Cette thèse étudie la possibilité de simuler des écoulements complexes (polymères chargés, suspensions de fibres courtes, polymères) en prenant en compte la structure à l'échelle microscopique dans le cadre de la théorie cinétique. Il y a un couplage fort entre la structure microscopique et la cinématique à l'échelle macroscopique. Le caractère multidimensionnel de l'équation de Fokker-Planck décrivant la microstructure du fluide rend la simulation difficile avec des approches déterministes classiques. Pour palier ce problème, plusieurs méthodes visant à réduire les dimensions sont développées et testées. <br /><br />Ces méthodes sont appliquées en particulier dans le cas des écoulements recirculants. Le cas d'une recirculation ajoute une difficulté supplémentaire car nous ne connaissons ni les conditions initiales, ni les conditions aux limites. Or les recirculations se trouvent dans beaucoup d'écoulements industriels, lors de la mise en forme des matériaux. Pour cette raison nous avons développé des méthodes numériques spécifiques à ce type d'écoulement.<br /><br />Finalement, une partie de la thèse est dédiée à une étude expérimentale permettant de valider les résultats numériques obtenus et d'étudier les phénomènes physiques entrant en jeu dans la mise en forme des polymères chargés.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'un programme pluriannuel de recherche que nous menons pour le compte d'Eurocopter. Plusieurs volets de ce projet qui porte sur la modélisation et la caractérisation du comportement d'un élastomère silicone chargé en silice, ont été traités lors de précédentes thèses (comportement à froid, couplage thermo-mécanique, comportement dynamique multi-fréquenciel...).<br />La présente thèse, est consacrée à la modélisation du comportement en fatigue de ces élastomères.<br />Dans un premier temps, en postulant des hypothèses sur les mécanismes d'interaction agglomérats de charges / gomme et sur les comportements respectifs des différentes phases, nous proposons deux modèles hyper-visco-plastique traduisant de façon statistique le comportement macroscopique du matériau.<br />S'en suit une campagne d'essais de fatigue, en traction uniaxiale et en double-cisaillement, qui permet de suivre le comportement du matériau à différentes étapes (nombre de cycles) et selon différentes configurations (amplitude, fréquence de sollicitation, pré-déformation...) de fatigue.<br />A chaque étape de fatigue, des essais de caractérisation (quasi-statiques, relaxation, essais triangulaires à différentes vitesses de déformation) sont réalisés. Une procédure d'identification sur les résultats expérimentaux permet, ensuite, de déterminer les paramètres des modèle statistiques hyper-visco-plastiques et d'en déduire leur évolution avec la fatigue.<br /> Un modèle d'endommagement de fatigue est donc proposé, moyennant l'hypothèse de cumul linéaire et un critère d'évolution énergétique.

Les bosons chargés identiques confinés dans une grande boite dont les parois portent une charge de signe contraire mais de même densité assurant la neutralité du système, constituent un plasma neutre à une composante. On obtient un plasma neutre à deux composantes lorsque les bosons identiques de charge positive et ceux de charge négative de même densité sont contenus dans la même boite. Le plasma non-neutre des bosons s'obtient en confinant l'assemblée des bosons identiques chargés dans un piège des particules chargées de Penning ou de Paul. Nous avons fait l'étude théorique de la dégénérescence quantique du plasma non-neutre des bosons de spin zéro confinés dans un piège de Paul à haute densité et à très basse température. Cette étude a porté d'abord sur un système sans transition de phase dans le piège, et ensuite sur le régime gazeux (de Mathieu) et sur le régime intermédiaire (liquide). Nous avons utilisé la théorie microscopique en considérant le champ scalaire complexe ou champ des mésons chargés pour construire les opérateurs bosons chargés de spin zéro, définir l'espace des états quantiques du système, construire les opérateurs champs de création et d'annihilation des bosons d'impulsion p au point r . Ces derniers nous ont permis de construire l'opérateur Hamiltonien de la seconde quantification du plasma et la matrice densité à une particule. La matrice densité du plasma non neutre de bosons de spin zéro et la prescription de Bogoliubov révèlent l'occupation macroscopique d'un état quantique dans le piège harmonique radiofréquence de Paul. Nous avons déterminé pour ce plasma l'énergie de l'état fondamental, le spectre des excitations élémentaires, l'équation de Hartree-Fock etc. Nos résultats sont comparés dans un tableau aux résultats de l'application de la théorie microscopique aux assemblées des bosons neutres confinés dans un piège magnétique et au gaz électronique.

