Th. doct.--Paris 6, 2002. / Bibliogr. p. 261-268. Résumé en français et en anglais. L'ouvrage porte par erreur : ISSN 0078-3780.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie des procédés et de l'environnement : Toulouse, INPT : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 98 réf.

Le tassement des sols est l'un des principaux processus de dégradation des sols en Europe. Il est principalement dû à la mécanisation des activités agricoles et forestières qui se traduit par des passages d'engins de plus en plus lourds, très souvent en conditions climatiques défavorables. La directive cadre pour la protection des sols en préparation envisage de demander aux Etats membres de l'Union Européenne de recenser les zones les plus sensibles au tassement en vue d'appliquer des mesures de prévention ou de réhabilitation. Le but de notre étude est de développer une méthode d'estimation des risques de tassement des sols et de l'appliquer à l'échelle de la France métropolitaine. La sensibilité des sols au tassement dépend du type de sol et augmente avec la teneur en eau. L'intensité du tassement dépend de la charge appliquée à la surface du sol. L'estimation des risques de tassement repose sur la fréquence d'occurrence d'une teneur en eau critique qui engendre une intensité de tassement pénalisant le fonctionnement des sols et des cultures. Elle fait appel à deux modèles : le modèle de culture STICS pour le calcul de l'évolution journalière de la teneur en eau des sols, le modèle de déformation COMPSOIL pour le calcul des teneurs en eau critiques en fonction des engins utilisés. Ces deux modèles sont appliqués sur la Base de Données Géographique des Sols de France au 1/1 000 000ème. Une amélioration du paramétrage du module hydrique de STICS adapté à cette base de données est proposée. Les risques de tassement des sols sont estimés pour trois périodes d'intervention au cours d'une culture de blé d'hiver ou de maïs : le semis, la fertilisation azotée et la récolte, en fonction de scénarios climatiques actuels et futurs. Plusieurs critères de définition d'un sol tassé et d'un risque de tassement ont été utilisés. La cartographie des risques de tassement (1) s'avère très sensible au choix de ces critères, (2) résulte de la combinaison des trois facteurs : type de sol, climat et système de culture, sans facteur prédominant. La méthodologie proposée, basée sur l'utilisation de modèles de fonctionnement hydromécanique, est bien adaptée à l'estimation des risques de tassement des horizons de surface des sols cultivés. Une caractérisation plus précise des propriétés mécaniques des sols français est à envisager pour réduire les incertitudes sur la cartographie des risques.

Ce travail de recherche s'intéresse à la dynamique de bulles en ascension à grand nombre de Reynolds dans un liquide fortement confiné entre deux plaques (cellule de Hele-Shaw). Dans le régime étudié, les trajectoires des bulles et leurs déformations sont contenues dans le plan de la cellule. La dynamique essentiellement bidimensionnelle favorise en particulier l'observation d'interactions entre bulles. Cette étude expérimentale comprend donc deux volets : l'analyse de la dynamique d'une bulle isolée et de son sillage et celle des interactions hydrodynamiques entre deux bulles. La cinématique des bulles (forme, trajectoire et vitesse) est mesurée à partir de visualisations par ombroscopie sur une large gamme de tailles caractérisées par un diamètre équivalent dans le plan, noté d. La dynamique des sillages est quant à elle étudiée par Vélocimétrie par Image de Particules (PIV) à Haute Fréquence. Concernant l'étude de la bulle isolée, nous avons exploré la situation où les bulles montent dans un liquide au repos et celle où elles sont soumises à un écoulement descendant à contre-courant. En liquide au repos, pour des bulles de taille suffisante qui ne sont pas mobiles dans l'interstice d'épaisseur e nous avons montré que la vitesse moyenne d'ascension Vb est proportionnelle à (e/d)⅙ √gd, et que le nombre de Reynolds défini par Re=Vbd/v fixe la déformation des bulles. De plus des lois d'échelle simples sont obtenues dans la gamme 1200≤Re≤3000 et e/d ≤ 0,4 pour les grandeurs décrivant les oscillations de trajectoire dans le repère de la bulle. Par ailleurs, des mesures de vitesse nous ont permis de caractériser la structure du sillage associé aux oscillations de trajectoire de la bulle. Nous avons tout d'abord étudié en détail les caractéristiques du détachement tourbillonnaire. Ces mesures de vitesse