Le but de ce travail expérimental est de caractériser de l’écoulement d’émulsions dans des dispositifs microfluidiques Grâce à une technique de vélocimétrie par suivi des particules, nous avons accès au comportement rhéologique local des émulsions étudiées. En faisant varier la largeur du canal microfluidique dans lequel s’écoule l’émulsion ainsi que la rugosité des parois qui confinent l’écoulement, nous avons mis en évidence des effets non locaux dans l’écoulement d’émulsions concentrées en milieux confiné. Nous avons proposé un modèle microscopique scalaire qui permet de rendre compte des résultats obtenus. La non localité est quantifiée par une longueur, caractéristique de la coopérativité de l’écoulement. Cette longueur est typiquement de quelles tailles de gouttes. Nous avons étudié plusieurs émulsions afin de mettre en évidence l’influence de la fraction volumique en gouttelette, leur taille ainsi que leur polydispersité sur la longueur caractéristique de la coopérativité de l’écoulement. / This work is an experimental study of the flow of emulsions in confined media. Here we use a microfluidic velocimetry technique to characterize the flow of thin layers of concentrated emulsions, confined in gaps of different thicknesses by surfaces of different roughnesses. We find evidence for finite-size effects in the flow behaviour and the absence of an intrinsic local flow rule. In contrast to the classical nonlinearities of the rheological behaviour of amorphous materials, we show that a rather simple nonlocal flow rule can account for all the velocity profiles. This nonlocality of the dynamics is quantified by a length, characteristic of cooperativity within the flow at these scales, that is unobservable in the liquid state (lower emulsion concentrations) and that increases with concentration in the jammed state

Les matériaux vitreux mous (émulsion concentrée, mousse, suspension concentrée...) présentent un comportement rhéologique entre solide et liquide. Aux petites contraintes le système reste élastique, mais au-dessus d’une contrainte seuil, le système s’écoule comme un liquide visqueux. Ce comportement se trouve dans de nombreux fluides industriels comme dans les cosmétiques, l’agro-alimentaire ou encore le béton. Une contrainte seuil n’apparait que au dessus d’une certaine fractions volumique. Au dessus de cette fraction les particules se bloquent entre elle, la relaxation n’est plus possible et l’écoulement devient fortement coopératif.Cette coopérativité influe sur la rhéologie à petite échelle, Quand le confinement devient de l’ordre de quelques particules, la viscosité ne dépend plus uniquement, comme habituellement, de la contrainte locale mais aussi de la contrainte au voisinage. C’est ce qu’on appelle rhéologie non-localeJ’ai étudié expérimentalement ce comportement en utilisant les outils de micro fluidiques. J’ai étudié une micro-émulsion concentrée s’écoulant dans un microcanal en observant directement l’écoulement des gouttes avec un microscope confocal. Les résultats sont comparés au model “Kinetic-Elasto-Plastic” de Bocquet et al. 2009 et à des simulations de dynamique moléculaire. / Soft glassy materials (concentrated emulsion, foams, concentrated suspension…) present rheological properties between solids and liquid. Under small stress they stay elastic but at stress higher than a yield stress they begin to flow as a liquid. Those fluids are used in cosmetics, food industry or building materials as concrete. The yield stress behavior only appears when the volume fraction is high enough, where the particles are blocked by their neighbors. So the systems cannot relax and the flow become highly cooperative.This cooperativity impacts the rheology at small scale. When the confinement is of the order of few particles, the viscosity does not only depend on the local stress as usually but also on the stress in the neighborhood. This is called non-local rheology.I studied experimentally this behavior by flowing concentrated emulsion in a microchannel and observing directly the flow of the droplet with a confocal microscopy. The results from these microfluidics experiments are compared to predictions of the Kinetic Elasto Plastic model of Bocquet et al. 2009 and molecular dynamic simulation of jammed soft particles.

