Cette thèse étudie quelques situations dans lesquelles un système actif, composé de particules auto-propulsées, est soumis à des contraintes extérieures. Dans un premier chapitre, nous étudions le comportement d'une assemblée de bactéries magnétotactiques —capables de s'aligner sur un champ magnétique extérieur— forcées au travers d'une constriction en forme de sablier. Nous caractérisons les propriétés dynamiques de ce système, à l'échelle individuelle mais également à celle de l'embouteillage formé et du jet émergeant. En particulier, nous montrons dans les zones concentrées en bactéries des couplages reliant densité en bactéries, vitesse de nage et forçage magnétique beaucoup plus complexes que ce qui avait été considéré jusqu'à maintenant dans les modèles théoriques.Le deuxième chapitre aborde un nouveau système actif constitué de disques de camphres posés à la surface de l'eau. Dans une première étape, nous avons étudié en détails les propriétés de nage individuelle de ces objets qui brisent spontanément la symétrie du système pour se mettre en mouvement. En particulier, nous montrons que les données recueillies peuvent être rationnalisées à l'aide d'une approche théorique très simple de ce problème couplé d'hydrodynamique et de transport de tensio-actif. Dans un troisième chapitre, nous avons abordé la dynamique d'une assemblée de ces nageurs interfaciaux interagissant via les champs hydrodynamiques et chimiques qu'ils génèrent. À concentration intermédiaire en nageurs, un régime de nage intermittente caractérisé par des bouffées pseudo-périodiques d'activité des nageurs apparaît. En utilisant des outils et concepts issus du domaine de la turbulence nous montrons que de façon remarquable, ce système très simple exhibe des comportements canoniques de la turbulence tels que prédits par Kolmogorov (1941), ouvrant ainsi des perspectives concrètes sur des analogies très riches entre turbulence et systèmes actifs / This work address different situations where active matter, made out of self-propelled particles, is submitted to external constraints.In a first part, we consider the response of magnetotactic bacteria –capable of swim alignment along magnetic field lines- directed through an hourglass shape geometry. We characterize the dynamic properties of the system, both at the individual bacteria scale and at the scale of the jammed region or of the induced outgoing jet. We show that in high density regions, couplings between the bacteria interactions, swim velocity and magnetic forcing take a much more complex form than had been considered so far in theoretical models.In a second chapter, we are addressing a new active system made out of camphor disks lying at the air-water interface. First of all, we study in details the individual swim properties of such particles, which spontaneously break the system symmetry to start moving. In particular, we show that all experimental data can be rationalized within the framework of a very simple model of this complex problem where hydrodynamic flows and surfactant transports are coupled through Marangoni stress.In a last chapter, we addressed the collective dynamics of an assembly of such interfacial swimmers that interact through the flow and chemical fields they generate. At intermediate swimmers concentrations, an intermittent swim regime appears characterized by pseudo-periodic activity bursts. Using tools and concepts from the turbulence domain, we show that, remarkably, this simple system exhibits dynamical properties matching the ones of canonical turbulence as predicted by Kolmogorov in the 40s. This demonstration opens up rich perspectives in the historical domain of turbulence together with in the emerging one of active matter

Nous présentons au cours de ce manuscrit diverses expériences de dépôt de tensioactifs solubles dans l'eau à l'interface entre deux fluides. Après quelques développements théoriques, nous étudions l'étalement de tensioactifs solubles déposés à une interface eau/air. Nous présentons au cours de cette partie deux configurations expérimentales dans lesquelles ces molécules exhibent une vitesse caractéristique d'écoulement induit ainsi qu'une distance finie d'étalement dépendant de la CMC du surfactant utilisé, qui se traduit par l'apparition d'une tache centimétrique à la surface de l'eau. Nous mettons alors au point un protocole de mesure simple et rapide de CMC utilisant notre dispositif expérimental. À cet étalement s'ajoutent une déformation verticale de l'interface, la mise en place d'une double recirculation toroïdale, ainsi qu'une instabilité hydrodynamique de surface tout autour de la tache. La deuxième expérience porte sur l'étalement de tensioactifs solubles à une interface eau/huile. Dans cette expérience, les déformations verticales induites par l'étalement peuvent devenir très importantes, si bien que sous certaines conditions cette déformation crée un trou dans la couche d'huile. Nous nous penchons donc sur l'étude de ces déformations verticales, ainsi que sur les caractéristiques