Les mousses sont des assemblées de bulles de gaz dans une matrice liquide et sont utilisées dans plusieurs applications telles que par exemple l'isolation thermique et phonique, le forage pétrolier. Cependant, elles sont instables et tendent donc à disparaître. Les mécanismes qui gouvernent la stabilité d'une mousse et son effondrement restent encore incompris au niveau fondamental. Ce travail de thèse vise à étudier le couplage physico-chimique et rhéologique au sein d'une mousse par des simulations numériques, au niveau d'un amas de bulles cisaillées, afin de mieux comprendre l'origine de cette instabilité / Foams are gaz bubbles assemblies in a liquid matrix and are used in several applications such as for example the thermal and phonic insulating, ore drilling. However, they are instables and trend to disappear. the mechanisms that gouverns the foam stability and its collapse are still not well understood from a fundamental point of vue. The goal of this thesis work is to study the physico-chemical and rheological coupling in a foam, by numerical simulations of a cluster of sheared bubbles, in order to better understand the origin of this foam instability

L'objectif de cette thèse est l'étude de la population de bulles générée entre deux morceaux de verre mis en contact et portés à 1100 °C sans matières premières. Comprendre la transition gaz dissous/gaz est un sujet scientifique majeur, par ailleurs les bulles sont le principal défaut dans les verres industriels et la quantité de verre recyclé introduite dans les fours est destinée à augmenter. Nous étudions la vie d'une bulle de sa nucléation à sa remontée dans le verre fondu en passant par sa croissance. Nous montrons que la nucléation homogène n'existe pas dans un verre car les réactions chimiques ne génèrent pas les sursaturations suffisantes. L'écoulement du verre après la transition vitreuse enferme des poches de gaz qui sont les précurseurs naturels des bulles. Nous modélisons la sursaturation à l'interface entre deux verres et montrons son influence sur le nombre de nuclei stables qui forment des bulles. Nous modélisons la dynamique de croissance des bulles en utilisant la même caractérisation de l'état d'oxydation que pour la nucléation. Nous constatons que la croissance des bulles à l'interface entre un verre réduit et un verre oxydé est plus rapide que celle des bulles situées dans un verre oxydé seul. Nous attribuons cette accélération à l'interaction entre les verres qui décale l'équilibre du soufre vers la formation de SO2 gazeux. Pour finir, nous présentons un montage expérimental qui permet de mesurer des champs de vitesse dans du verre grâce à l'utilisation de rayons X et à un algorithme de flot optique. Cette mesure permet d'évaluer la capacité d'une population de bulles à favoriser le mélange du verre au début de la fusion. / This thesis focuses on the bubbles population that appears between two glass pieces when heated at 1100 °C without any reactive raw materials. Understanding the mechanisms involved in the transition from dissolved gas to gas is still a fundamental issue of materials science. Industrially, bubbles are the major sources of defects in the final glass product and the amount of recycled glass introduced in glass furnaces will likely increase.We have studied the life of a bubble at different times, from its creation to its growth behavior, and to its rise in the molten glass. We show that homogeneous nucleation cannot exist in molten glass because chemical reactions are not able to generate the needed supersaturations by themselves. Thus, right after glass transition, glass flow is responsible for the entrapment of gas pockets, which then become natural precursors of bubbles.We model the supersaturation at the interface between two glasses, and we show its influence over the number of stable nuclei that can form bubbles.We also model the growth dynamic by using the same characterization of glasses' oxidation states than for nucleation. We experimentally show that bubbles located at the interface between a reduced glass and an oxidized glass grow faster than bubbles located in an oxidized glass only. The main effect of the interaction between the two glasses is to move the sulfur equilibrium towards the formation of gaseous SO2.Finally, using X-rays and an optical flow algorithm, we present a new experimental setup which measure velocity fields in an opaque medium to assess bubbles ability to promote glass mixing.

