Ce travail est consacré à la modélisation d'écoulements de deux fluides immiscibles et son application en microfluidique. Pour cela, nous mettons en oeuvre des méthodes Level Set actuelles permettant un suivi précis de l'interface, dont le mouvement est induit par des champs de vitesse vérifiant les équations de Stokes ou de Navier-Stokes munies d'un terme de tension de surface.<br />Dans une première partie, nous abordons la problématique du suivi d'interface et présentons en détail les composantes de la méthode Level Set. En particulier, nous détaillons les approches ENO et WENO pour discrétiser les équations de Hamilton-Jacobi ainsi que les diverses méthodes existantes de redistanciation.<br />Dans la deuxième partie, nous traitons de l'analyse et de la résolution numérique des écoulements bifluides incompressibles pilotés par la tension de surface. Après avoir décrit les modèles mathématiques ainsi que leurs discrétisations et solveurs, nous apportons une contribution nouvelle en dérivant théoriquement une condition de stabilité valable pour les nombres de Reynolds faibles à modérés, caractéristiques des configurations microfluidiques. De plus, on introduit une méthode de décomposition de l'écoulement qui permet de diminuer les temps de simulation.<br />Enfin, la troisième partie est consacrée à l'application des outils évoqués précédemment pour simuler la dynamique de gouttes dans des microcanaux. Nous présentons les résultats numériques obtenus avec d'une part, un code bidimensionnel cartésien et d'autre part, avec un code tridimensionnel axisymétrique que nous avons entièrement développés. Une bonne adéquation est obtenue relativement aux expériences microfluidiques du laboratoire LOF (Rhodia - CNRS). En particulier, avec nos simulations, nous mettons à jour différentes dynamiques de mélange au sein des gouttes.

Cette étude analyse l'effet de la structure du sol sur le transfert particulaire par l'érosion hydrique diffuse. Le travail s'appuie sur des simulations de pluie en laboratoire et sur la détermination de la composition granulométrique agrégée des fragments de sol produits par les processus érosifs. Chacun des processus érosifs — désagrégation, mise en mouvement par la pluie, transfert par splash et transport par le ruissellement — est étudié séparément afin de mieux appréhender les mécanismes physiques impliqués. La réalisation de bilans de masse à partir des flux mesurés permet d'identifier la sélectivité granulométrique de la mise en mouvement par la pluie et du transport par le ruissellement. Du fait de cette sélectivité, la composition des fragments de sol mis à disposition des processus conditionne l'intensité des flux érodés. À partir de ces résultats, un modèle de prédiction de l'exportation des sédiments par l'érosion diffuse est ébauché. Ce modèle conduit à la prise en compte de la dynamique structurale des sols dans la modélisation déterministe de l'érosion hydrique diffuse.

Le transport par voie maritime s'est développé très rapidement durant la dernière décennie. Il constitue la solution idéale pour déplacer à faibles coûts d'importantes quantités de marchandises sur de longues distances. L'accroissement de ces échanges entraine inévitablement une augmentation de la fréquentation des routes maritimes, de la densité du trafic et donc du risque d'accident et de naufrage.Les quantités impliquées lors d'un accident étant importantes, un rejet sous-marin de produit chimique issu d'une épave peut provoquer de graves conséquences environnementales et humaines. Or, les mécanismes physico-chimiques apparaissant lors du transfert du produit à la surface sont encore mal compris. Ces mécanismes dépendent de nombreux paramètres dont les propriétés physico-chimiques intrinsèques au produit et celles propres à l'environnement de l'accident.Ce travail de recherche, réalisé en collaboration entre l'Ecole des Mines d'Alès et le Cedre, s'inscrit dans l'amélioration de la compréhension du comportement d'un rejet de produit chimique liquide, flottant et soluble issu d'une épave. Cette étude expérimentale a été réalisée selon 3 points :- La phénoménologie du rejet à la brèche dont l'objectif est de quantifier le débit et les modes de rejet,- Le comportement hydrodynamique du produit libéré et son évolution lors de la remontée dans la colonne d'eau,- Le transfert de matière du produit lors de sa solubilisation dans la colonne d'eau.Pour chaque point, les résultats obtenus sont comparés à ceux prédits par les corrélations disponibles dans la littérature afin de proposer une modélisation globale des conséquences adaptée à la gestion des pollutions marines.

