraient être soumis à des effets de contagion du comportement des marchés financiers et que le secteur immobilier peut être analysé comme un actif spéculatif. Les liens entre les taux d'intérêt réels à long terme sont positifs et statistiquement significatifs dans tous les pays, même si ils ont un rôle limité sur l'évolution des prix immobiliers. Les chocs négatifs sur les prix immobiliers aux États-Unis ont des effets négatifs et statistiquement significatifs sur le PIB réel aux États-Unis, le Canada et l'Irlande.Le troisième chapitre est consacré au financement de la première guerre mondiale par les Etats-Unis et le rôle de la War Finance Corporation (WFC). Plus spécifiquement, on s’intéresse aux fluctuations des rendements des bons du Trésor américain émis entre novembre 1917 et décembre 1920. L’analyse économétrique est basée sur des techniques de séries temporelles Bayésiennes. Les principaux résultats montrent que les chocs positifs sur les achats de la WFC engendrent une réponse négative et statistiquement significative sur tous les types de rendements des bons de guerre. En outre, les achats de la WFC des bons Liberty et Victory, à l'exception du premier prêt des bons Liberty, ont eu un effet statistiquement significatif sur l'évolution des taux à court terme. Les achats de la WFC de la deuxième et de la quatrième émission des bons Liberty ont eu des effets significatifs et positifs sur les taux à court terme, ce qui suggère une déformation de la courbe des taux. / During the last decade, housing prices have increased dramatically in several countries around the world. For instance, housing prices in the United States, Spain, and Ireland have been marked by one of the most striking boom-bust cycles in their history. The concomitant increase in housing prices (and in some cases boom-bust episodes) across many advanced economies raises the following important questions. Was there a housing bubble across advanced countries? What are the main determinants of the housing price movements in these countries? Are the advanced countries' housing markets interrelated? The first chapter of the dissertation estimates a set of structural Bayesian VAR models for the U.S., France, Spain, and Greece that examine the relative effects of developments in the real production sector, the financial sector, and international capital flows on the housing market. A second exercise attempts to identify the presence of housing price bubble regimes by estimating a set of two state Markov-switching Bayesian VAR models. The main results for the U.S. show that foreign capital inflows, measured by the current account balance as a percentage of GDP, account for more than 30\% of the variance of the shocks hitting housing prices, while adjustable mortgage rates contribute about 38\%. In France, monetary policy has the largest explanatory power for the housing market evolutions, while in Spain and Greece, the variable mortgage rates and housing investments exert the largest influence on the housing market. All the countries experienced a bubble regime over most of the 2000s. The second chapter uses a Global VAR model estimated using quarterly data from seven countries, for the period 1987-2011, to analyze the interdependencies that exist between domestic and international factors in housing markets. We find that housing price shocks originating in the U.S. have large spillover effects on all the countries, with the largest magnitudes on Ireland. This result suggests that housing markets may be subject to contagion effects and that housing can be analyzed as a speculative asset, based on international data spanning the past two decades. Linkages in long-run real interest rates are positive and statistically significant across all the countries, although they have a limited role on the evolution of housing prices. Negative shocks to the U.S. housing prices have negative and statistically significant effects on real GDP in the U.S., Canada, and Ireland. The third chapter studies the price fluctuations of war bonds issued by the U.S Treasury in order to finance the World War I between November 1917 and December 1920. Bayesian time series techniques are used to carry out the analyses. We are focusing on the effects that the bond-purchasing program of the War Finance Corporation (WFC) had on the evolution of war bond yields. Our main results show that positive shocks to WFC purchases display a negative and statistically significant effect on all types of war bond yields. Furthermore, WFC purchases of Liberty and Victory Bonds, except the First Liberty Loan, had a statistically significant effect on the evolution of commercial paper rates. WFC purchases of the Second and Fourth Liberty Bonds had significant and positive effects on commercial paper rates, suggesting a twist in the bond yield curve.