La présence de l’hélium induite par le fonctionnement des futurs réacteurs à neutrons rapides et à fusion dans les matériaux de cœur peut entrainer une dégradation de leurs propriétés mécaniques (durcissement, gonflement, fragilisation). Pour poursuivre le développement des alliages de structure, il est nécessaire d’acquérir une meilleure compréhension de l’interaction entre l’He et les structures métalliques donc le point en commun est de comporter comme métal de base un élément de cristallographie cubique centrée (CC), notamment le fer et le vanadium.L’implantation ionique d’ions 4He a été utilisée pour simuler les effets d’endommagement liés à l’insertion d’He, la création des défauts ponctuels (lacunes, interstitiels) et la formation des amas hélium-lacunes dans les futurs réacteurs. L’évolution du comportement de l’He dans le fer et le vanadium purs a été mise en évidence tant du point de vue de la nature des sites de piégeage que du point de vue des mécanismes de migration de l’He et de germination et croissance de bulles associés, en s'appuyant sur un couplage original de techniques. Les résultats obtenus mettent en avant une différence de comportement entre les deux métaux CC, bien que certains mécanismes impliqués soient similaires. Les défauts microstructuraux, notamment les joints de grains, et la concentration d’He implantée (fluence) joueront des rôles clés sur le comportement de l’He à haute température.Les données expérimentales acquises couplées avec des méthodes de simulation serviront de point de départ pour développer une approche cinétique et thermodynamique du comportement de l’He dans les éléments constitutifs des alliages d’intérêt nucléaire. / The presence of helium produced during the operation of future fast reactors and fusion reactors in core structural materials induces a deterioration of their mechanical properties (hardening, swelling, embrittlement).In order to pursue the development of the metallic structural alloys, it is necessary to comprehend the He interaction with the metal lattice thus the point in common is the study of the metallic components with body-centered cubic structure (bcc) of future alloys, such as iron and/or vanadium.Ion implantation of ions 4He was employed with the aim of simulating the damaging effects associated with the helium accumulation, the point defects’ creation (vacancies, self-interstitials) and the He cluster formation in future reactors. Helium evolution in pure iron and pure vanadium has been revealed from the point of view of the trapping sites’ nature and well as the helium migration mechanisms and the nucleation/growth of bubbles. These phenomena were studied by coupling different complementary techniques. Despite of the fact that some mechanisms involved seem to be similar for both bcc metals, the comparison between the helium behavior in iron and vanadium shows certain differences. Microstructural defects, including grain boundaries and implanted helium concentration (dose) in both bcc metals will play significant roles on the helium behavior at high temperature.The acquired experimental data coupled with simulation methods contribute to the future development in terms of kinetic and thermodynamic data management of helium behavior in the metal components of the alloys of nuclear interest.

L'objectif de cette thèse était de caractériser, de modéliser et de hiérarchiser les mécanismes acteurs de la croissance de bulles dans un fromage à pâte pressée non-cuite à l'échelle de la bulle. Pour cela, trois étapes majeures ont été envisagées. Une première étape de mise au point d’une méthode de détermination des paramètres du modèle mécanique (modèle de Maxwell généralisé) par ajustement de courbes expérimentales de compression-relaxation a été effectuée. Une deuxième étape de validation a consisté en la réalisation d'un dispositif expérimental permettant de soumettre une bulle isolée dans un cylindre de fromage à diverses sollicitations mécaniques, à suivre l'évolution du dispositif en temps réel et de façon non invasive par IRM, et à confronter ces résultats à des simulations reproduisant les conditions d'acquisition. Une dernière étape a consisté à rajouter la prise en compte du transport de matière (CO2) au sein du fromage dans la modélisation. Les résultats de simulation ont dans un premier temps été confrontés au comportement moyen des bulles au sein d'un bloc de fromage, et dans un deuxième temps un dispositif expérimental de validation similaire à celui de l'étape précédente a été développé. La caractérisation mécanique du fromage a montré que les propriétés rhéologiques n'évoluent pas au cours de l'affinage, mais qu'elles sont soumises à un fort gradient spatial. Le modèle de Maxwell a été validé expérimentalement dans des conditions de sollicitations mécaniques uniquement et une étude de sensibilité a permis de montrer la forte influence des temps de relaxation les plus longs (plusieurs heures) et de la position de la bulle sur la croissance. L'étude du couplage entre transport de quantité de mouvement et transport de matière dans un contexte de croissance d'une seule bulle a permis de montrer la grande influence des paramètres de transport de matière sur la croissance de bulle, en particulier pour le coefficient de diffusion et le taux de production de CO2. Dans un contexte où deux cavités gazeuses sont mobilisées, les paramètres géométriques (position, dimensions, forme des cavités) se sont montrés aussi importants que les paramètres de transport de matière. / The objective of this PhD thesis was to characterise, model and rank the mechanisms involved in the growth of bubbles in semi-hard cheeses, at the bubble scale. Three steps were considered. First, a mechanical characterisation of the material enabled to define a rheological model to describe the behaviour of the material (generalised Maxwell model), and to set-up a method to determine the model parameters by fitting of compression-relaxation data. Secondly, the Maxwell model consisted in setting up an experimental validation procedure allowing studying different loads on a single bubble surrounded by a cheese cylinder. Experiments were monitored in real-time in a non-invasive manner by MRI imaging and were compared to simulations reproducing the experimental conditions. Finally, mass transport (CO2) was also taken into account in the model. Simulation results were first compared to the average bubble growth in cheese blocks, and then a dedicated experimental set-up similar to that used previously was used. Mechanical characterisation of semi-hard cheese showed the rheological properties did not evolve during ripening, but presented a steep spatial gradient. Despite its simplicity, the Maxwell model showed good agreement with the experimental results. A sensitivity study demonstrated that the highest relaxation time (about several hours) and the bubble position were the most influent parameters over bubble growth, when only the mechanical model was involved. Coupling between mass and momentum transport in a single bubble case demonstrated the great influence of the mass transport parameters on bubble growth, especially diffusivity and CO2 production rate. In the case where two gaseous cavities are involved, geometric parameters (cavities positions, dimensions and shape) proved to be as important as the mass transport parameters on the bubble growth.

