La microfluidique est une technologie récente dont le principal avantage est de pouvoir miniaturiser le phénomène étudié, quelque soit le domaine (énergétique, chimie, biologie...). Cependant les techniques de mesures (vitesses, températures...) au sein des systèmes microfluidiques sont souvent complexes à mettre en oeuvre. C'est pourquoi il est important de mettre en place un nouvel outil de mesure efficace et fournissant des informations à l'échelle de ces microsystèmes. La Thermographie InfraRouge (TIR) est un moyen puissant de mesurer des champs de températures, qui peuvent ensuite être utilisés pour estimer des propriétés thermo-physiques. Le premier objectif de ce travail de thèse est donc de développer un corps de méthodes expérimentales et numériques couplant la TIR et la microfluidique dans le but d'estimer des paramètres fluidiques et thermiques. Une procédure expérimentale originale ainsi que des méthodes inverses à un paramètre ont été développées. Toutes les méthodes développées ont été testées et validées sur des champs de températures simulés numériquement. Les mesures expérimentales ont permis de cartographier et d'estimer quantitativement des paramètres tels que la vitesse, la diffusivité thermique et des sources de chaleur. Le deuxième objectif est de tester les méthodes développées sur des applications microfluidiques concrètes. Ces tests ont aboutis à d'excellents résultats tels que la mesure d'enthalpie de réaction chimique en microréacteurs, ainsi que l'étude de la cristallisation de l'eau en microcanal.

À ce jour, les différentes méthodes de reconstruction des mouvements du plasma à la surface du Soleil qui ont été proposées présupposent une MHD idéale (Welsch et al., 2007). Cependant, Chae & Sakurai (2008) ont montré l’existence d’une diffusivité magnétique turbulente à la photosphère. Nous introduisons une généralisation de la méthode du Minimum Energy Fit (MEF ; Longcope, 2004) pour les plasmas résistifs. Le Resistive Minimum Energy Fit (MEF-R ; Tremblay & Vincent, 2014) reconstruit les champs de vitesse du plasma et la diffusivité magnétique turbulente qui satisfont à l’équation d’induction magnétique résistive et qui minimisent une fonctionnelle analogue à l’énergie cinétique totale. Une séquence de magnétogrammes et de Dopplergrammes sur les régions actives AR 9077 et AR 12158 ayant chacune produit une éruption de classe X a été utilisée dans MEF-R pour reconstruire les mouvements du plasma à la surface du Soleil. Les séquences temporelles des vitesses et des diffusivités magnétiques turbulentes calculées par MEF-R sont comparées au flux en rayons X mous enregistré par le satellite GOES-15 avant, pendant et après l’éruption. Pour AR 12158, nous observons une corrélation entre les valeurs significatives de la diffusivité magnétique turbulente et de la vitesse microturbulente pour les champs magnétiques faibles. / To this day, the various methods proposed for the reconstruction of plasma motions at the Sun’s surface are all based on ideal MHD (Welsch et al., 2007). However, Chae & Sakurai (2008) have shown the existence of an eddy magnetic diffusivity at the photosphere. We introduce a generalization of the Minimum Energy Fit (MEF; Longcope, 2004) for resistive plasmas. The Resistive Minimum Energy Fit (MEF-R; Tremblay & Vincent, 2014) infers velocity fields and an eddy magnetic diffusivity which solve the resistive magnetic induction equation and minimize an energy-like functional. A sequence of magnetograms and Dopplergrams documenting the active regions AR 9077 and AR 12158 are used as input in MEF-R to reconstruct plasma motions at the Sun’s surface. Time series of the inferred velocities and eddy magnetic diffusivities are compared to the soft X-ray flux observed by GOES-15. We find a positive correlation between significant eddy magnetic diffusivities and microturbulent velocities for weak magnetic fields in AR 12158.