La dispersion électrostatique d'un liquide dans un liquide, dans son mode de "pulvérisation" permet d'obtenir des émulsions instables. Le nombre de Reynolds des gouttelettes est très élevé, compte tenu de leur taille; l'agitation au sein du liquide est très grande. L'augmentation de la différence de potentiel appliquée se traduit par un accroissement important du nombre d'unités de transfert. On atteint ainsi des efficacités de transfert voisines de l'unité pour des hauteurs de transfert de quelques centimètres. L'emploi de la dispersion électrostatique en extraction liquide-liquide pourrait donc être intéressant lorsque de nombreux étages de traitement sont nécessaires ou lorsque les temps de traitement doivent être très courts. De plus, pour des milieux continus peu conducteurs ce procédé a l'avantage d'être peu coûteux en énergie. Cependant le passage au stade industriel, notamment par l'emploi des forts débits qu'il implique, pose de nombreux problèmes non encore résolus.

Mémoire (M.Sc.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1978. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

La transplantation de microcapsules contenant des îlots de Langerhans, amas de cellules pancréatiques régulant la glycémie, montre des résultats prometteurs dans le traitement du diabète de type 1. A l’heure actuelle, il existe encore de nombreux challenges pour augmenter la durabilité d’une greffe fonctionnelle. Le manque de standardisation des technologies d’encapsulation actuelles a suscité un intérêt pour les technologies d’encapsulation microfluidique permettant d’apporter précision et automatisation. Cette thèse s’est attachée à faire progresser deux points de limitations actuelles de ces techniques : la productivité du système et l’état de surface des capsules obtenues.Dans la première partie, nous nous sommes concentrés sur la caractérisation d’un système microfluidique de génération de gouttes à focalisation d’écoulement (MFFD), contrôlé en pression. Des modèles analytiques et numériques ont été développés afin de déterminer les écoulements dans le système. Ensuite, la formation de gouttes a été caractérisée en fonction des paramètres d’entrée du système. Cette étude a abouti à l’obtention de lois permettant de prédire ces paramètres d’entrée afin d’optimiser la fréquence de production de microcapsules d’alginate.Dans la deuxième partie, nous avons développé un système microfluidique permettant de former des capsules de type cœur-couche, afin d’optimiser l’état de surface des capsules. Des premiers essais d’encapsulation d’îlots de Langerhans ont montré le potentiel de ce système dans la minimisation d’une réaction immunitaire vis-à-vis de ces capsules.Ce travail est un premier pas vers l’optimisation du système d’encapsulation, qui à terme, permettra de fournir aux cliniciens des capsules répondant à tous les critères exigés pour la transplantation. / Transplantation of microcapsules containing pancreatic islets, cell clusters regulating blood sugar, show promising results for type 1 diabetes therapy. However, many challenges remain to improve long-term graft functionality. The lack of standardization of current encapsulation technologies has aroused interest in microfluidic systems that enable more precision and automation.This thesis focuses on two of the current encapsulation technologies stakes: improving system productivity and microcapsules surface.In the first part of this thesis, we characterized a pressure-driven microfluidic flow focusing device (MFFD) droplet generation system. Analytical and numerical models were developed in order to determine and predict flow rates. Droplet formation was characterized as a function of the system input parameters. This study led to scaling laws enabling to predict these system input parameters in order to optimize alginate microcapsules production frequency.In the second part of this thesis, a microfluidic system enabling the production of core-shell microcapsules was developed. First experiments of pancreatic islets encapsulation have shown the ability of this system to minimize the immune reaction towards these capsules.This work is a first step towards encapsulation system optimization, which eventually, may provide capsules that meet all the capsule requirements for transplantation.

