.

La microfluidique, domaine de recherche qui a émergé il y a juste 20 ans, a permis de réduire les dimensions des dispositifs d’analyse biologique ouvrant la porte au concept de « laboratoire-sur-puce » (lab-on-chip). Les succès de cette approche sont déjà nombreux, depuis l’analyse du génome en passant par la réduction du coût des analyses médicales. L’utilisation de gouttes comme enceinte réactionnelle au sein de ces dispositifs est une évolution récente qui permet de réduire encore le volume des échantillons biologiques et d’augmenter la vitesse d’analyse en parallélisant les mesures.Notre équipe développe des capteurs acoustiques dédiés à la détection d’analytes biologiques en milieu liquide. Ce type de capteur a pour principal défaut de ne permettre qu’une mesure contraignant au remplacement de l’interface de biodétection pour une réutilisation éventuelle du capteur. Dès lors, ils utilisent majoritairement une chambre de détection tout ou partie jetable, même si quelques travaux de recherche ont pu montrer la régénération d’un capteur par traitement chimique.Nous proposons ici de s’affranchir des étapes lourdes de remplacement ou de traitement de l’interface de détection qui conduisent entre chaque mesure au démontage du dispositif de détection. Nous employons dans ce cas les gouttes non plus comme enceinte réactionnelle mais comme interface de détection mobile. Elles ont ainsi le potentiel d’être générées et fonctionnalisées directement dans le dispositif pour détecter un analyte spécifique et peuvent être simplement évacuées afin de régénérer l’interface pour effectuer une mesure différente.Les travaux présentés dans cette thèse visent plus particulièrement la capture sur gouttes fonctionnalisées dans ce type de capteur innovant. Ils exposent le développement, incluant la fabrication et la caractérisation, de ces dispositifs microfluidiques ainsi que le montage d’un banc de test expérimental dédié. Ce sujet est suivi de deux projets ancillaires de développement de dispositifs microfluidiques liés aux capteurs acoustiques et à l’utilisation de gouttes. Le premier vise à homogénéiser les vitesses d’écoulements dans une chambre réactionnelle. Le second exploite les propriétés de génération de gouttes pour réaliser un condensateur à capacité variable. / Since two decades the research on microfluidics systems allowed creating devices for biological detection with regular improvement in compactness, functionality integration and quantity of biological sample, leading to the concept of lab-on-chip. This approach has resulted in dramatic changes in the biomedical field, for example, opening the possibility to perform genomic analysis or improving the medical analysis cost. Using droplet as reaction chamber is a recent evolution that leads to a decrease in biological sample volume and an increase in analysis speed by multiplexing.Our team develops acoustical sensors dedicated to detect biomarker of interest in liquids. The principal weakness of theses sensors lies in their need for replacement of the biodetection interface for performing a new measurement. Accordingly, they use a detection chamber partially or totally disposable. However, few research works showed reusability of sensor by regenerating the bioreceptor layer on the detection interface by chemical treatment.We are proposing to avoid the replacement or the chemical treatment of the detection interface that requires dismounting the device between measurements. We are using here droplets, not as reaction chambers but as movable detection interface. They can be generated and configured directly inside the device to detect a specific biomarker. Then, droplets can be easily evacuated and replaced through the device, which allows to chain measurement of various configurations without dismounting it.The research work conducted in this thesis focuses on the fluidic aspects of this innovative sensor. They show development, including realization and characterization, of theses microfluidic devices and its dedicated characterization setup. This project is followed by two ancillary works about development of microfluidic devices for acoustical sensors and droplets systems. The first one is aiming at the homogenization of the flow velocity inside a reaction chamber. The second one is exploiting property of droplet generation for the realization of a variable capacitance capacitor.

