La transition vers la turbulence pour un fluide rhéofluidifiant avec seuil en écoulement dans une conduite cylindrique est étudiée. Une analyse linéaire de stabilité est effectuée moyennant des approches modale et non modale. Les résultats numériques montrent que l'écoulement de Hagen-Poiseuille d'un fluide à seuil est linéairement stable. L'effet du comportement rhéologique du fluide sur les caractéristiques de la perturbation optimale est clairement mis en évidence. Pour de faibles valeurs du nombre d'Herschel-Bulkley (Hb << 1), la perturbation optimale se présente pratiquement sous forme de rouleaux longitudinaux et l'amplification de l'énergie est assurée par le mécanisme lift-up. Par contre pour des valeurs suffisamment élevées de Hb, la perturbation optimale est axisymétrique et l'amplification de l'énergie est assurée par le mécanisme Orr. D'un point de vue expérimental, l'écoulement d'une solution de Carbopol à 0.2 % en masse dans une conduite cylindrique est étudié à partir de la mesure des profils des vitesse axiale et analyse statistique des fluctuations de celle-ci. Il a été constaté qu'en régimes laminaire et turbulent, les profils moyens (au sens temporel) sont axisymétriques et présentent une asymétrie croissante avec le nombre de Reynolds lors de la transition. Une description tridimensionnelle de cette asymétrie a été obtenue à partir des profils de vitesse axiale mesurés à différentes positions angulaires. Les résultats obtenus suggèrent l'existence d'une structure cohérente robuste constituée de deux rouleaux longitudinaux contra-rotatifs de longueur comparable à celle du dispositif expérimental. L'analyse statistique des fluctuations de la vitesse axiale fait apparaître deux phases lors de la transition vers la turbulence. Dans la première phase, le système passe du régime laminaire à un état non linéaire asymétrique où les spectres de puissance sont très similaires à ceux observés dans le cas d'une turbulence bidimensionnelle. La deuxième phase correspond au passage de cet état asymétrique à un régime turbulent avec apparition de spots classiques de la turbulence hydrodynamique. / The transition to turbulence for shear-thinning fluid with a yield-stress in a cylindrical pipe flow is studied. A linear stability analysis is performed using modal and non-modal approches. The numerical results show that the Hagen-Poiseuille flow of yield stress fluid is linearly stable. The effect of rheological behavior of the fluid on the characteristics of the optimal perturbation is clearly highlighted. At very low Herschel-Bulkley number (Hb << 1), the optimal perturbation consists of almost streamwise vortices, and the amplification of the kinetic energy is provided by the lift-up mechanism. In contrast for sufficiently large values of $Hb$, the optimal perturbation is axisymmetric and the growth of the kinetic energy is provided by the Orr-mechanism. From experimental point of view, the flow of 0.2 wt % aqueous solution of Carbopol 940 in a pipe is investigated from the measurement of the mean, i.e., time-averaged, axial velocity profiles as well as the statistical analysis of the fluctuations. It is observed that the velocity profiles are axisymmetric in the laminar and turbulent regimes, and present an increasing asymmetry with increasing Reynolds number in the transitional regime. A three-dimensional description of this asymmetry is provided from velocity profiles measurements at different azimuthal positions. The observed transitional flow suggest the existence of a robust non-linear coherent structure characterized by two weakly modulated counter-rotating longitudinal vortices, which length is comparable to that of the test section. The statistical analysis of the axial velocity fluctuations indicate that the transition occurs essentially in two stages. The first stage corresponds to the transition from the laminar regime to a stable non linear asymmetric state, where the spectra of axial velocity fluctuations are similar to those obtained in the case of two-dimensional turbulence. The second stage corresponds to the transition from this non linear asymmetric state to the hydrodynamic turbulence with the apparition of the classical spots of turbulence.