Ce travail aborde le sujet des d efauts charg es dans le silicium. Jusqu' a pr esent, les d efauts charg es ont principalement et e etudi es en conditions p eriodiques (PBC). En e et, l'approche PBC est parfaite pour simuler unsolide in ni. Mais, comme je le montre dans ce chapitre, elle apporte aussi des artefacts. En particulier dans le traitement de l' electrostatique, o u des traitements math ematiques important doivent ^etre utilis es pour supprimer les interactions non d esir ees entre r epliques. Notre approche vise a simuler correctement un d efaut charg e, tout en conservant de bonne propri et es pourle mat eriau massif. Elle consiste a simuler le d efaut dans un nano-agr egat. Le traitement de l' electrostatique est correct dans un nano-agr egat et les r esultats obtenus peuvent ^etre extrapol es au mat eriau massif, comme il est montr e dans ce chapitre. Les perspectives de cette m ethode sont aussi abord ees ici. / In this work we have studied Si clusters with point defects in various charged states. Point defects in semiconductors affects the electronic structure of the material introducing new energy levels and consequently new modes of transport.Detailed study of the point defects have been undertaken in various approaches. The most common practice is to usesuper-cell calculations under the framework of Density Functional Theory with Periodic Boundary Conditions (PBC). Inthis formalism there are a lot of factors like defect-defect interactions, image charge interactions, that are to be correctedfor to achieve the " artefact-free" results. In this study we have used Free Boundary Conditions with nano-clusters of Sipassivated with Hydrogen at the surface. Previous works have undertaken in detail the geometrical effects in the nanoclusters. But a complete picture of the electrostatics and its effect on the energy states demand a complete study. Hence inour calculations we take another approach, devoid of the correction factors for cases with PBC, and produce an alternativeway to calculate the formation energy of the defects. We have described the formation and stability of the defects invarious charged states and provided with a detailed analysis of the properties pertaining to the nano-scale size. Finallymigration parameters are provided with respect to the charge states of the defects. Our results are also compared with thePBC calculations with critical discussions.

Ce travail aborde le sujet des d efauts charg es dans le silicium. Jusqu' a pr esent, les d efauts charg es ont principalement et e etudi es en conditions p eriodiques (PBC). En e et, l'approche PBC est parfaite pour simuler unsolide in ni. Mais, comme je le montre dans ce chapitre, elle apporte aussi des artefacts. En particulier dans le traitement de l' electrostatique, o u des traitements math ematiques important doivent ^etre utilis es pour supprimer les interactions non d esir ees entre r epliques. Notre approche vise a simuler correctement un d efaut charg e, tout en conservant de bonne propri et es pourle mat eriau massif. Elle consiste a simuler le d efaut dans un nano-agr egat. Le traitement de l' electrostatique est correct dans un nano-agr egat et les r esultats obtenus peuvent ^etre extrapol es au mat eriau massif, comme il est montr e dans ce chapitre. Les perspectives de cette m ethode sont aussi abord ees ici.