Le confinement de la matière condensée dans un milieu nanoporeux peut induire à l'échelle nanométrique des changements structurels ou dynamiques drastiques qui conduisent finalement aux propriétés originales. Le confinement des polyélectrolytes, qui sont des polymères porteurs d'une charge électrique, présente un intérêt particulier. Dans ce projet, des membranes d'alumine nanoporeuse auto-ordonnée (nPAAMs), dont les paramètres structuraux sont réglés par la synthèse, ont été choisies comme milieu de confinement et des approches expérimentales ont été proposées pour étudier le confinement d'un polyélectrolyte fort (PE), polystyrène-sulfonate de sodium. Une partie importante de ce travail a été consacrée à la caractérisation des charges structurales et superficielles des nPAAMs. La structure et la composition du nPAAM sont caractérisées par la combinaison de la microscopie électronique à balayage et de la diffusion neutronique à petit angle (SANS). Une stratégie détaillée est proposée pour mesurer les nPAAM dans des conditions optimales en raison de leur forme anisotrope et de leur pouvoir de diffusion élevé ainsi que des informations sur leur composition chimique. La charge superficielle de la membrane a été déterminée par des mesures de potentiel d’écoulement. La charge de la paroi du pore peut être ajustée à une charge positive ou négative et l'étendue des interactions électrostatiques peut être ajustée, ce qui permet d'adapter le milieu aux études de confinement électrostatique. Le comportement de perméation et l'adsorption du polyélectrolyte à l'intérieur des pores sont étudiés par SANS en combinaison avec des mesures de perméabilité. La cinétique de l'adsorption est obtenue par le potentiel d’écoulement et la possibilité d'utiliser la réflectivité neutronique pour ces études est proposée. Ce travail fournit des approches expérimentales sur la caractérisation de l'PE en milieu confiné. / The confinement of condensed matter in nanoporous medium can induce at the nanoscale drastic structural or dynamical changes that ultimately lead to original properties. Of a specific interest is the confinement of polyelectrolytes that are polymers carrying an electrical charge. In this project, self-ordered nanoporous alumina membranes (nPAAMs), whose structural parameters are tuned through the synthesis, have been chosen as a confining medium and experimental approaches have been proposed to study the confinement of a strong polyelectrolyte (PE), sodium polystyrene-sulfonate . An important part of this work has been devoted to the structural and surface charge characterization of nPAAMs. The nPAAM’s structure and composition are characterized by combining scanning electron microscopy and small angle neutron scattering (SANS). A detail strategy is proposed for measuring the nPAAMs under optimal conditions due to their anisotropic shape and high scattering power and information on their chemical composition. The membrane’s surface charge has been determined by streaming potential measurements. The pore’s wall charge can be adjusted to positive or negative charge and the extent of the electrostatic interactions can be tuned, tailoring the medium for electrostatic confinement studies. The permeation behavior and the adsorption of the polyelectrolyte inside the pores is studied by SANS combined with flow measurements. The kinetics of the adsorption is accessed by streaming potential and the possibility to use of neutron reflectivity for such studies is proposed. This work provides experimental approaches insight into the characterization of PE under confinement.

La compréhension des mécanismes d'écoulements des avalanches de débris volcaniques est essentielle pour l'évaluation des risques volcaniques. L'étude de la séquence épiclastique de Perrier (France) illustre la difficulté de distinguer les dépôts d'avalanches de débris (DADs) de leurs produits dérivés. L'étude des DADs du Chimborazo (Équateur) et du Ticsani (Pérou) met en évidence la magnitude de ces évènements et permet de reconstruire les conditions ayant entraîné leur déstabilisation. L'analyse sédimentologique de plusieurs DADs suggère que les avalanches de débris s'écoulent comme un « plug » divisé en domaines sur une semelle lubrifiée. La présence de confinement se traduit par la transition entre un régime de déformation extensif et compressif dans l'écoulement. L'intense cisaillement à sa base permet l'incorporation de substratum par abrasion et probablement par fluidisation. Un modèle statistique, basé sur les données de la littérature, permet l'estimation rapide de cet aléa.

Ce mémoire de thèse porte sur le contrôle électromagnétique d'écoulement turbulent pariétal. <br /><br />Ce dernier a des applications navales prometteuses, comme la prévention de séparation d'écoulement et la réduction de traînée.<br /><br />Il porte principalement sur des simulations numériques directes de configuration de forçage dans une géométrie très académiques de canal plan.<br /><br />Des électrodes affleurant la paroi et des aimants placés sous la paroi composent les actionneurs électromagnétiques qui peuvent générer des forces de Lorentz.<br /><br />Il en résulte qu'un champ de forces volumiques locales agit directement au sein de la couche limite d'eau de mer.<br /><br />Une des originalités de cette étude vient du calcul des forces électromagnétiques à partir de la géométrie des électrodes et des aimants par une méthode analytique basée sur la conservation des flux magnétique et électrique.<br /><br />La présente étude se focalise principalement sur l'actionneur électromagnétique parallèle où les aimants et les électrodes sont parallèles entre eux.<br /><br />Cet actionneur, qui génère une force quasi-unidirectionnelle, peut aussi bien être aligné dans la direction transverse que longitudinale d'un écoulement turbulent en canal.<br /><br />L'objectif de ces travaux de recherche est la diminution de la puissance nécessaire à un contrôle actif pour réduire la traînée. <br /><br />Une grande diversité de simulations numériques directes a été réalisée dans le but d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes mis en oeuvre dans la réduction de traînée générée aussi bien par des forçages électromagnétiques transverses oscillants que longitudinaux propulsifs.