dans les sillages ont également mis en évidence l'existence de deux dynamiques distinctes sur deux échelles de temps nettement séparées : la période d'oscillation de la bulle et le temps visqueux défini à partir de e. En écoulement à contre-courant, un résultat intéressant consiste en la disparition de la phase intermédiaire d'appariement tourbillonnaire dans l'allée de von Karman de bulles oscillantes pour la plus importante des vitesses du contre-écoulement. La caractérisation de la cinématique des bulles isolées et des perturbations de vitesse qu'elles induisent dans le liquide a permis d'aboutir à des lois d'échelle suffisamment robustes pour pouvoir prédire leur comportement instationnaire simplement à partir de leur taille. Cette connaissance s'avère cruciale dans l'analyse des interactions entre deux bulles pour explorer les écarts de leur comportement cinématique par rapport au cas isolé. Les expériences d'interaction entre deux bulles consistent à injecter deux bulles successives et à observer leur mouvement ainsi que celui qu'elles induisent dans la phase liquide. Le suivi des bulles par ombroscopie permet de distinguer plusieurs modes d'interaction entre les bulles : attraction horizontale, entrainement vertical, éjection du sillage ou rebond, contournement, positionnement préférentiel et coalescence. Certains mécanismes d'interaction ont été plus spécifiquement étudiés à l'aide de mesures par vélocimétrie. Nous avons ainsi pu quantifier l'effet du sillage de la première bulle sur la deuxième, et notamment caractériser l'interaction bulle - tourbillon. / We study the dynamics of bubbles rising in a liquid confined in a thin-gap cell (Hele-Shaw cell of thickness e). In the regime investigated corresponding to high Reynolds numbers, bubble paths and deformations occur in the plane of the cell. This two-dimensional dynamics facilitates the observation of bubbles interaction. The aim of the investigation is twofold: the analysis of the coupling between the motion of an isolated oscillating bubble and its wake, and the analysis of the hydrodynamical interactions between two bubbles. Bubble motions (shape, trajectory and velocity) are measured from visualizations using shadowgraphy for a large range of bubble sizes characterized by their in-plane equivalent diameter d. The behaviour of the wake is explored using High Frequency Particle Image Velocimetry (HF PIV). We investigated the kinematics of an isolated bubble when its size d increases. We showed that the mean vertical velocity of the bubble Vb is proportional to (e/d)⅙ √gd, and that the Reynolds number Re=Vbd/v determines its mean deformation. Simple scaling laws were then obtained in the range 1200≤Re≤3000 and e/d ≤ 0,4 for all the quantities describing the path oscillations of the bubble in its reference frame. Moreover, measurements of the liquid velocity allowed us to characterize the structure of the wake associated to the oscillating bubbles. We first investigated in detail the characteristics of vortex shedding. We then showed that the time evolution of the bubble wake depends on two contrasted time scales. The first corresponds to short times on the order of the period of oscillation and the second to the effect of wall friction becoming predominant for times comparable to the viscous time scale based on the gap thickness e. In the presence of a sufficiently strong counterflow, we observed the disappearance of the intermediate phase of vortex pairing in the wake of an isolated oscillating bubble. The characterization of the bubble kinematics and of the bubble-induced velocity perturbation in the liquid phase for the isolated bubble provided scaling laws robust enough to predict their periodic motion. This knowledge is fundamental for the discussion of hydrodynamical interactions, allowing us to discuss the kinematics of interacting bubbles as compared to their kinematics as isolated bubbles. Experiments consisted in the injection of two successive bubbles in the cell, the observation of their motions and the measurement of the perturbations induced in the liquid phase. Visualizations of the bubbles motions allowed us to observe several types of interactions: horizontal attraction, vertical entrainment, ejection or bouncing, preferential positioning, and coalescence. Some mechanisms occurring during interaction have been more precisely studied using HF PIV, in particular the effect of the wake of the leading bubble on the trailing bubble, and the associated bubble-vortex interaction.