De nombreux procédés de la recherche et de l'industrie utilisent l'extraction liquide-liquide, technique qui permet la séparation sélective de produits au sein d'un mélange. À cet effet, deux liquides non miscibles sont mis en contact : une phase aqueuse et une phase organique, l'une contenant généralement une molécule extractante capable de transférer les éléments désirés à l'autre. Le transfert se produit à la surface de contact entre les deux phases. Après le transfert, les deux phases sont séparées par décantation. Dans la pratique, ces opérations sont effectuées dans des appareils industriels. Pour optimiser et comprendre le fonctionnement de ces dispositifs, il est important de déterminer les caractéristiques fondamentales de l'émulsion. Il s'agit notamment des paramètres liés à la vitesse des écoulements ainsi que ceux liés au mélange des fluides comme l'aire interfaciale, le taux de rétention, ou la distribution en taille de la population de gouttes. Plusieurs techniques d'imagerie peuvent être utilisées pour les mesurer. L'une d'elles, l'holographie numérique, est bien connue pour permettre la reconstruction complète en 3D d'un écoulement à partir d'une seule acquisition. Ce travail de thèse traite d'une application de l'holographie numérique en ligne directement sur des gouttes en mouvement dans une phase liquide continue. La taille des gouttes a imposé l'exploration d'un régime de diffraction peu étudié à ce jour. Dans ce domaine, le modèle du disque opaque classiquement employé n'est pas valide et un meilleur accord est obtenu avec un modèle mixte lui associant une lentille mince. La focalisation des hologrammes est réalisée via une méthode dédiée et automatique qui a été établie à partir d'une étude complète de la littérature. Dans un deuxième temps, afin de mesurer des rétentions plus élevées, elle est complétée par une approche inverse permettant de corriger les mauvais positionnements et de restituer les gouttes non détectées. Ce traitement a été appliqué à des résultats expérimentaux, sur un dispositif de référence produisant des gouttes calibrées, et comparé à des mesures indépendantes. Ces essais ont validé la pertinence de l'holographie pour la caractérisation des émulsions. / Several processes used in research and industry are based on liquid-liquid extraction, a method designed for selective separation of products in a mixture. In liquid-liquid extraction, two immiscible liquids are contacted: an aqueous phase and an organic phase, one of which generally contains an extractant molecule capable of transferring the desired elements to the other phase. The transfer occurs at the contact surface between the two phases. After transfer, both phases are separated by settling. In practice, these operations are performed in industrial apparatus. In order to optimize the operation of these devices, it's important to determine the fundamental characteristics of the emulsion. These include parameters related to the fluid flow velocity as well as parameters related to fluid mixing such as the interfacial area, hold-up, and size distribution of the droplets population. Numerous imaging techniques can be used to measure these parameters. One of them, digital holography, is well-known for allowing complete reconstruction of information about a 3D flow in a single shot. This PhD work deals with a direct application of digital in line holography to droplets rising in a continuous liquid phase. The droplet size imposes a regime of intermediate-field diffraction hardly explored to date. Acquired diffraction patterns show that the usual dark disk model is not valid and that good agreement is obtained with a mixed model coupling thin lens with opaque disk. Hologram focusing is nevertheless performed with a dedicated automated method. A literature review has been conducted to identify the sharpest autofocus function for our application. In a second step, in order to measure high retention rates, an inverse problem approach is applied on all the outliers and missing droplets. This hologram restitution treatment has been applied to experimental results with a comparison to independent measurements. The main results obtained with calibrated droplets are presented detailing the test device and instrumentation. They have validated the relevance of holography for the characterization of emulsions.