Les travaux e

La formulation optimale des fluides thixotropes est essentielle dans de nombreux procédés, par exemple dans le domaine des forages pétroliers. Ceci passe par une compréhension fine des liens entre les évolutions de leur microstructure et leurs propriétés d'écoulement. Nous étudions ici les propriétés d'un système émulsion inverse comprenant des argiles organophiles utilisés comme fluide de forage. Nous travaillons sur le fluide réel et sur une émulsion modèle en régime solide, en régime liquide, et durant l'arrêt du matériau sous faibles sollicitations mécaniques. A l'aide d'expériences de rhéométrie conventionnelle et de vélocimétrie IRM, nous avons identifié les origines structurelles des principales propriétés rhéologiques en fonction des concentrations des constituants : le seuil de contrainte, le vieillissement au repos, la bifurcation de viscosité en régime liquide, le déplacement de l'interface solide-liquide au sein du fluide. En particulier nous montrons que l'arrêt progressif de l'écoulement sous une contrainte critique est induit par la croissance d'agrégats. L'homogénéité du matériau lors de nos expériences rhéologiques a été vérifiée par des mesures de concentrations locales par RMN. Ces résultats montrent l'importance des liens argileux pour les propriétés thixotropes de ces systèmes.

La pérennisation de la valorisation agricole des boues résiduaires passe par une optimisation des techniques d'épandage. Dans le cas présent, nous nous sommes focalisés sur les phénomènes intervenant sur les disques qui constituent la table d'épandage, en tenant compte à la fois des caractéristiques rhéologiques du matériau à épandre et des réglages mécaniques du matériel. On montre d'abord par des expériences de rhéométrie qu'aux faibles contraintes, les boues ne peuvent s'écouler de manière stable: la déformation totale du matériau résulte d'une compétition entre la restructuration pendant la phase de repos précédant le cisaillement et la déstructuration due au cisaillement. De plus, lors du cisaillement avec une surface lisse, un glissement apparaît dans la même gamme de contrainte, à partir d'une déformation critique. Il se forme une fine couche de liquide newtonien entre la surface qui induit le cisaillement et le reste du matériau dans l'entrefer. Au delà d'une contrainte critique, l'écoulement devient homogène, quelque soit la nature de la surface, lisse ou rugueuse. A partir de travaux sur maquette, nous avons analysé la déformation d'un échantillon de fluide à seuil engendrée par l'application d'une force centrifuge d'intensité croissante, en accélérant progressivement la vitesse de rotation du disque. On montre que la dynamique de l'étalement se résume en trois phases distinctes. Aux faibles vitesses de rotation, le matériau se comporte comme un solide viscoélastique et subit de faibles déformations élongationnelles. Quand la vitesse de rotation dépasse une valeur critique, la déformation n'est plus homogène: le matériau se comporte comme un liquide en périphérie, et comme un solide au centre de l'échantillon. Seule la partie liquide s'étale en formant un bourrelet. On montre ainsi que les paramètres viscoélastiques du matériau et l'initiation de l'écoulement sont étroitement liés: plus le seuil de contrainte est élevé, plus la vitesse critique est grande. Enfin, l'étalement se localise au sein de digitations qui se forment à partir du bourrelet. Finalement, on montre qu'au cours de l'épandage les paquets de boues arrivant sur la table d'épandage ne sont pas cisaillés sous l'action de la force centrifuge, mais ils subissent une élongation puis une fragmentation avant d'être projeté à la sortie du disque. On démontre au passage que les pâles n'ont aucune utilité sur le procédé d'émiettement.