Cette thèse porte sur le mouvement de particules colloïdales induit par l’effet thermoélectrique (ou effet Seebeck). Dans un électrolyte soumis à un gradient de température, les ions ont tendance à migrer à des vitesse qui différent d'une espèce à l'autre. On observe alors une accumulation de charge aux bords de l’échantillon. Ce déséquilibre induit un champ électrique qui agit sur les colloïdes chargés présents dans la solution. Cette contribution électrophorétique dans le champ de Seebeck s'additionne à la contribution directe de thermodiffusion. Comme résultat principal,nous obtenons la vitesse phorétique en fonction de la fraction volumique des particules et, dans le cas de polyélectrolytes, du poids moléculaire. Dans la seconde partie, nous étudions l’effet thermoélectrique pour une particule chauffée par absorption d’un faisceau laser. Le gradient de température est alors radial et l’effet Seebeck induit une charge nette dans le voisinage de la particule. Enfin, nous discutons les applications possibles de ce phénomène de thermocharge / In this work we study the motion induced in a colloidal dispersion by thethermoelectric or Seebeck effect. As its basic principle, the ions of the electrolytesolution start moving in a temperature gradient. In general, the velocity of one iondiffers from another. As a result, one observes a charge separation and a macroscopicelectric field. This thermoelectric field, in turn, acts upon the charged colloidalparticle present in the solution. Thus thermophoresis of the particle comprises of anelectrophoretic motion in the thermoelectric or Seebeck field. As an important result,we derive how the corresponding velocity of a colloidal particle depends upon thecolloidal volume fraction or on molecular weight for polymers. In a second part, westudy the thermoelectric effect due to a hot colloidal particle where a radialtemperature gradient is produced by the particle itself. In this temperature gradientthe same Seebeck effect takes place in the electrolyte solution. We find that the hotparticle carries a significant amount of charge around it. Whereas the amount ofsurface charges present at the boundaries of the sample container in the onedimensionalcase is rather insignificant. Possible applications of this thermochargingphenomenon are also discussed.

L'extraction de biomolécules à partir de ressources renouvelables devient l'un des thèmes clés dans les domaines de la biotechnologie, de la cosmétologie et de la pharmacie. Pour minimiser la consommation de solvant organique et augmenter l'efficacité, l'extraction avec des mélanges eau/alcool semble être une approche prometteuse. De plus, des étapes supplémentaires de purification et de concentration sont généralement nécessaires pour enrichir le milieu avec les molécules cibles. La nanofiltration (NF) est une technique de séparation idéale et durable pour de telles opérations car elle est propre, sobre et sûre. Il existe néanmoins peu de littérature concernant la NF dans ces mélanges eau/éthanol. Cette étude vise à mieux comprendre les mécanismes de transfert qui régissent la sélectivité dans ces milieux. Dans un premier temps une étude fondamentale est réalisée sur la NF dans des mélanges eau/ alcool seuls ou en présence de solutés neutres et/ou chargés. Les résultats obtenus montrent que lorsque la teneur en alcool augmente, la membrane gonfle, le rayon des pores augmente mais la résistance intrinsèque reste constante. Les mécanismes de transfert bien connus en milieux aqueux (exclusion stérique, interaction électrostatique, interaction diélectique) et en milieux organiques (interactions hydrophobes, affinité soluté-membrane-solvant) sont tous présents dans des mélanges eau/alcool mais leur intensité relative semble être différente. Différents modèles (Spiegler-Kedem & Film, Hydrodynamique & Film, Solution-Diffusion & Film, Pore-Flow & Film, Steric Electric and Dielectric Exclusion) ont été utilisés pour modéliser les rétentions et estimer les paramètres de transfert. / The extraction of bio-molecules from renewable resources is emerging as one of a key topics in the fields of biotechnology, cosmetology and pharmacy. To minimize the organic solvent consumption, as well as to increase the efficiency, extraction by water/alcohol mixtures appears to be a promising approach. Moreover, additional purification and concentration steps are generally required to enrich the medium with the target molecules. Nanofiltration is a de-facto separation technique for such operations because it is clean, sober and safe. Unfortunately, there is few literature on the transfer of water/ethanol mixtures regarding nanofiltration. This study aims to better understand the transfer mechanisms that govern selectivity in these media. At the first step, a fundamental study is realized on nanofiltration in water/alcohol mixtures alone or with the presence of neutral or charged solutes. The obtained results show that when the alcohol content increases, the membrane is swelling, the pore radius increases but the intrinsic resistance is still constant. The well-known transfer mechanisms in aqueous media (steric exclusion, electric interaction, dielectric interaction) and in organic media (hydrophobic interaction, affinity solute-membrane-solvent) are all present in the water/alcohol mixtures, but relative intensity appears to be different. Different models (Spiegler-Kedem & Film, Hydrodynamics & Film, Solution-Diffusion & Film, Pore-Flow & Film, Electric Steric and Dielectric Exclusion) were used to model the retentions and estimate the transfer parameters.