Au cours des dernières années, la culture de microalgues est largement étudiée pour produire des biocarburants et d’autres produits de valeur en fixant le dioxyde de carbone de l’atmosphère, afin d’atténuer simultanément les effets du changement climatique et de réduire la dépendance à l’égard des carburants fossiles. En comparaison avec les systèmes ouverts, les photobioréacteurs fermés sont davantage utilisés en laboratoire, car ils permettent de contrôler avec précision les facteurs environnementaux tels que le pH, la concentration en éléments nutritifs, etc. Le principe de fonctionnement d’un photobioréacteur repose sur l’injection de bulles dans le milieu de culture pour (i) apporter du dioxyde de carbone aux cellules (ii)agiter le liquide. Par l’apport d’énergie lumineuse les cellules transforment le carbone inorganique en carbone organique par photosynthèse. Ainsi, les phénomènes physiques - l’écoulement, transfert de matière, transfert radiatif - et les phénomènes biologiques - photosynthèse, croissance cellulaire et mort - coexistent dans un photobioréacteur. Plus important encore, tous les phénomènes de base ne sont pas complètement indépendants les uns des autres. Des recherches récentes ont révélé que le comportement des bulles avait également une incidence directe sur le processus biologique. En raison du comportement significatif des bulles sur la productivité d'un photobioréacteur, la génération de bulles a été étudiée dans cette thèse au moyen de méthodes expérimentales et numériques.Dans l'étude expérimentale, nous avons conçu puis fabriqué un nouveau photobioréacteur afin d'étudier le bullage in situ. L’emploi d’une technique d’ombroscopie couplée à une caméra vidéo a permis l’enregistrement de séries de bulles. Les images traitées ont permis de mesurer des caractéristiques de bulles (fréquence, volume, facteur de forme). Le volume moyen de bulle et la fréquence de formation de bulles augmentent avec le débit de gaz. De plus, la distribution volumique monodisperse à faible débit devient de plus en plus polydisperse par l’accroissement de celui-ci. L’évolution de la forme des bulles lors de leur remontée dans le liquide a été évaluée par l’emploi de facteurs de forme. Ces facteurs diminuent avec la remontée des bulles et traduisent une déformation horizontalement. A débit élevé, les formes des bulles oscillent et coalescent plus fréquemment.La simulation du bullage a été réalisé par l’emploi d’une méthode Volume of Fluid (VOF) et d’une bibliothèque open source de mécanique numérique des fluides OpenFOAM. Ces choix de méthodes sont motivés en raison de la robustesse d'OpenFOAM en matière de simulation d'écoulements diphasiques rapportée dans la littérature. Une première étude numérique de simulation 2D a permis de déterminer les valeurs appropriées des paramètres numériques (nombre de Courant et la taille du maillage) tout en minimisant le temps de calcul par rapport à une pré-étude 3D. Sans surprise, nous avons déterminé que la taille des mailles devait être inférieure au diamètre de la buse pour obtenir des résultats significatifs. De façon plus surprenante, nous avons observé que le nombre maximum de Courant n’a pas d’importance particulière pour ces simulations (dans une limite raisonnable : 0 à 1). Les simulations 3D ont été menées sur un supercalculateur. Elles ont montré que le volume des bulles et l’évolution de leur forme calculées numériquement étaient en accord avec les résultats expérimentaux. Cependant, les simulations 3D n’ont pas permis de représenter la polydispersité de la distribution volumique des bulles en raison d’un temps de calcul nécessaire trop important pour générer une population de bulles suffisamment nombreuse. Au final, l'outil numérique a aussi été utilisé avec succès pour explorer plusieurs caractéristiques hydrodynamiques de mélange dans le liquide. / The working principle of a typical photobioreactor is to inject gas bubbles into the culture medium, providing CO2 to the cells and also stirring the liquid. Subsequently, the cells convert inorganic carbon into organic carbon through photosynthesis under illumination. Therefore, physical phenomena, e.g. bubbly flow, mass transfer, radiative transfer, and biological phenomena, e.g. photosynthesis, cell growth and death, coexist in a photobioreactor. More importantly, all the basic phenomena are not completely independent to each other. For example, bubble volume and bubble shape can influence gas-liquid mass transfer according to Young-Laplace equation and Henry's law. Moreover, some recent research revealed that bubble behaviors also directly affect the biological process. In view of the important impact of bubble behaviors on productivity of a phototbioreactor, the bubbly flow was investigated in this thesis by both experimental and numerical methods.In the experimental study, we first manufactured a new photobioreactor in order to study the bubbles and other phenomena. Subsequently, the bubbles were captured by high speed camera by virtue of a shadowgraphy technique and bubble behaviors were obtained by processing and analyzing the