L'exploitation minière des sables bitumineux requiert une succession de nombreuses opérations pour séparer le bitume, l'eau et le sable. La séparation solide/liquide fait intervenir un hydrocyclone. Afin de limiter l'ajout d'eau, l'hydrocyclone doit fonctionner dans des conditions inhabituelles correspondant à une concentration élevée à l'alimentation. Une étude expérimentale a permis de caractériser l'ensemble des régimes de fonctionnement, l'influence de la concentration et des caractéristiques géométriques. De plus, des simulations numériques ont été réalisées avec NEPTUNE_CFD@Tlse. Deux méthodes sont proposées pour modéliser les comportements observés à faible et à forte concentration. Les résultats numériques sont en bon accord avec les expériences sur toute la gamme de concentration. L'étude des phénomènes locaux permet une meilleure compréhension des mécanismes de séparation. / Tar sands beneficiation requires a series of processing steps for separation of bitumen, water and sand particles. In this process, hydrocyclones are used to separate sand from water and bitumen, thereby recovering additional bitumen and concentrating sand particles before sending them off to tailing ponds. In order to reduce fresh water consumption (environmental policy), hydrocyclones need to operate with high feed solids content, say 50% in mass, which lays outside their standard operating regime. The response and performance of hydrocyclones need to be understood under such stringent operating conditions. A pilot scale experiment was commissioned for testing a 100mm diam. hydrocyclone under different operating regimes of discharge and measuring the corresponding separation performance. Feed solids concentration and geometrical properties were varied extensively. Separation performance indicators, including partition curve, cut-size, sharpness index and water recovery to underflow were obtained by standard data reconciliation. The experimental data provided all the information required to test the CFD model that was derived to simulate the hydrocyclone. Eulerian simulations of the three-dimensional liquid-solid flow inside the hydrocyclone were carried out, using a multi-fluid model (NEPTUNE_ CFD@Tlse). The actual geometrical features and operating conditions of the hydrocyclone were accurately matched in the simulations. Two simulation approaches have been proposed for hydrocyclone modelling, depending on their operating under dilute conditions, with a spray discharge or dense conditions, with a rope discharge. Numerical simulation results are in good agreement with experiments. Local analysis of hydrodynamic features yields new insights into the behaviour of hydrocyclones at high feed solids concentration.

Cette étude se situe dans le contexte industriel de l'utilisation de superplastifiants pour la réalisation de bétons haute performance. Pour mieux comprendre le mode d'action des molécules fluidifiantes nous avons utilisé un système modèle constitué de suspensions de particules de carbonate de calcium l'une commerciale et constituée de microparticules et l'autre synthétisée au LPMC et constituée de nanoparticules. L'étude a porté sur cinq molécules organiques : quatre de type polyméthacrylates greffés polyoxyéthylène (PCP) avec des longueurs de greffons différentes et un diphosphonate polyoxyéthylène : OPTIMA100. La caractérisation des grandeurs pertinentes des fluidifiants comme leurs complexations vis-à-vis des ions ; leurs degré d'ionisation, leurs tailles, leurs affinités avec le solvant ou encore leurs capacités d'adsorption sur les surfaces a été effectuée. D'importantes différences d'efficacité de ces fluidifiants vis-à-vis de la rhéologie et de la sédimentation des deux types de suspension ont été mises en évidence. Ces différences de comportements on été interprétées grâce à la caractérisation effectuée sur les fluidifiants et à la modélisation des forces interparticulaires.

Cette étude se situe dans le contexte industriel de l’utilisation de superplastifiants pour la réalisation de bétons haute performance. Pour mieux comprendre le mode d’action des molécules fluidifiantes nous avons utilisé un système modèle constitué de suspensions de particules de carbonate de calcium l’une commerciale et constituée de microparticules et l’autre synthétisée au LPMC et constituée de nanoparticules. L’étude a porté sur cinq molécules organiques : quatre de type polyméthacrylates greffés polyoxyéthylène (PCP) avec des longueurs de greffons différentes et un diphosphonate polyoxyéthylène : OPTIMA100. La caractérisation des grandeurs pertinentes des fluidifiants comme leurs complexations vis-à-vis des ions ; leurs degré d’ionisation, leurs tailles, leurs affinités avec le solvant ou encore leurs capacités d’adsorption sur les surfaces a été effectuée. D’importantes différences d’efficacité de ces fluidifiants vis-à-vis de la rhéologie et de la sédimentation des deux types de suspension ont été mises en évidence. Ces différences de comportements on été interprétées grâce à la caractérisation effectuée sur les fluidifiants et à la modélisation des forces interparticulaires. / This study deals with the industrial context where the superplasticizers are used to manufacture the high performance cements. To better understand the action mode of plasticizing molecules, we used a model system which consists of calcium carbonate particles suspensions: in one hand, commercial microparticles suspension, and in the other hand, self synthesized nanoparticles suspensions. The study focuses on the use of five organic plasticizers: four types of polymethacrylates grafted polyoxyethylene (PCP) with different lengths of grafts, and a diphosphonate polyoxyethylene (OPTIMA100).Characterization of the plasticizers relevant parameters such as their complextation with the ions, their ionization degree, their size, their affinity with the solvent and their adsorption ability on the particles surfaces was performed. Significant differences in the effectiveness of these thinners regarding to the rheology and sedimentation of the two types of suspension were identified. These discrepancies in the behavior were interpreted by means of; the characterization performed on the thinners, and modeling of interparticle forces.