Cette thèse présente le développement d'une nouvelle méthode de détection portable d'ADN bactérien. Une solution concentrée de longs ADNs forme des agrégats lorsqu'elle est soumise à un fort champ électrique dans un microcanal, qui sont détectables par conductimétrie. Après optimisation, un instrument portable incluant un système microfluidique et un module électronique compact pour le contrôle des champs électriques a été obtenu. Pour la détection de biomarqueurs usuels, une amplification isotherme d'ADN appelée HRCA a été testé de façon à allonger puis amplifier ces courts ADN en longs produits. Des expériences en temps-réel, une simulation de la cinétique d'amplification et une modélisation théorique ont permis la caractérisation de la réaction et de conclure que la plupart des produits générés en solution sont de petites tailles. Une réaction en deux étapes combinant une SDA et une RCA a finalement été développée pour amplifier, allonger puis détecter 10pM de séquences d'ADN issues de Staphylococcus Aureus. L'intégration sur puce d'une étape de traitement de l'échantillon et de la réaction d'amplification a nécessité le développement d'une nouvelle technologie nommée "murs mobiles". Ces structures 3D, contenant des microcanaux ou des membranes en hydrogel, peuvent être déplacées manuellement à l'intérieur de microsystèmes pour diverses applications: valves, séparation de chambres microfluidiques, préconcentration de molécules ou pour le développement de puces microfluidiques reconfigurables. / This thesis presents the development of a new portable detection method for bacteria. When subjected to a high electric field in a confined microchannel, a concentrated solution of long DNA formed large aggregates, detectable by conductometry. A previous prototype has been optimized to obtain a portable and label-free instrument including a microfluidic system and a compact electronic for the control of the electric field. To apply this technique to current DNA biomarkers, an isothermal amplification reaction called Hyper-branched Rolling-Circle Amplification (HRCA) was tested in order to simultaneously elongate and amplify short DNAs into long products. Real-time experiments, kinetic simulations and theoretical approaches were used to characterize and model this reaction, leading to the conclusion that most of the products generated in solution are small DNAs. A two-step amplification combining a Strand-Displacement Amplification (SDA) and a RCA was finally developed to amplify then elongate DNA sequences from Staphylococcus Aureus, with a LOD of 1pM. Preconcentration of DNA and addition of reagents for sequential reactions into a microreactor were necessary to integrate pre-detection steps into a portable system. A new toolbox, called "sliding wall" was developed for these needs. Elongated microfabricated structures containing channels or hydrogel membranes could be manually displaced into a closed microchip, enabling compartmentalization, valving, molecule trapping and reconfiguration of a channel network.