Les procédés de séparation membranaire, utilisés couramment dans de nombreux domaines industriels, comme l’agro-alimentaire, le traitement des eaux ou les biotechnologies, sont de plus en plus mis en œuvre dans le domaine des bioraffineries. L’ultrafiltration tangentielle, par exemple, montre un fort potentiel dans l’étape de séparation des matières premières comme les nanocristaux de cellulose pour les transformer en biomasse. Cependant, l’augmentation de la concentration en particules à la surface de la membrane limite ce procédé, entrainant la formation des phénomènes de polarisation de concentration et de colmatage, réduisant les performances de filtration. Ces travaux de thèse ont pour objectif d’améliorer la compréhension des mécanismes de formation de ces phénomènes. Deux méthodes de caractérisation couvrant les échelles nanométriques à micrométiques ont été mises au point, grâce au développement de cellules de filtration couplant l’ultrafiltration à la diffusion de rayons X aux petits angles d’une part, et à la micro vélocimétrie par images de particules d’autre part. Ces mesures effectuées in-situ lors de la filtration tangentielle de suspensions de nanocristaux de cellulose et d’argile de Laponite, ont permis de caractériser l’organisation structurale et le champ hydrodynamique au sein des couches de polarisation. La corrélation de ces résultats avec les lois de comportement rhéologique des suspensions ont permis d’accéder pour la première fois aux champs de contraintes dans les couches de polarisation de concentration et de colmatage lors du procédé. / Membrane separation processes commonly used in several industrial applications, like bio and agro industries, waste water and clean water treatments, are more and more exploited in biorefinery. As an example, cross-flow ultrafiltration process shows a high potential in separation protocol of raw feed components like cellulose nanocrystals to produce biomass. This process is limited by the increase of particles concentration at the membrane surface, which conducts to phenomena named concentration polarization and fouling, which decrease the filtration performance. The PhD work objective is to bring a better understanding of the mechanisms involved in the formation of these phenomena. Two characterization methods covering length scales from nanometer to micrometer have been developed thanks to new designed tangential ultrafiltration cells allowing to link the ultrafiltration process to small angle X rays scattering and to micro particle image velocimetry. These measurement performed in-situ during ultrafiltration of nanocrystal celluloses and Laponite clay suspensions have allowed characterizing the structural organization and the velocity field within the concentration polarization layers. The correlation of these results with the rheological behavior properties of the suspensions, have permitted to access for the first time to the stress field within the concentration polarization and fouling layer during the tangential ultrafiltration process.

Au cours de cette thèse nous avons caractérisé les tourbillons quasibidimensionnels générés par convection thermique turbulente dans une demi-bullede savon. La loi de puissance en temps sur leur déplacement quadratique moyen estégalement valide pour les cyclones terrestres. Cette loi permet la prévision detrajectoire de cyclones assortie du cône de prévision comparable aux cônesexistants. Ainsi, les incertitudes de prédiction de trajectoire et les fluctuations decette trajectoire par rapport à une trajectoire moyenne sont liées. Par ailleurs, l’étudede l’intensité des tourbillons de la bulle a montré qu’ils pouvaient être décrit par unmodèle de tourbillon de type Lamb. Le suivi lagrangien de particules de fluide dans letourbillon de la bulle a permis d’en suivre des phases d’intensification et de déclin.Nous proposons une loi d’intensification commune aux tourbillons de la bulle et auxcyclones terrestres. L’influence de la rotation de la bulle sur le nombre de tourbillons,sur leur durée de vie, sur leur trajectoire et sur la loi de puissance de leurdéplacement quadratique moyen a également été étudiée. Nous nous sommes aussiintéressés à l’influence de la rotation sur les propriétés statistiques du champ defluctuations de température. Les fonctions de structures de la température semblentse raidir avec la rotation de la bulle et leurs exposants passeraient d’un régime de loide puissance en n/3 à n/2. / This thesis aims at the characterisation of quasi two dimensionalvortices stemming from turbulent thermal convection in a half soap bubble heatedfrom below. The power law in time for their mean square displacement is also validfor Earth hurricanes. This law allows simple hurricane trajectory prediction with itstrack forecast cone wich compares very well to already available cones. In this way,track prediction uncertainty and track fluctuations around a mean track are linked.The intensity of the soap bubble vortices is also studied by the mean of particleimages velocimetry and shows that their velocity field profiles are well described by aLamb type model. The Lagrangian tracking of fluid praticles in a bubble vortex allowsus to follow its intensification and decline phases. We propose an intensification lawfor both soap bubble vortices and Earth hurricanes. Rotation influence on the vorticesnumber, on their life-time, on their trajectory and on the power law of their meansquared displacement is also gauged. The statistical properties of the temperaturefield fluctuations also seem to change with rotation. The exponent of the temperaturestructure functions present a scaling transition from n/3 to n/2.