de ce cratère. Enfin, la dernière partie traite du dépôt d'une goutte de Triton X-100 à la surface de l'eau. Ce tensioactif possède la propriété de gélifier lorsqu'il est hydraté, ce qui lui permet de flotter. On observe alors un phénomène d'auto-propulsion de la goutte. Nous nous intéressons plus particulièrement à la structure microscopique de cette phase gel, ainsi qu'aux trajectoires erratiques empruntées par la goutte. / We report experiments about the deposition of water soluble surfactants at the interface between two fluids. After some theoretical developments, we study the spreading of water soluble amphiphiles at the water/air interface. In this part, we present two experimental setups where these molecules show a typical induced flow velocity, and a finite spreading distance, depending on the CMC of surfactant we use, which results in the apparition of a coronna on the surface of the liquid. We then set up a fast and simple CMC measurement protocole using our experimental setup. This spreading induces also a vertical deformation of the interface, a double toroidal recirculation in the bulk, and a beatiful hydrodynamic surface instability all around the coronna. The second experiment is about the spreading of amphiphiles at the interface between oil and water. In this experiment, the vertical deformations induced by the spreading can become so important that under certain circumstances, we manage to create a hole in the oil layer. We focus on the study of these vertical deformations and on the caracteristics of this hole. Finally, the last experiment is about the deposition of a Triton X-100 drop at the water/air interface. This molecule has the ability to gelify when it gets hydrated, allowing him to float. Then we can observe the self propulsion of the droplet. We focus on the microscopic structure of this gel phase, and also on the erratic trajectories followed by the drop.

Grâce à la qualité des cordons de soudure produits, le soudage TIG est l’un des procédés de soudage à l’arc les plus répandus dans l’industrie nucléaire. Au cours des travaux de cette thèse, nous proposons un modèle physique pour la simulation numérique du bain de fusion en soudage TIG d’aciers inoxydables austénitiques avec des teneurs en éléments tensioactifs différentes. L’objectif du modèle développé est de prédire la morphologie et les dimensions du cordon de soudure ainsi que les contraintes thermiques résultantes dans les pièces soudées en fonction des paramètres opératoires du procédé mais aussi en fonction des teneurs en éléments tensioactifs des métaux assemblés. Pour ce faire, les équations de la thermohydraulique sont couplées à celles de l’électromagnétisme et sont résolues en se basant sur le module « électrique » de Code_Saturne. Ce modèle a été vérifié dans un premier temps sur des configurations de soudage de matériaux homogènes avant d’être confronté à la simulation du soudage de matériaux de teneurs en éléments tensioactifs différentes. Des simulations des essais expérimentaux correspondants ont été réalisées et comparées aux mesures. La démarche adoptée a consisté à étudier les effets thermo-capillaires de manière découplée des effets électromagnétiques à partir d’essais de soudage laser en mode conduction. Les résultats de la confrontation des résultats numériques aux mesures expérimentaux démontrent que le modèle reproduit globalement bien la physique du procédé. Les limitations de notre modèle et les phénomènes qu’elle a permis de mettre en évidence ont été discutés et ont permis de proposer des pistes d’amélioration pour la modélisation. / The high quality of the weld bead makes GTA welding one of the most used welding processes in the nuclear industry. During this work, a physical model is proposed to simulate the weld pool during the GTA welding of stainless steels with different concentrations of surface active elements. This model aims to predict the weld bead shape, its geometrical characteristics and the thermal field induced by the process according to the operating parameters but also as a function of the surface active elements concentrations of welded metals.Based on the “electric” module of Code_Saturne®, the set of solved equations includes both fluid dynamics equations and electromagnetic ones. Before applying the model to the simulation of welding of stainless steels with different concentrations of surface active elements, this model has been studied through configurations of homogenous materials welding. Experiments are carried out and are compared to the corresponding simulations. In the approach used in this study, the thermo-capillary effects are studied separately from electromagnetic ones using conduction mode laser beam welding. The agreement obtained from comparative analysis between experimental results and numerical ones shows good reproduction of the process physics by the model developed. The modeling limitations and the phenomena identified by this study are discussed and orientations for future development are defined.