images. From the experimental results, we found that both averaged bubble volume and bubbling frequency increased with gas flow rate. Furthermore, we also discovered that the distribution of bubble volume was almost monodisperse at low flow rate, and it became more and more polydisperse with increasing flow rate. Regarding bubble shape evolution, we used two shape factors, viz. aspect ration and circularity, to quantitatively study it. We found that both shape factors dropped rapidly during bubble rising (within the limit of the field of view of our video camera), which implied that bubbles were flattened in the course of rising. Nonetheless, bubbles became more vertically elongated at higher flow rate, partially due to the more frequent bubble coalescence at higher flow rate.In the numerical study, we adopted VOF method and OpenFOAM, an open source CFD library, as our numerical tool to represent bubbly flow. First of all, the robustness of OpenFOAM in simulating two-phase flow was validated by literature survey. Subsequently, 2D simulations were carried out for seeking the appropriate and not very time-consuming numerical parameters, i.e. maximum Courant number and mesh size. We found that mesh size should somehow be smaller than the nozzle diameter to have meaningful results. On the other hand, maximum Courant number had no particular importance in the simulations (as long as between 0 and 1). Furthermore, 3D simulations were in good agreement with the experiments in terms of bubble volume and bubble shape evolution. However, 3D simulations were not able to represent the polydispersity of bubble volume due to the limited computing power. In addition, several hydrodynamic characteristics were also explored by the proposed numerical tool, which gave reasonable results.To conclude, bubble behaviors were successfully captured by experimental methods and represented by numerical methods in this thesis, which will help us go further in understanding the complicated physical-biological phenomena of a photobioreactor.

De par leur importante compressibilité et leur fréquence de résonance extrêmement basse, les bulles sont des objets physiques singuliers du point de vue de l'acoustique et de la mécanique des fluides. En utilisant la technique de la microfluidique afin de créer des assemblées de bulles bi-dimensionnelles, que nous excitons acoustiquement, nous étudions à la fois leur influence sur une onde sonore et sur le fluide présent à leur voisinage.Les bulles étant des résonateurs sub-longueur d'onde, nous montrons qu'une assemblée de micro-bulles va interagir avec une onde sonore de longueur d'onde bien plus importante que la taille des bulles individuelles. En proposant une méthode pour extraire la contribution des bulles au signal acoustique, nous montrons que leur résonance suit une loi légèrement modifiée par rapport à celle proposée par Minnaert pour des bulles sphériques.Nous avons également exploré le potentiel de ce système expérimental comme méta-matériau pour l'acoustique. Nous observons en effet une baisse de la transmission d'une onde sonore à travers ce matériau et ce, dans une gamme de fréquence située au-delà de la fréquence de résonance.Cette baisse de la transmission peut être ajustée à la fois en fréquence et en amplitude ce qui fait de ce système un méta-matériau adaptable dont les caractéristiques peuvent être facilement ajustées. / Because of the important compressibility of gas bubbles in water, inducing a very low resonance frequency, one can find interest in studying bubbles from an acoustic and a fluid mechanics point of view. Using microfluidics techniques in order to produce assemblies of acoustically driven bi-dimensional bubbles, we are studying their influence on both acoustic waves and the surrounding fluid.Bubbles being sub-wavelength resonators, we show that a micro-bubbles assembly interacts with acoustical waves which wavelengths that are substantially bigger than the bubbles size. Developing a way to extract bubbles contribution to the acoustic signal, we show that their resonance frequency follows a law slightly different from the one Minnaert had found for spherical bubbles. The impact of this medium on the acoustical wave has been studied and we show that a decrease in the acoustical transmission happens in a range of frequencies above the resonance. This decrease can be adjusted in amplitude and in frequency making our system an easily tunable metameterial.Because of the strong response of bubbles induced by acoustical waves, the bubbles surface oscillates with a great amplitude in the surrounding fluid. This oscillation, working together with a coupling present between the bubbles, can drive a strong steady streaming in the fluid. Systems of several bubbles are studied, and a theory is proposed in order to predict the flow they induce. The interaction between the streaming phenomenon and an external flow is also presented, showing that exclusion zones can be present under certain circumstances in these systems. These exclusion zones can be useful in micro-fluidics in order to trap particles or chemicals.