De nos jours, la combustion d'hydrocarbures est largement répandue dans de nombreuses applications, notamment la propulsion aéronautique. Toutefois, les turbomachines produisent des niveaux d'émissions d'espèces polluantes qui ne sont plus acceptés. C'est pourquoi, la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans les chambres de combustion est essentielle pour aider au développement de moteurs plus propres. Dans de tels foyers, le carburant est injecté sous la forme d'un brouillard de gouttes, ce qui génère de fortes interactions avec l'écoulement d'air turbulent et la flamme. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de modèles en combustion diphasique en vue d'améliorer la capacité prédictive des outils de simulation numérique. Pour cela, un nouveau moyen d'essais dédié à l'étude des flammes diphasiques turbulentes a été conçu et une base de données expérimentales a été constituée (conditions inertes et réactives). Des visualisations simultanées de la diffusion de Mie des gouttes et du taux de dégagement de chaleur ont permis de mettre en évidence une structure de flamme complexe ainsi que l'existence de différents régimes de combustion. Un autre point important de ce travail a été d'analyser statistiquement la distribution spatiale de gouttes en conditions réactives à l'aide d'une méthode de mesure originale. Cette analyse a permis de quantifier les distances inter-gouttes (plus proches voisines) en différents points de l'écoulement et d'estimer les erreurs liées au traitement des données via une approche numérique. En outre, il apparaît que la distribution spatiale des gouttes s'apparente à une loi aléatoire uniforme alors que les modèles de combustion de gouttes s'appuient souvent sur une loi régulière. / Nowadays, combustion of hydrocarbons is widespread in many engineering applications, including aeronautical propulsion. However, gas turbines produce pollutant emission levels that are no longer accepted. Therefore, understanding physical phenomena involved in combustion chambers is a major issue to help to the development of more eco-friendly engines. In aero-engine combustors, fuel is injected as a spray of droplets which generates a strong interaction with the turbulent air flow and the flame. This thesis aims at contributing to the development of two-phase combustion models to improve the predictive ability of numerical simulation tools. To do so, a new test setup dedicated to the study of two-phase turbulent flames has been designed and an experimental database has been built (non-reactive and reactive conditions). Simultaneous visualizations of Mie scattering droplets and heat release rate have highlighted a complex flame structure and the existence of different spray combustion regimes. Another important point of this work was to perform a statistical analysis of the spatial distribution of droplets under reactive conditions using an original measurement method. This analysis permitted to measure the inter-droplet distances (nearest neighbor) in different points of the flow and to assess the errors related to the processing of data through a numerical approach. It further appears that the spatial distribution of droplets is similar to an uniform random law while droplet combustion models are often based on a regular law.

La dérive de pulvérisation peut être mesurée au champ ou en soufflerie. Paradoxalement, les tests au champ sont sujets à de grandes variations dues aux conditions atmosphériques mais peuvent être plus facilement réalisés contrairement aux tests en soufflerie. Ainsi les principaux modèles de dérive sont basés sur des mesures au champ alors que peu de modèles s’inspirent de mesures en soufflerie. L’objectif de ce travail a été de définir un ou des descripteurs de la dérive sur la base de l’analyse de courbes de dépôts obtenues dans la soufflerie d’IRSTEA Montpellier. Par rapport aux souffleries existantes, un protocole d’exposition de longue durée a été utilisé avec une forte densité d’échantillonnage. Un plan expérimental comprenant 99 modalités a été réalisé en tenant compte de différents types de buses (FF, AI, AI Twin jet), différente hauteurs de rampe de 40 à 80cm, différentes positions de la rampe (frontale, latérale et angles intermédiaires) et différentes vitesses de vent entre 2 et 7.5m s-1. Les résultats ont montré que le taux de dérive à 5m sous le vent (DR5) correspond au descripteur le plus robuste si l’on tient compte du large spectre de paramètres et de réglages. Des modèles de premier ordre ont été définis pour l’expression de l’effet de la vitesse du vent ainsi que de la hauteur de rampe selon le temps de vol des gouttes (ToF). Ainsi il est possible de comparer des résultats issus de conditions expérimentales différentes et de simuler l’effet de la vitesse du vent et la hauteur de la rampe pour un type donné de buse. Des mesures in situ de taille de gouttes ont confirmé la pertinence du temps de vol comme base de l’expression des résultats. / Spray drift might be measured either infield or in a wind tunnel through specific sampling strategies. Paradoxically field tests are subjected to a high variability due to the atmospheric conditions but can be more easily conducted in the absence of a wind tunnel. The result is that most of spray drift models are based on infield measurements. Conversely very few models were developed on the basis of wind tunnel measurements. The objective of this work was to define spray drift descriptors from the analysis of drift curves in IRSTEA wind tunnel. Compared to the majority of existing wind tunnels, a long duration exposure protocol was applied with a high sampling density. A large experimental plan of 99 modalities were conducted including nozzle types (FF, AI, AI Twin jet), boom heights from 40 to 80cm, boom positions (frontal, lateral, and intermediate angles) and wind velocities from 2 to 7.5ms-1. Results showed that the drift ratio at 5m (DR5) was the most robust drift indicator considering the wide range of parameters and operations conditions (wind velocity, boom height). First order models were drawn for the expression of the effect of the wind velocity and the boom height according to the droplet time of flight (ToF). As a result it was possible to compare data from different experimental conditions and to simulate the effect of the wind velocity and the boom height for a given type of nozzle. In situ droplet size measurements confirmed the relevance of the time of flight expression.