La situation énergétique actuelle impose le développement de technologies qui utilisent des énergies renouvelables pour limiter la dépendance aux ressources fossiles et diminuer l’impact de l’activité humaine sur le changement climatique. Parmi ces technologies, le solaire thermodynamique utilise l’énergie solaire pour chauffer un absorbeur, l’énergie de cet absorbeur étant alors convertie en électricité à travers un cycle thermodynamique classique. L’amélioration des performances de cette technologie passe par la conception d’absorbeurs capables de fonctionner efficacement à haute température. Dans ce travail de thèse, nous explorons deux voies différentes dans ce but.La première est basée sur la conception de structures multicouches optimisées par algorithme génétique. Nous montrons que ces structures permettent d’obtenir un rendement supérieur à 80 %, valeur très proche des limites fondamentales, démontrant ainsi leur fort potentiel pour le solaire thermodynamique.La seconde voie est basée sur l’optimisation des interactions électromagnétiques dans des structures plasmoniques à base de nanoparticules métalliques. Ces structures sont le siège d’effets coopératifs qui peuvent exalter très fortement les pertes dans la structure. Ces mécanismes sont mis à profit pour concevoir des absorbeurs à base de réseaux binaires de nanoparticules d’or et d’argent dispersées dans une matrice transparente. / The current energy situation requires the development of technologies that use renewable energy sources to reduce the dependence on fossil fuels and the impact of human activity on climate change. Among these technologies, thermodynamic solar power uses solar energy to heat an absorber, whose heat is then converted into electricity through a classical thermodynamic cycle. The improvement of the performances of this technology requires the design of absorbers able to operate strongly at high temperature. In this thesis, we explore two different ways for this purpose.The first is based on the design of multilayer structures optimized by a genetic algorithm.We will see that these structures lead to an efficiency higher than 80 %, very close to the fundamental limits, demonstrating so their strong potential for thermodynamic solar technology. The second way is based on the optimization of electromagnetic interactions inside plasmonic nanostructures composed of metal nanoparticles. These structures are the site of cooperative effects between nanoparticles that can exalt strongly losses inside the structure. These mechanisms are exploited to design absorbers based on binary networks made with nanoparticles of gold and silver dispersed in a transparent matrix.

Lorsqu'une suspension colloïdale concentrée est soumise à une contrainte sa réponse dynamique peut être extrêmement non-linéaire. Nous présentons dans cette thèse une étude expérimentale de deux suspensions concentrées, auxquelles nous appliquons deux contraintes d'origines différentes : - une contrainte mécanique : on force la suspension concentrée à s'écouler, - une contrainte d'origine chimique : les interactions entre particules sont progressivement rendues attractives. Dans les deux cas, nous avons observé les mouvements des particules par diffusion multiple de la lumière multispeckle. Nous présentons aussi un nouveau traitement statistique des moments observés, adapté à la caractérisation des dynamiques intermittentes qui apparaissent. Une reformulation théorique de la diffusion dynamique multispeckle est de plus proposée au premier chapitre. La deuxième portion du manuscrit est consacrée à la construction du confocal rapide permettant l'observation directe des systèmes colloïdaux même à de très hautes concentrations, observation jusqu'à des fréquences supérieures à 20 images par seconde.