L'enjeu principal de cette thèse est de comprendre et prédire les propriétés structurales et rhéologiques de suspensions colloïdales en tenant compte d'éléments complexes tels que (1) les interactions hydrodynamiques (IHs) et/ou (2) des forces extérieures. Nous employons dans cette thèse deux des techniques numériques les plus rapides de la littérature: la dynamique brownienne standard (BD), pour les systèmes où les IHs peuvent être ignorées; et la technique hybride "stochastic rotation dynamics - molecular dynamics" (SRD-MD), pour les systèmes où les IHs doivent être incorporées.Trois systèmes colloïdaux différents ont été étudiés. Le premier est un système de sphères dures soumis à un cisaillement, où le but a été de vérifier que l'introduction des IHs dans la SRD-MD peut correctement reproduire la relation entre la viscosité et la fraction volumique. Les résultats de viscosité sont en accord avec les résultats connus, qu'ils soient analytiques, numériques et expérimentaux. Le second système consiste en une suspension d'alumine, pour laquelle les interactions sont décrites par la théorie DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek). Les simulations montrent que le seuil de percolation (phi_c) diminue lorsque la profondeur du puits de potentiel augmente. De plus, nous observons que la prise en compte des IHs tend à former des structures plus allongées également, par rapport aux structures obtenues sans les IHs. Les valeurs de phi_c obtenues dans les simulations sont en bon accord avec celles estimées par le modèle de la contrainte seuil (YODEL) établi par Flatt et Bowen. Le troisième système comporte deux types de colloïdes qui interagissent par un potentiel de Yukawa. Ce système binaire est soumis à l'influence d'un mur attractif. Nous montrons que la présence d'un mur attractif peut altérer la structure cristalline des agrégats à la surface telle qu'une structure de type CsCl qui se forme au lieu de la structure métastable de type NaCl. Finalement, nous avons réalisé une étude préliminaire par SRD-MD de suspensions soumises à un cisaillement oscillant. Nous montrons que lorsque la suspension est soumise au cisaillement oscillant en même temps que l'agrégation se produit, des structures plus compactes se forment. / The main objective of this thesis is to predict and understand the structural and rheological properties of colloidal suspensions when (1) hydrodynamic interactions (HIs) and/or (2) external forces are present. We employ two of the fastest techniques in literature: Brownian dynamics (BD), for systems without HIs; and the hybrid "stochastic rotation dynamics - molecular dynamics" (SRD-MD) for systems with HIs. Three different systems were studied. The first is a system of hard spheres subjected to shear, where the goal was to ensure that SRD-MD can correctly reproduce the viscosity vs. volume fraction relationship. The results are consistent with known analytical, numerical and experimental data. The second system is an alumina suspension described by the DLVO theory (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek). The simulations show that the percolation threshold (phi_c) decreases as the depth of the potential well increases. Moreover, we note that HIs tend to form more elongated structures compared to the systems without HIs. The phi_c values ​​obtained are in good agreement with those estimated by Flatt and Bowen's yield stress model (YODEL). The third system consists of binary colloids that interact by Yukawa potential and subjected to the influence of an attractive wall. We show that the presence of an attractive wall may alter the crystalline structures such that CsCl crystals are formed instead of the metastable NaCl crystals. Finally, we conducted a preliminary study of suspensions under an oscillating shear. We show that when the aggregation process suspension coincides with the oscillatory motion, more compact structures are formed.

Emulsions, suspensions colloïdales, solutions polymères, suspensions bactériennes, ... Les propriétés dynamiques de ces systèmes dispersés reposent sur l'interaction entre la structure microscopique de la phase dispersée et l'écoulement de la phase continue.Le travail présenté dans cette thèse porte sur la dynamique collective de telles suspensions forcées hors-équilibre. Le forçage peut avoir lieu à l'échelle macroscopique (advection, force uniforme, ...) ou à l'échelle microscopique (auto-propulsion).Le dénominateur commun à toutes mes études est de chercher à comprendre la dynamique grande échelle des suspensions sur la base des symétries des interactions, principalement hydrodynamiques, entre les particules.Notre approche est expérimentale et repose sur l'utilisation d'outils microfluidiques pour réaliser des expériences modèles quantitatives.Dans la première partie du manuscrit, j'étudie la dynamique de suspensions de particules passives rigidement confinées au sein d'un film fluide. En particulier, je présente nos résultats expérimentaux et théoriques sur la propagation d'ondes de densité linéaires au sein de telles suspensions. Dans la seconde partie du manuscrit, je m'intéresse à la dynamique d'assemblées bidimensionnelles de