Au cours de ce travail, nous nous sommes attachés à prédire les caractéristiques rhéologiques de suspensions de particules dans des situations non newtoniennes. Nous avons tout d'abord étudié expérimentalement le comportement rhéologique de suspensions bidisperses de particules non colloïdales et non browniennes immergées dans un fluide à seuil dans les situations où les interactions entre particules sont hydrodynamiques (mécaniques). Nous avons montré que l'influence de la polydispersité des particules sur le module élastique et le seuil de contrainte de la suspension pouvait être décrit en utilisant un modèle d'empilement développé pour les matériaux granulaires secs. Deux relations analytiques simples permettant d'estimer le module élastique et la contrainte seuil d'une suspension non newtonienne polydisperse en fonction des caractéristiques des constituants ont alors été proposées et validées. Nous nous sommes ensuite intéressés à la prédiction des caractéristiques globales de suspensions contenant une forte concentration de particules de taille différente dans le cadre d'une approche par changement d'échelle. Pour cela, nous avons mis en uvre une approche par motifs morphologiques permettant la prise en compte de paramètres géométriques tels que la distribution de tailles des inclusions ou les distances entre particules voisines. Les résultats de ce modèle ont été validés par comparaison avec des données expérimentales de la littérature. Nous avons ensuite montré que les modèles morphologiques permettaient également de décrire l'évolution des modules complexes d'un matériau thixotrope subissant une transition de phase liquide-solide due à la croissance et la percolation d'un réseau de particules attractives. Dans la dernière partie de cette étude, nous avons étudié expérimentalement l'influence de l'histoire de cisaillement sur la structuration et la déstructuration d'une suspension colloïdale thixotrope

L'objectif de ce travail est de prédire le gonflement de fûts d'enrobés bitumineux contenant des déchets radioactifs en condition d'entreposage, de transport et de stockage. L'incorporation de radionucléides dans du bitume provoque en effet sa radiolyse et du dihydrogène est ainsi généré dans le matériau. Ce gaz est solubilisé dans la matrice jusqu'à ce que sa concentration atteigne une valeur limite, la saturation. Au-delà de celle-ci, un mécanisme de germination a lieu : des bulles sont formées. Elles vont par la suite croître grâce à l'apport de gaz par radiolyse et migrer sous l'effet de la poussée d'Archimède. Le gonflement du matériau résulte alors de la compétition entre création et évacuation de gaz. Un modèle a été construit pour décrire l'évolution d'une population de bulles. Sa résolution analytique n'étant pas possible, un code numérique a été développé. Les résultats montrent qu'une augmentation de la viscosité du fluide, du terme source de gaz apporté par radiolyse ou de la hauteur du récipient induisent une augmentation du gonflement et qu'une augmentation du coefficient de diffusion du gaz dans la matrice diminue le gonflement. Lorsque le fluide présente un seuil d'écoulement, le comportement de la population de bulles est modifié et l'évacuation de gaz par migration des bulles se fait par à-coups, contrairement au cas d'un fluide newtonien où une évacuation stationnaire est atteinte. Cette dernière a enfin servi à l'optimisation des conditions opératoires. / The aim of this PhD thesis is to predict the swelling of bitumen barrels in which radioactive salts are mixed. The bitumen exposed to radioactivity undergoes a chemical reaction: the radiolys. This implies a generation of dihydrogen. The created is solubilized until the concentration reaches a limit value which is called saturation. Over this limit nucleation of bubbles is observed. Then they will grow thank to the contribution of the gas generated by radiolys and they will be submitted to Archimede's principle so that they will rise in the fluid. The swelling is the result of the competition between generation and evacuation of gas. A model has been built to describe theevolution of a bubble population. Because of it is not possible to solve it analitically, a numerical program was developed. The results show that an increase of the fluid viscosity, the gas generation or the container height lead to an increase of the swelling and that an increase of the diffusioncoefficient contributes to a decrease of the swelling. In the particular case of a yield stress fluid, the behavior of the bubble population is modified and the evacuation of gas is done with several shots, at the opposite of the case of a Newtonian fluid for which a stationary evacuation is reached.