L'objectif de ce travail est de prédire le gonflement de fûts d'enrobés bitumineux contenant des déchets radioactifs en condition d'entreposage, de transport et de stockage. L'incorporation de radionucléides dans du bitume provoque en effet sa radiolyse et du dihydrogène est ainsi généré dans le matériau. Ce gaz est solubilisé dans la matrice jusqu'à ce que sa concentration atteigne une valeur limite, la saturation. Au-delà de celle-ci, un mécanisme de germination a lieu : des bulles sont formées. Elles vont par la suite croître grâce à l'apport de gaz par radiolyse et migrer sous l'effet de la poussée d'Archimède. Le gonflement du matériau résulte alors de la compétition entre création et évacuation de gaz. Un modèle a été construit pour décrire l'évolution d'une population de bulles. Sa résolution analytique n'étant pas possible, un code numérique a été développé. Les résultats montrent qu'une augmentation de la viscosité du fluide, du terme source de gaz apporté par radiolyse ou de la hauteur du récipient induisent une augmentation du gonflement et qu'une augmentation du coefficient de diffusion du gaz dans la matrice diminue le gonflement. Lorsque le fluide présente un seuil d'écoulement, le comportement de la population de bulles est modifié et l'évacuation de gaz par migration des bulles se fait par à-coups, contrairement au cas d'un fluide newtonien où une évacuation stationnaire est atteinte. Cette dernière a enfin servi à l'optimisation des conditions opératoires. / The aim of this PhD thesis is to predict the swelling of bitumen barrels in which radioactive salts are mixed. The bitumen exposed to radioactivity undergoes a chemical reaction: the radiolys. This implies a generation of dihydrogen. The created is solubilized until the concentration reaches a limit value which is called saturation. Over this limit nucleation of bubbles is observed. Then they will grow thank to the contribution of the gas generated by radiolys and they will be submitted to Archimede's principle so that they will rise in the fluid. The swelling is the result of the competition between generation and evacuation of gas. A model has been built to describe theevolution of a bubble population. Because of it is not possible to solve it analitically, a numerical program was developed. The results show that an increase of the fluid viscosity, the gas generation or the container height lead to an increase of the swelling and that an increase of the diffusioncoefficient contributes to a decrease of the swelling. In the particular case of a yield stress fluid, the behavior of the bubble population is modified and the evacuation of gas is done with several shots, at the opposite of the case of a Newtonian fluid for which a stationary evacuation is reached.