L’évaporation de gouttes de liquides contenant des particules non volatiles représente un phénomène largement présent dans la vie quotidienne, à l’image des traces laissées par le marc de café après séchage. L’étude de la morphologie des dépôts de particules présente un grand intérêt dans les domaines de la biologie et trouve de nombreuses applications dans l’industrie. De ce fait, elle a fait l’objet de nombreuses recherches durant les dernières décennies. Malgré les nombreuses récentes recherches sur les morphologies des dépôts de particules, les mécanismes les contrôlant restent encore non complétement expliqués. Certains facteurs influençant les morphologies des dépôts sont nombreux (température de substrats…) mais restent encore peu documentés dans la littérature. Cette étude expérimentale s’intéresse à l’influence de la température du substrat sur la morphologie des dépôts de nanoparticules après séchage de gouttes sessiles de liquides. L’augmentation de la température du substrat accélère le processus d’évaporation et entraine des morphologies de dépôts très différentes de celles obtenues sur des substrats à température ambiante. Dans cette étude, la microscopie combinée à la thermographie infrarouge et à l’interférométrie ont permis d’expliquer la dynamique de formation de dépôts. De plus, l’étude a permis d’analyser les effets d’autres paramètres sur la morphologie des dépôts, tel que la composition chimique du liquide composant les gouttes. / Evaporation of liquid droplets containing non-volatile solutes is an omnipresent phenomenon in daily life, e.g., coffee stains on solid surfaces. The study of pattern formation of the particles left after the evaporation of a sessile droplet has attracted the attention of many researchers during the past two decades due to the wide range of biological and industrial applications. Despite the significance of controlling the deposition morphology of droplets, the underlying mechanisms involved in pattern formation are not yet fully understood. There is a varied range of factors that affect the final deposition patterns and some, e.g., substrate temperature, are poorly studied in the literature. This experimental study investigates the effect of a wide range of substrate temperatures on the deposition patterns of nanoparticles from drying sessile droplets. Increasing substrate temperature and accelerating the drying process lead to the formation of the patterns not observed on non-heated substrates. This research elucidates the formation mechanisms of these patterns by optical microscopy, infrared thermography, and white light interferometry techniques. Furthermore, the combined effects of substrate temperature and other factors such as chemical composition of base fluid and particle size on the dried patterns are studied. The underlying mechanisms involved in the formation of the patterns influenced by the combined factors are also discussed and presented.

La dynamique des fluctuations thermiques d'un milieu révèle les propriétés de ce milieu, sans qu'il soit nécessaire de le solliciter. Afin d'exploiter ce principe, nous avons mis au point une technique optique destinée à mesurer des fluctuations spontanées de hauteur de surfaces libres, basée sur la mesure de la déflexion d'un laser réfléchi à la surface. Nous montrons que l'on peut ainsi mesurer les fluctuations de surface de milieux très variés, allant des liquides peu visqueux aux solides viscoélastiques. Les propriétés viscoélastiques du milieu sondé peuvent être déterminées à partir du spectre expérimental des fluctuations. On compare les valeurs obtenues avec des mesures rhéométriques conventionnelles, la technique s'avère être un moyen fiable pour caractériser les propriétés rhéologiques dans une gamme de fréquences allant de 0,1 Hz à quelques dizaines de kHz. Par ailleurs, on s'intéresse à l'influence du confinement sur les fluctuations de surface d'un liquide newtonien. On étudie l'effet du confinement en utilisant des substrats de différentes natures : solide plan, solide en relief et liquide. On montre que les fluctuations de surface dépendent fortement du substrat utilisé. On étudie en particulier le cas où le film liquide est déposé sur une surface solide plane. En créant un effet Marangoni induit par un gradient de température à la surface libre du liquide, on parvient à contrôler l'épaisseur du film sondé. On mesure ainsi les fluctuations de surface de films dont l'épaisseur varie entre 30 nanomètres et quelques micromètres. Les spectres mesurés sont sensibles à la condition hydrodynamique à l'interface liquide-solide et permettent d'évaluer une éventuelle longueur de glissement.