En dépit de leurs simplicités chimiques, de leurs fusion congruente, de leurs performances mécaniques et de leurs propriétés optiques, les monocristaux de saphir contiennent comme défauts des bulles aussi connus sous le nom de micro-vides. Quelle que soit la technologie de croissance, les cristaux obtenus sont caractérisés par la présence de micro-et macro-bulles qui affectent leurs qualités optiques et mécaniques limitant ainsi leurs applications. Ces bulles dégradent les propriétés optiques et l'efficacité des lasers produits par une réduction de la transparence des saphirs; elles induisent également des défauts de surface pendant le processus de polissage. Afin d'améliorer la qualité des cristaux, il est important d'éliminer les bulles, de connaître la raison de leurs formations, les causes de leurs propagations, de leurs constitutions, et de leurs diffusions dans le cristal. Nous avons étudié la distribution des bulles et leurs tailles dans les cristaux de saphir non dopés et dopés titane obtenus par la technique Czochralski (Cz). Les données expérimentales recueillies ont permis de connaître l'effet de différents paramètres de croissance sur la distribution, la densité et la taille des bulles. La propagation des bulles et leurs distributions dans les cristaux ne sont pas influencées par le type de germe. Si les vitesses de tirages augmentent, le diamètre des bulles diminuent et leurs densités augmentent. Les bulles formées dans le cristal de saphir sont influencées par la matière formant la charge de départ. L’utilisation de saphirs craquelés comme charge de départ pourrait être une bonne façon de minimiser la création de bulles et de limiter leurs propagations. Les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse décrivent l'ensemble des phénomènes impliqués lors de l'incorporation de bulles dans les cristaux de saphir non dopés et dopés titane / In spite of the chemical simplicity, the congruent melt behaviour and it’s performed mechanical and optical properties sapphire single crystals contain bubbles defects also known as micro-voids. Whatever the growth technology, the grown crystals are characterized by the presence of micro and macro bubbles which affect the optical and mechanical quality of the crystal limiting their application. They degrade the optical properties and the laser efficiency by reduction of the transparency; they also induce surface defects during substrate polishing process. In order to improve the crystal quality, it is important to eliminate bubbles defects and know the reason of their formation, the causes of their propagation, their incorporation and their distribution in the crystal. We have studied bubbles distribution and their size in undoped and Ti-doped sapphire crystals grown by Czochralski (Cz) technique. The collected experimental data made it possible to know the effect of several growth parameters on the distribution, the density and the size of the bubbles. The bubbles propagation and distribution in the crystal are not influenced by the seed type. If the pulling rate increases, the diameter of bubbles decreases and their density increases. The bubbles formed in sapphire crystal are influenced by the starting charge material. Using sapphire crackle as starting charge could be a good way to minimise bubbles creation and limited their propagation. The obtained results in the frame of this thesis describe the whole phenomena involved during bubbles incorporation in undoped and Ti-doped sapphire crystals

Cette thèse porte sur l’étude de la cavitation, c’est-à-dire l’apparition d’une bulle dans un liquide soumis à une dépression. Le contrôle du processus est d’un grand intérêt dans plusieurs domaines, de l’hydrodynamique à la biologie. En fait ce phénomène, apparemment inoffensif, peut provoquer des graves dommages comme la fracture d’hélices ou la mort d’arbres. La première partie de la thèse se focalise sur la cavitation dans un système biomimétique. Il s’agit de micro-volumes d’eau encapsulés dans un milieu poro-élastique. L’évaporation de l’eau à travers l’hydrogel génère des pressions négatives et finalement l’apparition d’une bulle. Lorsque la première bulle de cavitation apparait dans une cellule, elle peut déclencher en quelques microsecondes l’apparition d’autres bulles dans les cellules voisines, en amorçant un effet d’avalanche ultra-rapide. Nous résolvons la dynamique et l’acoustique des bulles, dans le cas des événements uniques ou multiples. La réalisation d’un dispositif innovant ou les volumes du liquide sont encapsulés entre l’hydrogel et une lame de verre ouvre la voie à l’investigation de l’eau métastable. Une deuxième partie du travail a été consacrée à une étude interdisciplinaire où la microfluifique et la biologie sont combinées et appliqués à la livraison de médicament. Le dispositif est composé d’un vaisseau sanguin artificiel en communication avec un tissu cible placé dans un compartiment créé exprès. Les parois du canal microfluidique sont tapissées de cellules endothéliales pour reproduire la paroi réelle d’un vaisseau sanguin in vivo. Ce dispositif permet l’étude des effets des bulles activées par des ultrasons sur la barrière endothéliale. / The present thesis focuses on cavitation process, meaning nucleation and dynamics of a bubble within a liquid as a result of pressure decrease. In particular, we investigate the growth of the vapor phase in micrometric volumes of water confined by a poro-elastic material. In systems where water is encapsulated in a porous medium, molecules can evaporate from the pores resulting in a remarkable pressure reduction and bubbles nucleation. Once a vapor bubble nucleates, it can trigger within few microseconds the appearance of other bubbles in the neighbor cavities, activating an ultra-fast avalanche-like phenomenon. We resolved the dynamics and acoustics of cavitation bubbles, in case of singles or multiple nucleation events. The realization of an innovative device where water is encapsulated between a porous material and a glass window opens the way for metastable water investigation. A second part of the manuscript is devoted to a new project where microfluidics and biology are combined and applied to drug delivery. The device consists of an artificial blood vessel in communication with the target tissue accommodated in a purposely designed compartment (tissue-on-a-chip). The walls of the microfluidic channel mimicking the vessel are lined with endothelial cells to reproduce the actual walls of in vivo blood vessels. This device allows to investigate the effects of ultrasound-activated bubbles on the blood vessels wall.