Les techniques de dépoussiérage les plus efficaces et largement utilisées pour séparer des particules ultrafines d’un fluide porteur sont les médias fibreux. Le principal problème est le colmatage du filtre qui induit une augmentation de la perte de charge dans le temps et nécessite donc un nettoyage régulier des médias (ou son remplacement). La séparation des particules ultrafines par voie liquide au moyen d’une colonne à bulles a été envisagée. L’influence des différentes conditions opératoires telles que la hauteur du liquide de piégeage, le débit de filtration, la taille des bulles et la présence d’un garnissage, sur la collecte des particules a été étudiée. Malgré des rendements de collecte inférieurs à ceux des filtres à fibres, les résultats expérimentaux montrent que les colonnes à bulles présentent des performances d’autant plus importantes que le niveau du liquide est élevé et que les orifices de bullage sont petits. Par ailleurs, si l’étude de l’influence de la vitesse de gaz à l’orifice sur l’efficacité de collecte des nanoparticules ne montre pas une tendance bien définie, la présence d’un garnissage dans le liquide de collecte permet d’augmenter significativement le temps de séjour des bulles dans la colonne et donc l’efficacité de collecte / The most effective and widely used dust separation techniques to separate ultrafine particles of a carrier fluid are fibrous media. The main problem is the clogging of the filter that induces a pressure drop increase over time and thus requires a regular cleaning of the media (or its replacement). In this context, the idea is to test bubble columns, which operate at a constant pressure drop, as an alternative to fibrous filters. This study proposes to investigate the influence of different operating conditions such as the liquid level, the air flow rate, the bubble size and the presence of beads, on the collection of ultrafine particles. Despite collection efficiencies lower than those of fibrous filters, experimental results show that bubble columns present high collection efficiency when the liquid level is high and bubbling orifices have low diameters. Besides, if gas velocity does not show an important influence on the collection e_ciency, the presence of beads in the liquid increases the residence time of the bubbles in the column and thus the collection efficiency

Cette thèse est une contribution à la modélisation du comportement d'une suspension de bulles dans un fluide non newtonien du type fluide à seuil. Elle comprend trois parties. La première partie est une étude bibliographique recensant les travaux théoriques et expérimentaux pour des bulles cisaillées dans un matériau newtonien. La seconde partie est consacrée à l'étude expérimentale de cisaillement simple d'une bulle suspendue dans un fluide à seuil. La dernière partie présente une approche par changement d'échelle du comportement macroscopique d'une suspension de bulles dans un fluide à seuil. Pour le travail expérimental, nous avons développé un premier prototype de dispositif permettant de cisailler d'une bulle suspendue dans un fluide à seuil. Pour cela, une bulle d'air est injectée au sein d'un grand volume de Carbopol cisaillé loin de la bulle par un dispositif à bandes parallèles. Une première série d'essais a permis de montrer l'efficacité du dispositif et d'obtenir quelques résultats sur la déformabilité d'une bulle cisaillée par un fluide à seuil. Pour le travail théorique, d'abord nous avons proposé des estimations du comportement de la suspension dans le cas des schémas dilué, Mori-Tanaka, autocohérent et motifs morphologiques. Ces modèles nous ont permis de trouver que dans le régime élastique le module élastique macroscopique de la suspension dépend du nombre capillaire Caelast défini comme le rapport entre le module de cisaillement du fluide porteur et la pression capillaire de la bulle. Ensuite en utilisant une méthode d'homogénéisation sécante modifiée (Suquet 1997), nous avons estimé des caractéristiques non linéaires globales de la suspension. Le modèle prédit que le seuil d'écoulement de la suspension est égal au seuil d'écoulement du fluide porteur quelle que soit la taille des bulles. La validation de ces modèles micromécanique a été réalisée par comparaison aux résultats expérimentaux obtenus au laboratoire (Ducloué 2014).Mots clés : suspension de bulles, fluide à seuil, rhéologie, nombre capillaire, approche par changement d'échelle / This thesis contributes to characterizing the behavior of a suspension of bubbles dispersed in a non-Newtonian fluid (yield stress fluid type).It consists of three parts. The first part is a literature review identifying the theoretical and experimental works for bubbles sheared in a Newtonian material. The second part is dedicated to the experimental study of the simple shear of a bubble suspended in a yield stress fluid. The last part consists in developing an upscaling approach to study the macroscopic behavior of a suspension of bubbles in a yield stress fluid. For experimental work, we developped a first prototype of device for the study of the shearing of a bubble in a yield stress fluid. For that purpose, an air bubble is injected in a big volume of Carbopol sheared far from the bubble by a system in two parallel bands. A fist series of tests allowed to show the efficiency of the device and to obtain some results on the deformability of a sheared bubble in a yield stress fluid. For theoretical work, first we proposed estimates of the behavior of the suspension in the case of diluted scheme, Mori-Tanaka, autocoherent and morphological patterns. These models have allowed us to find that in the elastic regime the macroscopic elastic modulus of the suspension depends on the capillary number Caelast defined as the ratio of the shear modulus of the fluid suspended over the capillary pressure of the bubble. Then using a modified secant homogenization method (Suquet 1997), we estimated the overall nonlinear properties of the suspension. The model predicts that the overall yield stress of the suspension is that of the suspending fluid regardless of the size of bubbles. The validation of these micromechanical models was achieved thanks to the experimental results obtained in the laboratory (Ducloué 2014).Keywords: bubbles suspensions, yield stress fluid, rheology, capillary number, upscaling approach