Les surfaces optiques segmentées et discontinues sont connues depuis l'Antiquité. Elles ont fait l'objet de nombreuses applications, dont la première rapportée est celle des “miroirs ardents” d'Archimède conçus pour concentrer l'énergie solaire sur les voiles des vaisseaux ennemis, et ainsi y mettre feu. Cette idée toujours brûlante a présidé à la construction des fours solaires actuels destinés à tester la résistance de matériaux placés dans des conditions extrêmes, ou de centrales hélio-électriques dédiées à la production d'électricité domestique. Bien que les précisions de surface requises pour ces installations soient de l'ordre de quelques millimètres, leurs méthodes de conception, de réglage et de contrôle n'en font pas moins appel aux techniques de l'optique instrumentale moderne: ainsi le principe de la “méthode de rétro-visée” testée au cours de mon doctorat à l'IMP d'Odeillo s'apparente naturellement à ceux des senseurs de surface d'onde équipant aujourd'hui les systèmes d'optique adaptative nécessaires aux observations astrophysiques. Mais les surfaces optiques discontinues ne servent pas qu'à concentrer l'énergie lumineuse. Les expériences historiques de Fizeau et Michelson ont démontré leur capacité à mesurer des paramètres astrophysiques à très haute résolution angulaire, et ouvert la voie à une nouvelle génération d'instruments d'observation astronomique: interféromètres stellaires dont les ouvertures multiples peuvent être séparées par plusieurs centaines de mètres (tel le VLTI), télescopes géants équipés de miroirs primaires segmentés (les Keck au sol ou le JWST dans l'espace), ou de futuristes hyper-télescopes spatiaux en quête d'images directes de systèmes planétaires extra-solaires. De telles installations, dont les cahiers des charges deviennent toujours plus ambitieux, doivent être cophasés au dixième de longueur d'onde, voire au millième dans le cas d'un interféromètre à frange noire. Il devient alors nécessaire de développer de nouveaux moyens de modélisation et de contrôle de ces systèmes complexes, dont quelques-uns sont présentés ici dans le cadre des futurs télescopes de diamètre supérieur à 30 mètres (ELT) et des interféromètres chasseurs d'exo-planètes tels que Darwin et TPF-I. Les surfaces optiques discontinues sont également présentes dans le domaine de la spectroscopie: outre les classiques réseaux de diffraction, on les retrouve au cœur des spectro-imageurs de nouvelle génération, capables de former simultanément sur un même détecteur l'image d'un objet astrophysique et sa décomposition spectrale en tous points. Ainsi l'instrument MUSE, équipé de systèmes découpeurs d'images composés de matrices de miroirs discontinus, permettra-t-il au VLT d'observer les galaxies primordiales dans un avenir proche. Au vu de tant d'applications, il ressort clairement que les techniques de réalisation et de contrôle des surfaces optiques segmentées ou discontinues constitueront la clé de la science astrophysique du siècle à venir. Une longue route reste à accomplir, dont le banc de test SIRIUS développé à l'Observatoire de la Côte d'Azur afin d'évaluer les performances des hyper-télescopes, des interféromètres à frange noire, et de leurs méthodes de cophasage, pourrait constituer une étape décisive.

Les collecteurs des centrales solaires thermodynamiques sont l’un des postes d’investissement principaux et présentent des performances pouvant encore être améliorées. Face à ce constat, ces travaux de thèse explorent les multiples voies d’amélioration de l’efficacité du champ solaire et si possible de réduction du coût des trois types de surface le constituant : réflecteurs, vitres antireflet, absorbeurs sélectifs. Pour cela, nous avons développé un programme de simulation et d’optimisation (algorithme stochastique) permettant d’étudier et de maximiser les performances solaires des couches minces optiques assurant les trois fonctions des collecteurs solaires. Nous avons ainsi identifié des solutions à la fois de très haute performance, économes en matériaux rares et intégrant les questions de durabilité. Afin de tirer le plein potentiel des solutions identifiées, nous avons en particulier conduit des modélisations multicritères poussées, en étudiant l’impact de la géométrie du collecteur, des conditions atmosphériques spécifiques du lieu d’installation et des problématiques liées au choix des matériaux et à la fabrication des surfaces (rugosité, incertitudes d’épaisseur et de composition). / Solar thermal power plants use large and expensive solar fields to collect solar energy, the performance of which can still be improved. Faced with this situation, this thesis explores multiple pathways to improve performance and if possible reduce cost of the three types of surfaces encountered in solar collectors: reflectors, antireflective windows, selective absorbers. For this purpose, we have developed a simulation and optimization (stochastic algorithm) program, to study and maximize solar performance of the thin films ensuring the three functions of solar collectors. We have identified several solutions which combine high performance, scarce use of rare materials and durability. To reach the full potential of all identified solutions, we have conducted advance multi- criteria analysis, by studying the impact of collector geometry, local atmosphericconditions and problematics related to material selection and surface fabrication (roughness, thickness and composition errors).