Le présent travail de recherche concerne l'étude de la convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni dans un récipient cylindrique doté d'un fond en substrat solide. Le substrat solide est chauffé sur sa face inférieure par un flux de chaleur localisé. L'étude comporte deux parties : La première partie du travail consiste en une modélisation physique du problème associée à des simulations numériques. Les équations de Navier-Stokes et de l'énergie sont résolues en 3D par une méthode de volumes finis. Un transfert de chaleur conjugué solide-liquide est considéré. Des morphologies originales de cellules (type et nombre) sont observées, elles dépendent des conditions géométriques, des nombres adimensionnels qui régissent la physique de l'écoulement (nombre de Prandtl, de Rayleigh et de Marangoni ainsi que du rapport des conductivités thermiques du substrat solide et du fluide). Les transferts de chaleur sont aussi évalués pour chaque cas d'étude. Dans la deuxième partie, nous allons détaillons une étude expérimentale de la convection de Rayleigh-Bénard-Marangoni dans la même configuration que celle étudiée numériquement. Les structures convectives et leurs évolutions sont étudiées à partir d’images relevées par thermographie infra-rouge. Différents modes d'organisation des cellules convectives ont pu être mis en évidence pour ce type de chauffage à flux thermique imposé non uniforme. / The present research work concerns the study of Rayleigh-Bénard-Marangoni convection in a cylindrical container with a solid substrate base. This solid substrate is heated by a localized heat flux on its underside. The study is divided into two parts : The first part of the work consists of a physical modelling of the problem associated with numerical simulations. The Navier-Stokes and energy equations are solved by using a 3D finite volume method. A conjugate solid-liquid heat transfer is considered. Original morphology of cells (type and number) are observed, they are linked to the geometrical conditions, the dimensionless numbers which govern the physical problem (Prandtl, Rayleigh and Marangoni numbers and the ratio of solid substrate to liquid thermal conductivities). The heat transfers are also evaluated in each case. In the second part of the work, we present an experimental study of Rayleigh-Bénard-Marangoni convection in the same configuration as that studied numerically. Convective structures and their evolutions are studied from images recorded by infrared thermography. Different modes of organization of convective cells have been highlighted for this type of heating with imposed non-uniform heat flux.

Plusieurs études tant numériques qu’expérimentales font état de la présence d’instabilités thermiques dans des films liquides chauffés uniformément par le bas pour des conditions aux limites et d’écoulements particuliers. La présence de ces instabilités modifiera les transferts thermiques associés. Le sujet de ce travail de thèse consiste à étudier numériquement les instabilités thermoconvectives d’un écoulement laminaire tridimensionnel de convection mixte dans un canal horizontal à surface libre. Les variations de la tension de surface avec la température (effet Marangoni ou effet thermocapillaire) sont prises en compte. Bien que d’un intérêt certain pour de nombreuses applications industrielles, cette situation a été très peu étudiée d’un point de vue académique dans la configuration considérée ici. Dans cette de configuration plusieurs types de structures thermoconvectives sont susceptibles d’apparaître. Lorsque les forces induites par les courants de convection naturelle, forcée et thermocapillaire sont du même ordre de grandeur, les premiers résultats montrent un développement des instabilités sous forme de rouleaux convectifs longitudinaux stationnaires semblables à ceux rencontrés pour des écoulements de type Poiseuille-Rayleigh-Bénard. A notre connaissance, c’est la première fois que l’écoulement de convection de type Poiseuille-Rayleigh-Bénard associé aux effets Marangoni est étudié. Le nombre et la distribution spatiale des rouleaux convectifs le long du canal dépendent des conditions de l’écoulement. Nous proposons une étude numérique pour ces conditions particulières d’écoulement pouvant conduire à des instabilités avec une évaluation de leur effet sur les transferts de chaleur. Les équations de Navier-Stokes et de l’énergie sont résolues numériquement par la méthode de volumes finis en prenant en compte les effets thermocapillaires. Les résultats présentés concernent l’influence des paramètres contrôlant l’écoulement (nombres de Reynolds, de Rayleigh, de Biot, de Marangoni et le rapport de forme) sur les motifs de l’écoulement et les échanges thermiques. Dans une seconde partie du travail, complémentaire à la première, une analyse de stabilité linéaire de l’écoulement dans un canal ouvert à surface libre d’extension latérale infinie est réalisée en utilisant la méthode spectrale de type collocation Chebyshev pour résoudre un système aux