Le premier chapitre questionne l'intuition conventionnelle selon laquelle une forte concentration au plus haut de la distribution des revenus devrait favoriser l'émergence de bulles d'actifs rationnelles. J'utilise un modèle OLG avec des fictions financières et des agents hétérogènes qui diffèrent en termes de taux d'épargne, portefeuilles d'actifs et talents. Je montre qu'une forte concentration promeut l'émergence de bulles si et seulement si ces bulles sont illiquides ou si tous les actifs offrent les mêmes rendements. A l'inverse, lorsque les bulles sont liquides et les actifs liquides paient une prime de liquidité, une faible concentration promeut l'émergence de bulles. Le deuxième papier étudie les conditions sous lesquelles une bulle d'actif augmente le PIB dans un modèle OLG-Nouveau Keynesien incluant le capital. Je montre que la stagnation séculaire est une condition nécessaire mais non suffisante. En effet, les bulles ne stimulent le PIB que si la demande agrégée est très fortement déficiente. Le troisième papier démontre que les modèle Nouveaux Keynesiens (NK) font des prédictions paradoxales lorsque la demande agrégée est chroniquement déficiente - un boom séculaire plutôt qu'une stagnation séculaire, et analyse comment ajuster ces modèles pour qu'ils deviennent viables dans l'environnement actuel. Je souligne l'importance cruciale des élasticités de l'offre et de la demande d'actifs par rapport au PIB à long terme ; j'effectue également une connexion entre le boom séculaire et d'autres prévisions paradoxales du modèle NK. / The first chapter questions the conventional intuition that a high concentration of income at the top of the distribution should promote the emergence of rational asset bubbles. I use an OLG model with financial fictions and heterogeneous agents that differ in terms of savings rate, portfolio choices and skills. I show that a high concentration at the top promotes the emergence of asset bubbles if and only if those asset bubbles are illiquid or financial markets are arbitrage-free. Instead, if asset bubbles are liquid and liquid assets pay a premium under illiquid assets, a low concentration promotes the emergence of asset bubbles. The second chapter studies the circumstances under which asset bubbles are expansionary in an OLG-New Keynesian that includes capital. I show that secular stagnation is a necessary but not sufficient condition. Indeed, asset bubbles stimulate investment, consumption and output if and only if there's a strong shortage of aggregate demand. Finally, the third paper shows that "standard" New Keynesian models make puzzling predictions when aggregate demand is chronically deficient they predict a secular boom, and seeks to understand how those models must be adjusted to analyze secular stagnation. I emphasize the crucial role of the long run elasticities of asset demand and supply with respect to the output gap in general equilibrium; and I also connect the secular boom to other puzzling predictions of the New Keynesian model.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La flottation en colonne est un système multivariable complexe avec une dynamique incertaine et non linéaire qui subit l'effet de perturbations non mesurées. Son optimisation est donc un défi d'envergure. Avec les techniques d'optimisation en temps réel, l'hypothèse que le système est en régime permanent alors qu'il est constamment perturbé limite la fréquence d'optimisation. Les systèmes hiérarchisés de commande permettent de prendre en compte l'incertitude et la complexité du procédé. Une approche courante pour optimiser indirectement l'opération des procédés de flottation consiste à mesurer et à réguler des variables secondaires qui sont fortement corrélées aux variables de performance. Ce projet couvre deux sujets importants. Le premier aspect est le développement d'algorithmes d'estimation des variables secondaires. Des techniques permettant l'estimation de la profondeur d'écume et du différentiel d'eau basées sur des mesures de conductivité sont développées. Un observateur dynamique non linéaire de la concentration en moussant fut également conçu, conduisant à des erreurs de 1 ppm. Finalement, un modèle de mélange Gaussien (Gaussian mixture model) a permis la mesure en-ligne de la distribution de dimension des bulles à partir d'un système d'imagerie. Le deuxième sujet est la conception de stratégies de commande visant l'optimisation indirecte du procédé. Une commande prédictive qui optimise indirectement la colonne en maximisant le taux de rétention d'air tout en assurant un différentiel d'eau positif est premièrement décrite. Une commande à modèle interne basée sur un modèle de Wiener fut également conçue pour réguler la dimension des bulles. Un barbotteur ("frit and sleeve") permet la régulation de la dimension de bulles de façon indépendante du débit superficiel du gaz, une étape clé pour contrôler le taux surfacique de bulles. Ces expériences illustrent que le taux de rétention d'air et le taux surfacique de bulles sont fortement corrélés démontrant qu'ils peuvent tous deux être employés à des fins de commande. Finalement, la commande de la distribution de la dimension des bulles est explorée. L'emploi d'un modèle de mélange Gaussien pour représenter la distribution de la dimension des bulles permet de transformer un problème d'ordre infini en une situation qui permet l'utilisation de méthodes classiques de commande