Nous étudions la stabilité de l'écoulement de films superposés de fluides newtoniens ou non newtoniens sur un plan incliné. La connaissance des conditions d'apparition des instabilités dans ce type d'écoulements intéresse particulièrement le secteur industriel faisant appel à des méthodes de couchage. Il est en effet intéressant de pouvoir maîtriser le déclenchement des instabilités en vue d'éviter qu'elles ne déteriorent la qualité du produit. Nous nous sommes intéressés au cas de fluides rhéofluidifiants, dont la viscosité est décrite par la loi de Carreau. <br />La première partie est consacrée au cas d'une seule couche. Trois approches complémentaires sont exploitées : une approche asymptotique, considérant un comportement faiblement non newtonien dans la limite des grandes longueurs d'onde, une approche phénoménologique basée sur les mécanismes de l'instabilité au niveau de la surface libre et une approche numérique. Cette dernière s'appuie sur la résolution sous forme d'un problème aux valeurs propres de l'équation d'Orr–Sommerfeld généralisée par la méthode spectrale de collocation de type Tau-Tchebychev. <br />Dans une deuxième partie, nous avons étendu l'étude à deux couches et étudié l'influence sur la stabilité de l'écoulement des principaux paramètres : propriétés rhéofluidifiantes, tensions de surface, rapport des débits, densités et viscosités. L'étude de stabilité est combinée à une approche énergétique qui nous a permis d'analyser le rôle de chaque terme de l'équation de l'énergie. Nous avons montré le rôle clé joué par le cisaillement aux interfaces pour expliquer l'influence des propriétés rhéofluidifiantes sur les différentes contributions du bilan énergétique.

Les nouveaux matériaux cimentaires fluides présentent des propriétés de thixotropie, phénomène réversible de gélification (au repos) - liquéfaction (en écoulement), qu'il est nécessaire de comprendre et de caractériser. Des essais croisés de rhéométrie globale (rhéomètre classique) et locale (vélocimétrie IRM) permettent d'obtenir le comportement complet en régime permanent et transitoire d'une pâte de ciment blanc. En particulier nous mettons en évidence une bifurcation de viscosité, traduisant un changement brutal de comportement en dessous d'une contrainte et d'un gradient de cisaillement critique. Un modèle simple, basé sur ces observations, permet de retrouver les propriétés observées. Son application à des essais d'écoulements sur plan incliné montre que cette configuration peut s'avérer un moyen simple de caractérisation pratique de la thixotropie.

Le couchage rideau est un procédé d'enduction sans contact qui permet un couchage " contour " d'une feuille de papier dont le point clé est la stabilité du rideau. Ce procédé semble devoir se développer dans les années à venir pour la production de papiers impression-écriture et de papiers et cartons d'emballages. Néanmoins, il existe aujourd'hui un écart important entre la stabilité théorique du rideau et les observations. Nous avons donc analysé par CFD l'écoulement interne dans un dispositif de couchage pilote avec différents fluides Newtoniens et Non-Newtoniens ainsi que l'écoulement externe sur le plan incliné de l'appareil. L'étude de l'écoulement interne par CFD a permis de faire ressortir la cause de vortex pouvant apparaître dans le dispositif. Pour avoir un écoulement sans vortex, le nombre de Reynolds à l'entrée doit être inférieur à une valeur critique égale à 20 pour la géométrie étudiée quel que soit le fluide utilisé. De plus la présence d'une seconde cavité permet de filtrer les perturbations pour des fluides peu rhéofluidifiants, ce qui est le cas des sauces de couchages pour des papiers WFC. Ces résultats ont été validés expérimentalement à l'aide de traceurs et de PIV en utilisant une réplique exacte en Plexiglas de la coucheuse rideau. Enfin en ce qui concerne l'étude de l'écoulement externe sur le plan incliné, l'utilisation de la CFD a permis de conclure que, pour les dispositifs de couchage utilisés et les conditions opératoires de nos industries, certains problèmes présentés dans la littérature ne devraient pas exister.