valeurs propres. Les diagrammes de stabilité déterminant les seuils des paramètres conduisant à l’instabilité thermoconvective ont été obtenus et analysés, ainsi que les structures spatiales associées. / Several studies both numerical and experimental have reported the presence of thermal instabilities in liquid films uniformly heated from below for specific boundary conditions and flows. The presence of these instabilities modifies the associated heat transfer. The subject of this PhD thesis is to study numerically the instability of three-dimensional laminar mixed convection within a liquid flowing on a horizontal channel heated uniformly from below. The upper surface is free and assumed to be flat. The variations of the surface tension with the temperature (Marangoni effect or thermocapillary effect) are taken into account. Although of great interest for many industrial applications, this problem has received little attention from an academic point of view. In this configuration, several types of thermoconvective structures may appear. When the strength of the buoyancy, thermocapillary effects and forced convective currents are comparable, the results show the development of instabilities in the form of steady longitudinal convective rolls similar to those encountered in the Poiseuille-Rayleigh-Bénard flow. To our knowledge, this is the first time that the Poiseuille-Rayleigh-Bénard flow associated to the Marangoni effects has been investigated. The number and spatial distribution of the convective rolls along the channel depend on the flow conditions. We propose a numerical study on the flow conditions that could lead to thermal instabilities with an evaluation of their effect on the heat transfer. The coupled Navier-Stokes and energy equations are solved numerically by the finite volume method taking into account the thermocapillary effects. The results presented concern the influence of several control parameters (the Reynolds, Rayleigh, Biot and Marangoni numbers and the aspect ratio of the channel) on the flow patterns and heat transfer characteristics. In the second part of this work, complimentary to the first, a linear stability analysis of a horizontal liquid film flowing in an open channel, with infinite lateral extension and uniform heating from below, is carried out. An eigenvalue problem is obtained in the course of this analysis which is solved numerically using the Chebyshev collocation spectral method. The stability diagrams determining the threshold parameters leading to thermoconvective instabilities were obtained and analyzed as well as the associated spatial patterns.

L’effet thermocapillaire (ou Marangoni) est la résultante mécanique d’un gradient de tensioninterfaciale induit par la présence d’un gradient de température sur une interface fluide. Il semanifeste par (i) la migration d’un objet fini (goutte, bulle) immergé, et (ii) une déflexion del’interface. Sa nature interfaciale le rend particulièrement pertinent à petite échelle, notammenten microfluidique diphasique. Ce travail de thèse montre comment un effet thermocapillaireinduit localement par chauffage laser peut être utilisé pour produire des composants optofluidiquesélémentaires (vanne, aiguillage, échantillonneur), et en présente une étude quantitative.La déstabilisation d’un jet microfluidique forcée par laser, conduisant à sa rupture, est égalementprésentée et caractérisée. Cette « boîte à outils » optique fournit ainsi une approche sans contact,pour produire et manipuler des gouttes en microfluidique digitale sans nécessité d’une microfabricationdédiée. Par ailleurs, afin de caractériser sur des temps longs les gouttes produites,et ainsi considérer des populations statistiquement significatives, un dispositif optoélectroniquesimple pour mesurer les gouttes et leur vitesse en temps réel a également été développé. / The thermocapillary (or Marangoni) effect is the mechanical result of an interfacial tension gradientinduced by a temperature gradient on a fluid interface. This effect manifests itself byinducing (i) the migration of an immersed finite-size object (droplet, bubble), and (ii) a deflexionof the interface. Due to its interfacial nature, the Marangoni effect is particularly relevantat small length scales, especially in the context of two-phase microfluidics. This thesis aims atapplying the thermocapillary effect locally induced by laser heating, in order to create some basicoptofluidic actuators (valve, switch, sampler). A quantitative study of these actuators is presented.The laser-forced destabilization of a co-flowing microfluidic jet, leading to its breakup,is also investigated. This “optical toolbox” represents a non-contacting, and microfabricationfreeapproach for the production and handling of droplets in digital microfluidics. Moreover, tocharacterize these droplet over long times, thus considering statistically significant populations,a simple optoelectronic device has been developed for measuring the size and velocity of thedroplets in real time.