Cette thèse présente une étude expérimentale de l'impact de gouttes de fluides à seuil. Au-delà des applications (impression à jet d'encre solide, modélisation d'impact solide à grandes vitesses), cette étude permet de sonder le rôle de l'élasticité sur le comportement à temps court de ces fluides complexes. D'abord, nous nous sommes intéressés aux impacts sur une surface rigide. L'utilisation de fluides à seuil modèles (solutions concentrées d'argiles, micro-gel de Carbopol) et de surfaces d'impact variées (partiellement mouillante ou super-hydrophobe), révèle une grande variété de comportements, allant de l'étalement viscoplastique irréversible jusqu'à des déformations élastiques géantes. Un modèle minimal d'étalement inertiel, incluant une rhéologie élasto/viscoplastique, permet de décrire dans un cadre unique les principaux régimes observés. Au cours de cette étude, nous avons mis en évidence un phénomène spécifique avec le Carbopol : pour des grandes vitesses d'impact, on observe un étalement beaucoup plus grand sur des surfaces rugueuses hydrophobes que sur des surfaces lisses. Cette réduction apparente du frottement basal est discutée en termes de longueur de glissement et d'instabilité de " splash ". Enfin, nous avons étudié l'impact d'une goutte de fluide sur un sol constitué du même fluide, en utilisant un fluide à seuil transparent (Carbopol). La combinaison de lois d'échelle, d'expériences en " micro-gravité " et de mesures locales du champ de déformation montre que la dynamique du cratère transitoire est dominée par l'élasticité, même au-delà du seuil d'écoulement. Ces résultats pourraient avoir des implications dans le contexte des impacts de météorites en astrophysique.

Au cours de ce travail, nous nous sommes attachés à prédire les caractéristiques rhéologiques de suspensions de particules dans des situations non newtoniennes. Nous avons tout d'abord étudié expérimentalement le comportement rhéologique de suspensions bidisperses de particules non colloïdales et non browniennes immergées dans un fluide à seuil dans les situations où les interactions entre particules sont hydrodynamiques (mécaniques). Nous avons montré que l'influence de la polydispersité des particules sur le module élastique et le seuil de contrainte de la suspension pouvait être décrit en utilisant un modèle d'empilement développé pour les matériaux granulaires secs. Deux relations analytiques simples permettant d'estimer le module élastique et la contrainte seuil d'une suspension non newtonienne polydisperse en fonction des caractéristiques des constituants ont alors été proposées et validées. Nous nous sommes ensuite intéressés à la prédiction des caractéristiques globales de suspensions contenant une forte concentration de particules de taille différente dans le cadre d'une approche par changement d'échelle. Pour cela, nous avons mis en uvre une approche par motifs morphologiques permettant la prise en compte de paramètres géométriques tels que la distribution de tailles des inclusions ou les distances entre particules voisines. Les résultats de ce modèle ont été validés par comparaison avec des données expérimentales de la littérature. Nous avons ensuite montré que les modèles morphologiques permettaient également de décrire l'évolution des modules complexes d'un matériau thixotrope subissant une transition de phase liquide-solide due à la croissance et la percolation d'un réseau de particules attractives. Dans la dernière partie de cette étude, nous avons étudié expérimentalement l'influence de l'histoire de cisaillement sur la structuration et la déstructuration d'une suspension colloïdale thixotrope / In this work, we aimed to predict the rheological properties of suspensions of particles in non-Newtonian fluids. We first studied experimentally the rheological behaviour of bidisperse suspensions of non colloidal particles and non-Brownian immersed in a yield stress fluid in situations where interactions between particles are hydrodynamic (mechanical). We showed that the influence of the polydispersity on the elastic modulus and yield stress of the suspension could be described using a packing model developed for dry granular materials.Two simple closed form estimates for both the elastic modulus and the yield stress of non-Newtonian polydisperse suspension as a function of the characteristics of the constituents were proposed and validated. This study was then extended in a micromechanical analytical framework to predict the macroscopic characteristics of suspensions containing highly concentration of particles with different size. Our ne w model, called a "Morphologically Representative Pattern - Based Approach" (MRP-based approach), successfully predicts the behaviour of such materials by taking into account some geometrical parameters such as the particle size distribution or the distance between the nearest-neighbour particles. This model has been validated by a comparison with the experimental data in the literature. We then showed that the MRP-based approach also allowed describing the evolution of complex modules of a thixotropic material undergoing a liquid-solid transition due to the growth and the percolation of an attractive particle network. In the last part of this work, we studied experimentally the influence of the flow history on the structure of a thixotropic colloidal suspension