particules auto-propulsées en mouvement dans un fluide globalement au repos. Je présente notre système expérimental, basé sur un mode de propulsion original des particules, et qui permet d'étudier et de comprendre l'émergence du mouvement collectif sur la base des interactions de paires. J'étudie ensuite la propagation des excitations non linéaires de ces assemblées de particules dans des milieux hétérogènes. / Emulsions, colloidal suspensions, polymer solutions, bacterial suspensions, ... The dynamical properties of these disperse systems rely on the interplay between the microscopic structure of the dispersed phase, and the flow of the continuous phase.This thesis is devoted to the collective dynamics of suspensions driven out-of-equilibrium. The driving can take place either at the macroscopic scale (advection, uniform strength, ...) or at the microscopic scale (self-propulsion).Our goal is to understand the large scale dynamics of the suspensions on the basis of the symmetries of the interactions between the particles.Our approach is experimental. It relies on microfluidic tools to perform quantitative model experiments. In the first part of the manuscript, I focus on the dynamics of suspensions of passive particles in rigidly confined thin liquid films. In particular, I present experimental and theoretical results on the propagation of linear density waves in advected emulsions. In the second part of the manuscript, I study the collective dynamics of bidimensional assemblies of self-propelled particles embedded in a fluid at rest at infinity. I present our experimental setup based on a new propulsion mechanism for the particles. It enables us to study and understand the emergence of collective motion on the basis of the interactions between the individuals. Finally, I investigate the propagation of non-linear excitations of these assemblies of self-propelled particles in heterogeneous media.

La flottation est un procédé de séparation dont l'objectif est de séparer les minéraux de valeur de la gangue pour leur récupération sous forme de concentré. Au cours de ce processus, on distingue principalement deux étapes : la première est la sélection et la collecte des particules de valeur et par la suite, la seconde a pour objectif la récupération des particules à partir de l'appareil. Le produit ainsi obtenu se nomme le concentré, qui est ensuite commercialisé par les entreprises minières pour en tirer un bénéfice économique. Ces concentrés sont évalués à l'aide des termes économiques d'un document appelé contrat de smeltage. L'objectif de ce contrat est de normaliser la qualité et la quantité de concentré vendu par les concentrateurs aux fonderies. Ainsi, un objectif clé pour maximiser les recettes tout en respectant les spécifications du client est de pouvoir contrôler la récupération et la teneur des particules de valeur dans le concentré produit. Le projet de recherche mis en oeuvre par l'Université Laval cherche à atteindre cet objectif, en utilisant comme exemple un appareil courant de séparation appelé colonne de flottation. L'exécution du projet comporte diverses étapes dont la première est de mesurer et contrôler les variables qui interviennent dans l'optimisation de la récupération et de la teneur du concentré. Le projet se déroule autour d'une colonne pilote de 7,2 mètres de haut et de 14 cm de diamètre alimentée avec la même pulpe qu'une colonne de nettoyage industrielle dans le circuit de cuivre du concentrateur Laronde (Agnico-Eagle Mines). Cette colonne expérimentale est munie de capteurs de profondeur d'écume, de taux de rétention de gaz et de différentiel d'eau, tous basés sur l'utilisation de la conductivité électrique comme propriété mesurable en ligne. La dernière de ces variables, correspondant au flux net d'eau qui traverse l'interface entre l'écume et la pulpe dans une colonne, est en grande mesure responsable de la teneur du concentré dans l'étape de nettoyage des circuits de flottation [7], [8], [9]. La première phase du travail a été effectuée par un groupe multidisciplinaire du département de génie électrique et de génie informatique et du département de génie des mines, de la métallurgie et des matériaux de l'Université Laval, et a eu comme objectif la construction, l'installation et la mise en fonction d'une colonne pilote et de ses appareils accessoires (pompes, réservoirs, etc.). Par la suite, Riquelme [25] a développé un nouveau système de mesure électronique conçu pour mesurer la conductivité électrique dans le système de contrôle de la colonne et, particulièrement, dans les capteurs de profondeur d'écume et de taux de rétention de gaz en ligne. Ce mémoire présente la validation du système de mesure développé par Riquelme dans le laboratoire de flottation de l'Université Laval, système qui a ensuite été testé dans un système de trois phases dans la colonne pilote installée au concentrateur Laronde. Les résultats obtenus ont permis de développer une méthodologie pour l'obtention d'une relation empirique qui permet d'estimer en ligne le différentiel d'eau. L'application de cette méthode aux colonnes industrielles de ce concentrateur devrait être considérée dans un proche avenir.