La réalisation des moules pour l'injection des thermoplastiques demande un gros investissement financier; en conséquence, les industriels souhaitent parvenir à prédire correctement la géométrie finale des pièces injectées. Pour cela, un calcul rhéologique couplé à un calcul thermo-mécanique par éléments finis dans le solide doit être mené et requiert les propriétés du matériau. Aujourd'hui, les propriétés mécaniques des matériaux utilisées dans les codes de calcul ne sont généralement ni thermo-dépendantes, ni directement dépendantes de l'orientation locale des fibres. L'objectif de cette étude est de parvenir à prédire les propriétés élastiques et les coefficients de dilatation de composites injectés et chargés de fibres courtes, en ayant recours à des techniques d'homogénéisation. L'originalité du travail réside dans le fait d'estimer ces propriétés sur une large gamme de température en fonction de l'orientation locale des fibres. Une 1ère partie présente les techniques de mesure de l'état d'orientation des fibres: dans le cas particulier de l'injection où la plupart des fibres sont contenues dans un plan, nous avons mis au point une nouvelle méthode rapide et précise afin de déterminer l'orientation spatiale des fibres. Elle consiste à analyser l'image, prise au microscope électronique à balayage, d'un seul plan de coupe incliné par rapport à la direction d'injection. Dans une 2ème partie, les propriétés thermo-élastiques des composites sont obtenues par le modèle de Mori-Tanaka. Pour tenir compte de l'orientation, plusieurs méthodologies sont évaluées. Finalement, nous proposons d'utiliser une fonction capable de décrire la forme de la distribution d'orientation et dont les paramètres sont identifiés à partir du tenseur d'orientation d'ordre 2. Les prédictions obtenues sont cohérentes avec les mesures de modules d'Young et de coefficients de dilatation.

Ce mémoire porte sur la modélisation et la simulation non-stationnaires de l'interaction entre le faisceau d'électrons et l'onde électromagnétique dans les tubes à onde progressives (TOP) à hélice. Le TOP étant un instrument sur-dimensionné, les modèles non-stationnaires généraux sur lesquels se basent la plupart des logiciels commerciaux nécessitent de trop grosses ressources de calcul pour pouvoir être utilisés en un temps raisonnable pour des activités de conception industrielle. Il est donc nécessaire de faire appel à des modèles dits 'spécialisés'. Cette thèse porte sur le modèle discret non-stationnaire d'excitation d'un guide d'onde périodique de S. Kuznetsov. Avant nos travaux, il avait été démontré (N. Ryskin et al., 2007) que ce modèle pouvait s'appliquer aux TOP à cavités couplées dans le cadre d'un modèle à une dimension. Néanmoins, il n'existait alors aucune étude venant confirmer ou infirmer son application aux TOP à hélice. Lors de cette thèse, nous avons démontré, via le développement d'un code à une dimension (HelL-1D), que le modèle discret s'applique convenablement aux TOP à hélice. L'utilisation de ce modèle dans un code à deux dimensions (HelL-2D) a, elle aussi, été effectuée. Enfin, nous avons développé une méthode permettant de contrôler quantitativement les réflexions d'onde aux extrémités de la ligne à retard dans le modèle discret. Cette dernière étude constitue une avancée importante vers la simulation pratique des TOP en utilisant le modèle discret.