Dans ce document, nous présentons nos travaux sur les décharges dans l'heptane. L'une des conditions retenue pour ces études est le choix d'un gap micrométrique. Nous avons travaillé avec des gaps compris entre 10 et 150 µm qui correspondent à des tensions de claquage comprises entre 1 et 15 kV. Du claquage jusqu'à 1 µs, la décharge a été caractérisée par ombroscopie et par spectroscopie d'émission optique (SEO). L'ombroscopie a montré que la vitesse de propagation de l'onde de choc et de la bulle est de l'ordre de 1200 m s-1 et 100 m s-1, respectivement. Au-delà de 1 µs, la dynamique de la bulle a été étudiée. Une nouvelle méthode est proposée pour estimer la pression à l'initiation de la décharge. La technique est basée sur la réponse d'une "bulle test" qui se trouve dans le champ acoustique d'une nouvelle décharge dont on veut connaître la pression. Elle est aux environs 80 bar. La SEO a montré une dominance des rayonnements continus pendant les premières 200 ns qui ont été attribués à la recombinaison électron-ion. Au-delà de 200 ns, les rayonnements continus s'effondrent et les raies d'émission deviennent dominantes. L'étude de l'élargissement de la raie H[alpha] de l'hydrogène a montré que la densité électronique peut atteindre 1019 cm-3. En ce qui concerne l'interaction plasma-surface, nous avons pu démontrer que l'impact créé est gouverné par la quantité de charges déposée. Sa morphologie est une résultante d'un équilibre entre la force due à la pression et la force de Marangoni. Nous avons étudié dans une dernière partie la synthèse des nanoparticules de platine (diamètre 5 nm) insérées dans une matrice de carbone hydrogéné présentant un ordre à courte distance / In this document, we report our work on discharges in heptane. One of the specific conditions selected is the choice of a micrometric gap distance. Typically, gaps were between 10 and 150 µm, corresponding to breakdown voltages between 1 and 15 kV. From breakdown up to 1 µs, the plasma discharge was characterized by shadowgraphy and optical emission spectroscopy (OES). Shadowgraphy results showed that the velocities of shock wave and bubble interface are about 1200 m s-1 and 100 m s-1, respectively. Beyond 1 µs, experimental and theoretical studies of the oscillatory dynamics of the bubble are made. Then, we proposed a new method to estimate the pressure at discharge breakdown. The technique is based on the response of a 'test bubble' present in the acoustic field of a new discharge whose pressure is to be known. It is estimated to be about 80 bar. OES, between 300 and 800 nm, showed a dominance of continuous radiations during the first 200 ns which were attributed to electron-ion recombination processes. Beyond 200 nm, continuous radiations collapse and then, the emission lines dominate the spectrum. The study of the H? line broadening showed that the electron density can reach 1019 cm-3. Regarding the interaction of the discharge with the electrode surfaces, we demonstrated that the diameter of the impact is governed by the quantity of charges deposited by the discharge. However, the impact morphology is determined by a balance between the force exerted by the plasma pressure and the Marangoni's force. Finally, we studied the possibility to synthesize platinum nanoparticles (5 nm in diameter) embedded in a matrix of hydrogenated carbon exhibiting a short range order

Il est bien rapporté dans la littérature que les caractéristiques du joint soudé ainsi que le transfert de chaleur à l'interface liquide/solide sont fortement dépendants de l'écoulement du métal liquide. Ce travail porte sur l'étude numérique de l'influence des paramétres opératoires de soudage sur les bains de fusion TIG. Un modéle 2D incluant la cathode, le plasma d'arc et l'anode est développé pour l'étude du soudage TIG spot. Il permet également de quantifier les effets de la composition chimique du gaz, et de simuler des techniques innovantes tel que le soudage avec gaz pulsé. Le soudage TIG avec torche mobile et apport de matiére est modélisé à l'aide d'une approche hybride 2D-3D. Les simulations numériques pour des positions de soudages horizontales révèlent une dissymétrie de la soudure dans la direction opposée à la gravité, ce qui est dû à l'action de la flottabilité et à la déformation assymétrique de la surface libre. Ce défaut peut être considérablement réduit lors du soudage de matériaux à taux de soufre différents, en plaçant la pièce bas soufre en bas.