Le choix de la filière SFR (Sodium Fast Reactor : Réacteurs à neutrons rapides refroidis par du sodium liquide), par la France conduit à la réalisation d’un prototype de quatrième génération nommé ASTRID. Le développement de ce type de réacteurs présente plusieurs défis, en particulier du point de vue de l’amélioration de la démonstration de la sûreté et de la surveillance du fonctionnement. Cette dernière passe, entre autres, par la caractérisation de l’engazement du sodium liquide (présence de microbulles de gaz). La caractérisation de l’engazement est l’objet de cette étude, elle implique la détermination du taux de vide (fraction volumique de gaz) et de l’histogramme des rayons des microbulles. Le travail bibliographique réalisé a montré que les techniques acoustiques linéaires de caractérisation des nuages de bulles ne permettaient pas de répondre pleinement à cette problématique, en revanche des pistes prometteuses ont été identifiées en étudiant les techniques acoustiques non linéaires. Cette dernière voie a par conséquent été explorée. Un banc expérimental en eau permettant la génération et le contrôle optique de nuages de microbulles nous a permis de valider finement la reconstruction d’histogrammes des rayons grâce à une technique de mixage nonlinéaire d’une haute fréquence avec une basse fréquence. La potentialité du mixage de deux hautes fréquences, plus intéressante d’un point de vue industriel, a par ailleurs été démontrée. Enfin, les bases de la transposition originale d’une technique de spectroscopie de résonance non linéaire appliquée à un nuage de bulles ont été posées, grâce à la mise en place de résonateurs acoustiques. Les résultats obtenus offrent de nombreuses perspectives, tant du point de vue des applications industrielles que du point de vue plus fondamental de la compréhension du comportement acoustique non linéaire d’une bulle excitée par plusieurs fréquences et d’un nuage de bulles excité à basse fréquence. / The SFR system chosen (Sodium Fast Reactor: fast neutron reactors cooled by liquid sodium) by France led to afourth-generation prototype named ASTRID. The development of this kind of reactors presents several challenges, particularly in terms of improving the safety and monitoring operation. This involves, among other things, characterization of the bubbles presence in liquid sodium. The characterization of the bubbles presence is the subject of this thesis. It involves the determination of void fraction (gas volume fraction) and histogram of the radiiof bubbles. The bibliographic work done has shown that linear acoustic techniques for the characterization of bubble clouds are inadequate to achieve this. However promising leads have been identified by studying nonlinear acoustic techniques. This last idea has therefore been explored. An experimental water bench for the generation and optical control of microbubbles cloudallowed us to validate finely the reconstruction of histograms of radii through a technique of nonlinear mixing of a high frequency with a low frequency. The potential of the mixing of two high frequencies, more interesting for the industrial point of view has also been demonstrated. Finally, the bases of the transposition of an original technique of nonlinear resonance spectroscopy applied to a bubbles cloud were explored through the introduction of acoustic resonators. The results offer many interesting opportunities, both in terms of industrial applications and formore fundamental understanding of non-linear behavior of a bubble excited by multiple frequencies and of bubbles clouds excited at low frequency.