L'actionneur « plasma » consiste en une décharge électrique établie dans l'air à pression atmosphérique à la surface d'un isolant. L'apport de quantité de mouvement induit par ces plasmas froids de surface, dû à la migration des ions soumis à la force de Coulomb et appelé "vent ionique", est utilisé ici pour modifier l'état collé ou décollé d'un écoulement. <br />Le travail réalisé est divisé en deux parties. <br />L'objectif de la première partie est de développer l'actionneur afin d'obtenir une décharge stable et homogène à travers deux exemples : la décharge couronne et la décharge à barrière diélectrique (DBD). La décharge couronne est obtenue en appliquant une haute tension, AC ou DC, entre deux fils placés à l'intérieur de rainures dans l'isolant. Le champ électrique moyen est de 8 kV/cm, pour un courant moyen de 1,5 mA/m pour une puissance électrique moyenne de 75 W/cm2. La DBD est obtenue en appliquant une haute tension alternative (plusieurs kV avec une fréquence allant de 100 à quelque kHz) entre deux électrodes placées de part et d'autre de l'isolant. Les mesures de vent ionique ont montré pour ces deux décharges une vitesse de 3 m/s environ à 1 mm au-dessus de la paroi.<br />Dans une seconde partie nous avons testé les performances de l'actionneur pour le contrôle d'écoulements. Des essais préliminaires à faible vitesse (< 2 m/s) ont montré la possibilité de recoller un écoulement et de contrôler les structures crées en aval à l'aide d'une décharge pulsée. A plus haute vitesse (´ 30 m/s), nous avons contrôlé l'état collé ou décollé d'un écoulement dans le cas d'une couche de mélange plane et d'un jet à section rectangulaire. Nous avons alors observés des modifications sur les propriétés du développement aval de l'écoulement, comme par exemple l'épaisseur de couche de mélange ou de vectorisation du jet. Par ailleurs, ces derniers travaux semblent indiquer que l'actionneur est plus efficace pour le décollement que le recollement et lorsque l'actionneur utilisé est la DBD.

Les technologies à membranes sont en plein développement ; toutefois, les problèmes de colmatage limitent cette expansion. Les acides humiques présents dans les eaux naturelles induisent des chutes de production des membranes et sont à l'origine de fortes diminutions des durées de vie des matériaux filtrants. L'objectif principal de ce travail a été de développer une approche originale du colmatage de membranes basses pression d'ultrafiltration (UF). L'originalité de ce travail est de proposer plusieurs outils d'autopsie de membranes à deux échelles, l'une macroscopique (par des mesures de perméabilité hydraulique, dont sont déduites les résistances de colmatage et l'indice de colmatage MFI-UF) et l'autre microscopique (par la détermination de la dimension fractale des particules d'acides humiques et leurs agrégats déposés à la surface de la membrane). En utilisant une combinaison de ces outils macroscopiques, microscopiques et in situ, nous avons développé une nouvelle méthodologie pour l'analyse d'un gâteau d'acides humiques sur une membrane et ainsi permis d'évaluer plus finement que jusqu'ici la nature, les mécanismes, et les conséquences du colmatage de membranes basses pression. Cette méthode a été appliquée aux fibres creuses (vierge et colmaté par l'eau de surface naturelle), combinées avec l'autopsie de membrane. De plus, un nouvel appareillage semi-automatique de la mesure du potentiel d'écoulement, mise au point par nos soins, a permis de réaliser des investigations à l'intérieur de la structure de la membrane afin d'y déceler le cas échéant la présence de matière organiques naturelles (MON). La dernière partie est consacrée à une étude du prétraitement d'une solution d'acides humiques en présence de.bentonite modifiée (dénommée mont-Al-CTAB) afin de tenter de limiter le colmatage par les MON. La méthode de prétraitement employant la bentonite s'est avérée efficace en réduisant la résistance totale du gâteau d'acides humiques, en particulier en provoquant la diminution de la dimension fractale du gâteau formé en présence de bentonite.