Les phénomènes éruptifs du Soleil sont souvent accompagnés par l'accélération de particules chargées qui peuvent avoir des impacts significatifs sur la Terre. Toutefois, le mécanisme responsable de ces phénomènes n'est pas suffisamment bien compris pour qu’on puisse en prédire l'occurence. Les satellites et les observatoires terrestres sondent la photosphère, la chromosphère et la couronne du Soleil et sont essentiels pour l'étude de l'activité solaire. Les simulations numériques tentent de faire le pont entre la physique décrivant l'intérieur de l'étoile et de telles observations. La prochaine étape pour des simulations réalistes serait la prévision à court terme des structures à la surface du Soleil. Les travaux présentés dans cette thèse explorent comment des notions empruntées de la météorologie (e.g., l'assimilation des données) et de l'intelligence artificielle (e.g., les réseaux de neurones) pourraient être utilisées pour la prédiction à court terme de l'activité solaire dans le contexte de la météorologie spatiale. En particulier, nous présentons notre implémentation de l'assimilation des données dans un modèle magnétohydrodynamique (MHD) radiatif du Soleil calme (i.e., en l'absence d'activité magnétique) afin de prédire l'évolution de la granulation solaire durant une courte période de temps. Toutefois, ce ne sont pas toutes les variables du modèle qui peuvent être observées ou mesurées à l'aide d'instruments. Par exemple, les mesures directes des mouvements du plasma à la surface du Soleil sont limitées à la composante le long de la ligne de visée. Plusieurs algorithmes ont donc été développés afin de reconstruire la composante transverse à partir de mesures de l'intensité de la lumière ou du champ magnétique. Nous comparons les champs de vitesse inférés par différentes méthodes, dont un réseau de neurones, afin d'identifier la méthode la mieux adaptée pour générer des observations synthétiques dans une chaîne de réduction des données qui pourraient ensuite être introduites dans notre système pour l'assimilation des données. / Eruptive events of the Sun, which often occur in the context of flares, convert large amounts of magnetic energy into emission and particle acceleration that can have significant impacts on Earth's environment. However, the mechanism responsible for such phenomena is not sufficiently well understood to be able to predict their occurrence. Satellites and ground-based observatories probe the Sun's photosphere, chromosphere and corona and are key in studying solar activity. Numerical models have attempted to bridge the gap between the physics of the solar interior and such observations. The next step for realistic simulations would be to forecast the short term evolution of the Sun's photosphere. The following work explores how notions borrowed from meteorology (e.g., data assimilation) and artificial intelligence (e.g., neural networks) could be used to forecast short term solar activity for space-weather modelling purposes. More specifically, we present an implementation of data assimilation in a radiative MHD model of the Quiet Sun (i.e., in the absence of significant magnetic activity) to forecast its evolution over a short period of time. However, not all model variables are directly observable. For example, direct measurements of plasma motions at the photosphere are limited to the line-of-sight component. Multiple algorithms were consequently developed to reconstruct the transverse component from observed continuum images or magnetograms. We compare velocity fields inferred by different methods, including a neural network, to identify the method best suited to generate instantaneous synthetic observations in a data reduction pipeline that would included in our data assimilation framework.

Cette étude est dédiée à l'amélioration du design des microréacteurs gaz-liquide. Le terme de microréacteur correspond à des appareils composés de canaux dont les dimensions sont de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de microns. Grâce à la valeur importante du ratio surface/volume, ces appareils constituent une issue prometteuse pour contrôler les réactions rapides fortement exothermiques, souvent rencontrées en chimie fine et pharmaceutique. Dans le cas des systèmes gaz-liquide, on peut citer par exemple les réactions de fluoration, d’hydrogénation ou d’oxydation. Comparés à des appareils conventionnels, les microréacteurs permettent de supprimer le risque d’apparition de points chauds, et d’envisager le fonctionnement dans des conditions plus critiques, par exemple avec des concentrations de réactifs plus élevées. En même temps, la sélectivité peut être augmentée et les coûts opératoires diminués. Ainsi, les technologies de microréacteurs s’inscrivent bien dans les nouveaux challenges auxquels l'industrie chimique est confrontée ; on peut citer en particulier la réduction de la consommation énergétique et la gestion des stocks de produits intermédiaires. Les principaux phénomènes qui doivent être étudiés lors de la conception d’un microréacteur sont le transfert de matière et le transfert thermique. Dans les systèmes diphasiques, ces transferts sont fortement influencés par la nature des écoulements, et l'hydrodynamique joue donc un rôle central. Par conséquent, nous avons focalisé notre travail sur l’hydrodynamique de l’écoulement diphasique dans les microcanaux et sur les couplages constatés avec le transfert de masse. Dans ce contexte, nous nous sommes dans un premier temps intéressés aux régimes d’écoulement et aux paramètres contrôlant la transition entre les différents régimes. Au vu des capacités de transfert de matière et à la flexibilité offerte en terme de conditions opératoires, le régime de Taylor semble le plus prometteur pour mettre en œuvre des réactions rapides fortement exothermiques et limitées par le transfert de matière. Ce régime d'écoulement est caractérisé par des bulles allongées entourées par un film