La thèse porte sur une nouvelle classe de polymères à architecture en brosse, synthétisés à l'échelle industrielle et utilisés comme additifs dans les suspensions colloïdales pour le couchage du papier. Le polymère en brosse contrôle la déshydratation et le séchage des suspensions ce qui permet d'obtenir des revêtements d'une qualité incomparable. L'objectif est de modéliser sur un plan fondamental le rôle fonctionnel des polymères en relation avec les performances en application. Dans une première partie nous étudions leurs propriétés physicochimiques, structurales et rhéologiques en solution en discutant les spécificités dues à l'architecture en brosse. Dans une seconde partie nous analysons à l'aide d'un dispositif expérimental original les propriétés de rétention d'eau apportées par les polymères. Dans une troisième partie nous étudions le séchage de suspensions de carbonate de calcium sur des substrats solides, qui conduit en général à des motifs hétérogènes dits en " anneau de café ". Nous avons découvert que les polymères en brosse à très faible concentration suppriment ces défauts de séchage de façon remarquable. Le nouveau mécanisme physique à l'¿uvre, que nous appelons effet Marangoni auto-induit, résulte des propriétés interfaciales des polymères et de leurs interactions spécifiques avec les particules de carbonate de calcium. Pour conclure nous établissons un lien entre les propriétés de rétention d'eau et l'inhibition des défauts de séchage. Nous démontrons alors le caractère générique de nos résultats en les transposant à une suspension biologique, le sang, où les polymères pourraient présenter un intérêt dans le traitement de pathologies cardiovasculaires. / This work focuses on a new class of bottlebrush polymers, synthesized on an industrial scale and used as additives in colloidal suspensions for paper coatings. The bottlebrush polymer controls the dehydration and drying of the suspensions, and leads to coatings of outstanding quality. Our aim is to model the functional role of these polymers from a fundamental perspective in relation with applicative performances. In a first part we study their physicochemical, structural and rheological properties in solution, emphasizing the specificities due to the brush architecture. In a second part we implement an original experimental setup to analyze the water retention properties brought by the polymers. In a third part we study the drying of calcium carbonate suspensions on solid substrates, which in general forms to heterogeneous patterns called “coffee-rings”. We discovered that at very low concentration, bottlebrush polymers remarkably suppress these defects. We call auto-induced Marangoni effect the new physical mechanism at work. It results from the interfacial properties of the polymers and their specific interactions with calcium carbonate particles. To conclude, we establish a link between water retention properties and drying defect inhibition. We demonstrate the generic character of our results which can be transposed to a biological suspension, blood, where these polymers could be of interest for cardiovascular disease treatment.