Ce travail porte sur la production de son par interaction entre un écoulement et un résonateur : le couplage est affuté de manière importante par le détail géométrique de la lumière comme en témoigne la facture de la flûte à bec, dans laquelle des chanfreins sont taillés à la sortie du canal. Ce point de facture est considéré comme étant crucial, tant pour le timbre et la stabilité de l'instrument que pour le confort de jeu de l'instrumentiste. Des visualisations de naissances de jets à la caméra rapide complétées par des simulations numériques révèlent que la géométrie de la sortie du canal a une influence sur le comportement du jet faible par rapport au nombre de Reynolds de l'écoulement, et indiquent que le rôle joué par les chanfreins se situe dans l'interaction entre le jet et le champ acoustique issu du résonateur de l'instrument. Un modèle analytique simple de réceptivité d'un jet soumis à une perturbation transverse est développé, tenant compte de la géométrie de la lumière. Ce modèle est étudié dans le cas d'un oscillateur simple. Le comportement d'un instrument dont la géométrie du système excitateur peut être changée est étudié à la bouche artificielle, et l'adaptation du contrôle exercé par un instrumentiste est considérée. Enfin, l'étude d'une famille de flûtes révèle que le facteur adapte la géométrie de l'excitateur dans chaque instrument dans deux buts : d'une part le spectre des notes des flûtes les plus graves est enrichi. D'autre part, les pressions de jeu sont du même ordre de grandeur pour tous les instruments.

Cette thèse a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes qui gouvernent le bon fonctionnement et les performances des procédés de dépollution à biomasse fixée et d'en développer leur modélisation. Ces procédés pourraient voir leur efficacité intensifiée si les couplages entre les divers mécanismes locaux qui les gouvernent étaient mieux compris. L'interaction forte écoulement / biofilm dans ces procédés rend très difficile leur modélisation sans des progrès drastiques dans la compréhension de phénomènes intervenant à diverses échelles (biofilm, pore, bioréacteur). En conséquence, un des premiers verrous à lever est d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes locaux responsables de l'adhésion, du détachement et de la croissance de micro-organismes sous écoulement. Dans ce but une chambre d'écoulement a été mise au point pour permettre l'observation microscopique et la caractérisation in-situ de ces phénomènes sous conditions hydrodynamiques contrôlées. Le système étudié est une bactérie de Pseudomonas putida et le polluant modèle est du phénol. En conditions non limitantes, nous montrons que les paramètres de la loi de Monod, pour les instants initiaux de croissance du biofilm et les conditions hydrodynamiques en régime très diffusif, sont dépendants du cisaillement imposé, ce qui n'est pas pris en compte dans la plupart des modèles. Des expériences mettant en œuvre l'observation de la croissance du biofilm sous écoulement (à bas Reynolds) ont ensuite permis de montrer la nature hétérogène de la structure du biofilm (structures filamenteuses, distribution de protubérances sur le support solide). Ces structures pourraient entre autre expliquer comment la croissance du biofilm influence le frottement. Pour étudier l'influence de la microstructure sur cette quantité, une technique de reconstruction 3D du biofilm a été développée et mise en œuvre en complément de la microscopie optique directe. La simulation de l'écoulement dans la microstructure ainsi reconstituée et l'ordre de grandeur des perméabilités calculées montrent bien l'importance de la distribution locale de la biomasse sur ce paramètre.

Dans un contexte de croissance du trafic aérien et dans le but de réduire la consommation de carburant ainsi que les émissions de polluants dans l'atmosphère, l'avion de demain se doit d'être plus respectueux de l'environnement. Dans un objectif d'optimisation de ses performances aérodynamiques,d'importantes activités de recherche sont menées dans le monde pour étudier de nouveaux dispositifs de contrôle actif des écoulements en temps réel. Depuis une dizaine d'années, l'utilisation de la décharge à barrière diélectrique surfacique comme actionneur plasma pour le contrôle d'écoulements suscite un intérêt grandissant. Ce type d'actionneur permet de créer un plasma non-thermique capable de générer un écoulement basse vitesse, appelé vent ionique, qui interagit avec l'écoulement naturel en proche paroi pour l'amener dans un état souhaité. Les études expérimentales présentées dans cette thèse portent, d'une part, sur la caractérisation de l'actionneur plasma sous atmosphère contrôlée pour étudier le rôle de l'azote et de l'oxygène sur le comportement de la décharge et d'autre part, sur l'évaluation des potentialités de cet actionneur à contrôler le décollement massif naissant au bord d'attaque d'un profil d'aile placé à forte incidence. Les résultats mettent en évidence l'importance du rôle joué par O2 dans l'amorçage des filaments de plasma et dans la production de vent ionique. Le taux de production d'ozone de l'actionneur plasma a été quantifié en fonction de la puissance électrique. Les essais en soufflerie, réalisés dans le cadre du projet européen PLASMAERO, montrent l'effet de la fréquence de pulsation du signal d'alimentation haute tension sur la réponse de l'écoulement décollé et des ses instabilités naturelles. Il est ainsi possible, pour le profil placé à des incidences au-delà de l'incidence de décrochage naturel, d'augmenter la portance du profil en supprimant le décollement ou en favorisant la formation de tourbillons portants à l'extrados du profil.