liquide et séparées les unes des autres par une poche liquide. En plus du fait que ce régime est accessible à partir d’une large gamme de débits gazeux et liquide, l'aire interfaciale développée est assez élevée, et les mouvements de recirculation du liquide induits au sein de chaque poche sont supposés améliorer le transport des molécules entre la zone interfaciale et le liquide. A partir d'une étude de l’hydrodynamique locale d’un écoulement de Taylor, il s’est avéré que la perte de charge et le transfert de matière sont contrôlés par la vitesse des bulles, et la longueur des bulles et des poches. Dans l’étape suivante, nous avons étudié l'influence des paramètres de fonctionnement sur ces caractéristiques de l’écoulement. Une première phase de notre travail expérimental a porté sur la formation des bulles et des poches et la mesure des champs de vitesse de la phase liquide dans des microcanaux de section rectangulaire. Nous avons également pris en compte le phénomène de démouillage, qui joue un rôle important au niveau de la perte de charge et du transfert de matière. Des mesures du coefficient de transfert de matière (kLa) ont été réalisées tandis que l'écoulement associé était enregistré. Les vitesses de bulles, longueurs de bulles et de poches, ainsi que les caractéristiques issues de l’exploitation des champs de vitesse précédemment obtenus, ont été utilisées afin de proposer un modèle modifié pour la prédiction du kLa dans des microcanaux de section rectangulaire. En mettant en évidence l'influence du design du microcanal sur l’hydrodynamique et le transfert de matière, notre travail apporte une contribution importante dans le contrôle en microréacteur des réactions rapides fortement exothermiques et limitées par le transfert de matière. De plus, ce travail a permis d'identifier certaines lacunes en termes de connaissance, ce qui devrait pouvoir constituer l'objet de futures recherches. / The present project deals with the improvement of the design of gas-liquid microreactors. The term microreactor characterizes devices composed of channels that have dimensions in the several tens to several hundreds of microns. Due to their increased surface to volume ratios these devices are a promising way to control fast and highly exothermic reactions, often employed in the production of fine chemicals and pharmaceutical compounds. In the case of gas-liquid systems, these are for example direct fluorination, hydrogenation or oxidation reactions. Compared to conventional equipment microreactors offer the possibility to suppress hot spots and to operate hazardous reaction systems at increased reactant concentrations. Thereby selectivity may be increased and operating costs decreased. In this manner microreaction technology well fits in the challenges the chemical industry is continuously confronted to, which are amongst others the reduction of energy consumption and better feedstock utilization. The main topics which have to be considered with respect to the design of gasliquid μ-reactors are heat and mass transfer. In two phase systems both are strongly influenced by the nature of the flow and thus hydrodynamics play a central role. Consequently we focused our work on the hydrodynamics of the two-phase flow in microchannels and the description of the inter-linkage to gas-liquid mass transfer. In this context we were initially concerned with the topic of gas-liquid flow regimes and the main parameters prescribing flow pattern transitions. From a comparison of flow patterns with respect to their mass transfer capacity, as well as the flexibility offered with respect to operating conditions, the Taylor flow pattern appears to be the most promising flow characteristic for performing fast, highly exothermic and mass transfer limited reactions. This flow pattern is characterized by elongated bubbles surrounded by a liquid film and separated from each other by liquid slugs. In addition to the fact that this flow regime is accessible within a large range of gas and liquid flow rates, and has a relatively high specific interfacial area, Taylor flow features a recirculation motion within the liquid slugs, which is generally assumed to increase molecular transport between the gas-liquid interface and the bulk of the liquid phase. From a closer look on the local hydrodynamics of Taylor flow, including the fundamentals of bubble transport and the description of the recirculation flow within the liquid phase, it turned out that two-phase pressure drop and gas-liquid mass transfer are governed by the bubble velocity, bubble lengths and slug lengths. In the following step we have dealt with the prediction of these key hydrodynamic parameters. In this connection the first part of our experimental study was concerned with the investigation of the formation of bubbles and slugs and the characterization of the liquid phase velocity field in microchannels of rectangular cross-section. In addition we also addressed the phenomenon of film dewetting, which plays an important rôle concerning pressure drop and mass-transfer in Taylor flow. In the second part we focused on the prediction of gas-liquid mass transfer in Taylor flow. Measurements of the volumetric liquid side mass transfer coefficient (kLa-value) were conducted and the related two-phase flow was recorded. The measured bubble velocities, bubble lengths and slug lengths, as well as the findings previously obtained from the characterization of the velocity field were used to set-up a modified model for the prediction of kLa-values in μ-channels of rectangular cross-section. Describing the interaction of channel design hydrodynamics and mass transfer our work thus provides an important contribution towards the control of the operation of fast, highly exothermic and mass transfer limited gas-liquid reactions in microchannels. In addition it enabled us to identify gaps of knowledge, whose investigation should be items of further research.