L'objectif de ces travaux est de déterminer les chargements hydrodynamiques agissant lors du tossage de structures navales. La connaissance de ces chargements est par exemple importante pour le dimensionnement de bulbes d'étrave en composites abritant un sonar. Nous nous sommes orientés vers le développement d'un modèle d'impact hydrodynamique tridimensionnel basé sur la théorie de Wagner. Cette approche constitue un compromis intéressant entre précision des résultats, facilité de mise en oeuvre et temps de calcul. Dans le modèle proposé, le problème de Wagner tridimensionnel est formulé en termes de potentiel des déplacements. Une méthode numérique originale est proposée pour déterminer la ligne de contact de façon approchée. La pression est ensuite calculée en utilisant le modèle de Logvinovich modifié. L'ensemble de l'approche proposée a été appliquée à différentes formes tridimensionnelles. Ces résultats ont été comparés à des résultats d'essais d'impacts hydrodynamiques à vitesse constante réalisés à l'aide d'une machine de choc hydraulique. De plus, des résultats issus de simulations par éléments finis d'impacts hydrodynamiques ont été réalisées. L'ensemble des résultats présentés démontre les capacités prédictives de l'approche proposée ainsi que ses avantages pour une utilisation en bureau d'étude.

La dynamique instable des jets tournants est étudiée, en tenant compte des variations de masse volumique au sein de l'écoulement. Un code de simulation numérique directe permettant de résoudre les équations de Navier-Stokes à masse volumique variable a été développé, en utilisant une méthode originale et efficace pour résoudre le champs de pression. Analytiquement, deux modes instables bidimensionnels ont été mis en évidence, et sont identifiés comme des modes de Couette-Taylor et de Rayleigh-Taylor, ainsi qu'un troisième mode tridimensionnel, du à un couplage de vitesse. La dynamique instable de cet écoulement résulte d'une compétition entre ces trois modes, et les simulations numériques montrent que ces modes perdurent non linéairement. Ensuite, le comportement spatio-temporel de cette instabilité est étudiée par simulation numérique directe, et il a été montré qu'il existe une transition vers des modes absolument instables, sous l'effet du rapport de densité s ainsi que du taux de rotation q. Cette dynamique est également étudiée expérimentalement au travers de plusieurs méthodes de mesures, et la présence de mode globaux auto-entretenus est mise en évidence qui sont en bon accord avec les résultats numériques. Finalement, le phénomène de l'éclatement tourbillonnaire est étudié, et montre le rôle prépondérant de la viscosité réelle. En effet, l'éclatement tourbillonnaire est un mécanisme permettant de soulager le système de l'intensification de la vorticité, au travers de la viscosité, alors qu'il n'apparaît pas en traitant les équations d'Euler tronquées. / The unstable dynamics of a swirling jet flow is studied, including density variations within the flow. A direct numerical simulation method was developed to solve variable density Navier-Stokes equations, using an accurate and efficient pressure solver. Analitically, two unstable bi-dimensionnal modes are highlighted, and are identified as Couette-Taylor and Rayleigh-Taylor modes. A three-dimensionnal mode is also highlighted, wich is created by the shear. Numerical simulations show that those modes are nonlinearly persistant. Then, the spatio-temporal instability behaviour is studied numerically, and show that the instability undergoes to a convective/absolute transition with density ratio s and rotation rate q. This dynamic is also studied experiementally through different methods, and Global selfsustained modes are highlighted wich are in ggod agreement with numerical results. Finally, the vortex breakdown phenomenon is studied, and show the crucial role of real viscosity. Indeed, the vorticity intensification is relaxed through the viscosity effect, while it is not treating the truncated Euler Equations.