Au cours de la dernière décennie, l'utilisation croissante de nombreuses nouvelles technologies comme des systèmes de livraison contrôlée a incité un développement empirique coûteux de systèmes nouveaux et efficaces. Pour faciliter une conception plus raisonnable et une optimisation, faisant face à l'ensemble de possibilités existantes, n'importe quelle solution qui pourrait semi-automatiser le développement de produits apporteraient l'aide précieuse aux utilisateurs (des scientifiques de formulation et des éducateurs). Ceci faciliterait l'importance essentielle de choisir les matériels justes pour l'application correcte. Dans cette thèse, un projet à long terme concernant une génie inverse est proposé, commençant d'une propriété d'utilisation finale (libération contrôlée), la cible mondiale est de développer une méthodologie de conception de produit qui nous permet de déterminer les caractéristiques optimales d'une formulation à préparer: les phases, la composition, le type d'interface, la taille et la distribution d'objets actuels, l'équilibre de phase, la diffusion dans des phases et le caractère évolutionnaire du matériel. Dans la considération d'un exemple de commodité de système structuré et dispersé: des émulsions fortement concentrées, le problème de design a été décomposé dans un ordre hiérachique de sous-problèmes ou des boîtes, combinant les modèles constitutifs qui évaluent le transport de masse de principe actif comme une fonction de paramètres de formulation et des techniques assistées par ordinateur comme la modélisation moléculaire pour le volume/surface de molécules, ou des modèles d'UNIFAC pour des prédictions d'équilibre aussi bien que pour des évaluations de viscosités de mélange. Un ultérieur design de factoriel d'expériences virtuelles a permis d'obtenir une description quantitative de la sortie selon les paramètres modèles et une analyse composante principale a évalué l'importance des variables. En utilisant une cartographie basée sur trois tensio-actifs (pour SPAN 80, PGPR et BRIJ 93), quatre huiles (dodecane, hexadecane, isopropyl myristate et isopropyl palmitate) et l'acide mandelic comme le principe actif, le modèle ab initio physicochimique a été expérimentalement validé. Les résultats montrent que le modèle mécaniste systématiquement prévoit la diffusion du principe actif d'émulsions à un moyen récepteur dans des parfaites 'sink' conditions. Cette approche de génie inverse a montré pour être d'intérêt très élevé dans le domaine de formulation en permettant des études préliminaires examinantes rapides et robustes sur une large gamme de composants aussi bien que des outils de prédiction précis et rigoureux optimiser la sortie contrôlée d'un système identifié. Il est souhaitable de mettre en œuvre ces extensions à d'autre systèmes semblables / In the past decade, the growing use of numerous novel technologies as controlled-delivery systems has prompted a costly trial-and-error development of new and effective systems. In order to facilitate a more rational design and optimization, facing the set of existing possibilities, any solution that could semiautomate the product development would bring precious help to the users (formulation scientists and educators). This would facilitate the essential importance of choosing the right materials for the correct application. In this thesis, a long-term project concerning a reverse engineering is proposed, starting from a final usage property (controlled release), the global target is to develop a product design methodology which allows us to determine the optimal features of a formulation to prepare: phases in presence, composition, interface type, size and distribution of current objects, phase equilibrium, diffusion within phases and evolutionary character of the material. Considering a convenience example of structured-dispersed system: highly concentrated emulsions, the design problem has been decomposed into a hierarchical sequence of subproblems or boxes, combining constitutive models that estimate the active ingredient mass transport as a function of formulation parameters and computer-aided techniques such as molecular modeling for volume/area of molecules, or UNIFAC models for equilibria predictions as well as for mixture viscosities estimations. A subsequent full factorial design of virtual experiments has allowed to obtain a quantitative description of the release depending on the model parameters, and a principal component analysis has assessed the importance of the variables. Using a cartography focused on three surfactants (SPAN 80, PGPR and BRIJ 93), four oils (dodecane, hexadecane, isopropyl myristate and isopropyl palmitate) and mandelic acid as an active ingredient, the ab-initio physicochemical model has been experimentally validated. Results show that the mechanistic model consistently predicts the diffusion of the active ingredient from emulsions to a release medium in perfect sink conditions. This reverse engineering approach is showing to be of very high interest in the domain of formulation by allowing fast and robust screening preliminary studies on a broad range of components as well as precise and rigorous prediction tools to optimize controlled release from an identified system. It is fully recommended to implement its extensions to other similar disperse systems