Le comportement (écoulement, adhésion,…) d'un fluide à seuil le long d'une surface solide est un problème récurrent dans de nombreux procédés industriels. Le caractère non newtonien de ce type de matériau rend difficile l'application des concepts établis dans le cas des écoulements similaires de liquides simples. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement ce problème en analysant l'écoulement généré le long d'une plaque solide en mouvement vertical (enfoncement et retrait) uniforme à travers un fluide à seuil simple. Nous déterminons d'abord le lien entre la force mesurée le long de l'objet et les propriétés rhéologiques du matériau. Nous en déduisons une nouvelle technique pour mesurer la contrainte seuil de ces matériaux. Nous décrivons, ensuite, les caractéristiques locales de l'écoulement généré lors de la pénétration de la plaque. Nous montrons que l'écoulement est localisé autour de l'objet, dans une couche d'épaisseur uniforme alors que le reste du fluide est déformé mais reste dans son état solide. Nous décrivons le processus par lequel cette couche limite se développe et nous déterminons la répartition des zones solides/ liquides autour de l'objet. Enfin, nous étudions les effets de mouillage et d'adhésion sur la plaque. En particulier, nous présentons une approche expérimentale permettant d'évaluer la tension de surface des fluides à seuil / The behavior (flow, adhesion,...) of a yield stress fluid along a solid surface is a recurrent problem in many industrial processes. The non-Newtonian character of this type of material makes it difficult to apply the concepts established in the case of similar flows of simple liquids. In this thesis, we study this problem experimentally by analyzing the flow generated along a solid plate moving vertically (penetration and withdrawal) through a simple yield stress fluid. We first determine the relationship between the measured force along the object and the rheological properties of the material. We derive a new technique for measuring the yield stress of the material. We describe then the local characteristics of the flow generated during the penetration of the plate. We show that the flow is located around the object in a layer of uniform thickness, while the rest of the fluid is deformed but remains in its solid state. We describe the process by which the boundary layer develops and determine the distribution of solid / liquid zones around the object. Finally, we study the effects of wetting and adhesion on the plate. In particular, we present an experimental approach to evaluate the surface tension of a yield stress fluid

Le comportement (écoulement, adhésion,...) d'un fluide à seuil le long d'une surface solide est un problème récurrent dans de nombreux procédés industriels. Le caractère non newtonien de ce type de matériau rend difficile l'application des concepts établis dans le cas des écoulements similaires de liquides simples. Dans cette thèse, nous étudions expérimentalement ce problème en analysant l'écoulement généré le long d'une plaque solide en mouvement vertical (enfoncement et retrait) uniforme à travers un fluide à seuil simple. Nous déterminons d'abord le lien entre la force mesurée le long de l'objet et les propriétés rhéologiques du matériau. Nous en déduisons une nouvelle technique pour mesurer la contrainte seuil de ces matériaux. Nous décrivons, ensuite, les caractéristiques locales de l'écoulement généré lors de la pénétration de la plaque. Nous montrons que l'écoulement est localisé autour de l'objet, dans une couche d'épaisseur uniforme alors que le reste du fluide est déformé mais reste dans son état solide. Nous décrivons le processus par lequel cette couche limite se développe et nous déterminons la répartition des zones solides/ liquides autour de l'objet. Enfin, nous étudions les effets de mouillage et d'adhésion sur la plaque. En particulier, nous présentons une approche expérimentale permettant d'évaluer la tension de surface des fluides à seuil