Cette thèse est consacrée à la recherche d'empreintes spécifiques relatives à la nature de l'Énergie Noire dans les processus d'effondrements gravitationnels linéaire et non-linéaire au travers de développements théoriques et numériques. Ainsi, plusieurs aspects de la cosmologie ont été abordés: tout d'abord, afin d'étudier l'influence de nombreuses formes complexes d'Énergie Noire sur la structuration, le développement de la théorie des perturbations dans un formalisme covariant a permis d'étendre les équations classiques de Sasaki-Mukhanov aux cas de champs scalaires couplés et en présence de multiples fluides cosmologiques. Ces travaux permettent de décrire l'évolution des perturbations linéaires de modèles d'Énergie Noire complexes en minimisant le nombre de degrés de liberté. Ces dernières années ont vu le nombre et la qualité des observations augmenter de manière vertigineuse, tant sur la distribution de la matière dans l'Univers que sur le champ de déplacement de celle-ci. En particulier, ces observations ont permis de mettre en évidence un champ de vitesse local anormalement élevé par rapport à la prédiction du modèle standard $\Lambda$CDM. L'explication de cet excès des champs de vitesse à des échelles intermédiaires constitue l'apport principal de ces travaux de recherche: en réinterprétant les mesures anormales de champs de vitesse de Watkins et al. sur des distances intermédiaires (50 Mpc/h) en termes d'événement rare dans le cadre de la théorie linéaire, nous avons proposé une nouvelle sonde cosmologique consistant à mesurer l'échelle à laquelle le flot moyen rejoint en amplitude ce que l'on attend en théorie linéaire. Nous montrons la sensibilité de cette nouvelle sonde cosmologique dans trois modèles d'Énergie Noire concurrentiels. Ces résultats, développés par des méthodes analytiques, sont comparés à des mesures effectuées sur des simulations numériques hautes performances auxquelles nous avons pris une part importante. Dans un second temps, à partir de ces simulations numériques, nous montrons que l'origine dynamique d'un tel mouvement d'ensemble local résulte d'une asymétrie de la distribution de matière à plus grande échelle (80 Mpc/h). Cette asymétrie est mise en évidence grâce à l'introduction d'un estimateur original du champ de matière quantifiant l'écart à la symétrie d'un champ. Finalement, nous démontrons que l'arrangement spatial des environnements présentant un champ de vitesse anormal dans l'Univers est corrélé avec la distribution des pics de densité. Cette corrélation nous indique de manière locale la distribution de structures responsables du mouvement d'ensemble anormalement élevé. Une caractérisation différente de l'Énergie Noire fait appel au champ de densité dans l'Univers. En particulier, nous caractérisons ce champ de densité en terme de fonctions de corrélation et étudierons les effets des champs de vitesse sur ceux-ci au travers des distorsions dans l'espace des redshifts. Nous présentons donc plusieurs résultats prometteurs à partir des fonctions de corrélation issues des simulations Dark Energy Universe Simulation (DEUSS) pour trois modèles concurrentiels d'Énergie Noire, en distinguant espace comobile et espace des redshift d'une part et corrélation suivant la masse des halos d'autre part. Deux aspects seront particulièrement abordées dans ce travail. Tout d'abord, nous soulignons l'impact de ces mesures sur le biais en cosmologie: ils permettront donc de déduire de nombreux résultats sur la dépendance de ce dernier sur le modèle cosmologique et le redshift. Dans un second temps, ces mesures permettent de montrer que l'empreinte de l'Énergie Noire sur le régime non-linéaire de formation des structures dans l'Univers, déjà mise en évidence sur les champs continus de matière, demeure lorsque l'on mesure la fonction de corrélation à partir des traceurs du champs, à savoir les halos de matière noire. Finalement, cette thèse a vu la réalisation des simulations DEUS: Full Universe Runs, première modélisation de tout l'Univers observable, du Big Bang jusqu'à aujourd'hui. Cette série de modélisations ayant demandé de nombreuses optimisations des codes cosmologiques existants, a permis de mettre en évidence quelques résultats marquants, faisant appel à la statistique inégalée de cette nouvelle série de simulations. Les méthodes numériques permettant le suivi dynamique de l'effondrement gravitationnel et la détection de structures ainsi que les efforts d'optimisations menés durant cette thèse sont présentés dans une partie numérique en fin de thèse.