Nous étudions dans ce travail expérimental les lois d'écoulement de suspensions granulaires. Pour cela, nous utilisons une suspension modèle isodense, non-Brownienne et monodisperse, constituée de sphères dans une huile de silicone et dont la fraction de grains $\phi$ est variée entre 30 et 61%. Le comportement de cette suspension est caractérisé via deux expériences originales : l'écoulement sous cisaillement sur plan incliné et l'écoulement en élongation lors du détachement de gouttes. Nous montrons que le plan incliné permet d'explorer le passage continu des lois d'écoulement d'un régime de type fluide visqueux (couches épaisses) à un régime "pseudo-granulaire" (couche fine). Nous mettons en évidence une longueur mésoscopique qui sépare les deux régimes et diverge quand la fraction s'approche de la transition de blocage. De plus, nous montrons que la rhéologie des suspensions isodenses est quasi-newtonienne, c'est-à-dire sans seuil, mais que la viscosité peut dépendre de la hauteur de la couche. La migration de particules pouvant être négligée, ce dispositif permet, contrairement à un rhéomètre "classique", de mesurer directement la viscosité de la suspension jusqu'à des fractions de 61%. Dans le cas du détachement de gouttes, nous ne mesurons pas de viscosité élongationnelle plus importante que dans le cas d'un fluide newtonien. En revanche, le détachement final est accéléré par la présence des grains et est indépendant de la concentration de la suspension, mais dépendant de la taille des grains.

Résumé : Afin de contribuer dans la réponse latérale des pieux sous sollicitations latérales et notamment prendre en compte des plusieurs paramètres en relation avec les pieux (matériau, diamètre, rigidité, inclinaison) et le sol (nature, rigidité), des analyses numériques en différences finies 2D et 3D ont été réalisées en considérant des pieux chargés latéralement et ancrés dans des sols sableux, argileux et même sableux-argileux. Des modèles numériques simulés avec les codes en différences finies FLAC pour l’analyse 2D et FLAC[indice supérieur 3D] pour l’analyse 3D ont été inspirés des modèles de pieux réduits et en vraie grandeur, faisant l’objet de publications. Des enregistrements du déplacement latéral ou/et de la capacité latérale ou/et du moment fléchissant des pieux considérés ont été pris lors de ces essais. Ces modèles numériques ont été validés à travers diverses comparaisons entre les mesures, les calculs de FLAC et/ou FLAC3D et dans des cas les calculs d’autres méthodes utilisées dans la pratique. Une comparaison entre l’analyse 2D et l’analyse 3D de la réponse latérale d’un pieu rigide chargé latéralement dans un sol cohérent, a été réalisée dans le but de connaître les limites de l’analyse 2D et la possibilité de corréler ses résultats à ceux de l’analyse 3D. L’influence de la charge verticale sur la réponse latérale (capacité latérale et moment fléchissant maximal) d’un pieu en béton, chargé latéralement dans des sols sableux et argileux, a été étudiée avec une analyse numérique 3D. Il a été démontré que pour le cas des sols sableux, la charge verticale n’a pas un effet considérable sur la réponse latérale des pieux soumis à des charges latérales. Par contre, la charge verticale conduit à une diminution significative de la capacité latérale des pieux dans des sols argileux. Il est également constaté que l'influence des charges verticales sur la réponse latérale du pieu installé dans une argile surconsolidée avec une résistance au cisaillement non drainée proportionnelle à la profondeur et un OCR variant de 1,5 à 4,0 est très différent de celle correspondante à une résistance au cisaillement non drainée constante quelle que soit la valeur d’OCR. Des analyses 3D ont été, également, effectuées pour étudier la réponse latérale de pieux inclinés et chargés latéralement. La capacité latérale des pieux inclinés dans les sols sableux est considérablement augmentée avec l’augmentation de la valeur de l’inclinaison du pieu correspondante à la direction opposée à la direction de la charge latérale, et la densité du sable. Mais lorsque la direction de l’inclinaison du pieu et la même que celle correspondante à la charge latérale, cette capacité latérale est légèrement à modérément augmentée tout dépendamment de la valeur et le signe de l'angle ainsi que de la densité du sable. L’influence de l’angle d’inclinaison associé avec la charge verticale sur la capacité latérale de pieux inclinés est aussi très importante pour les sols sableux. Pour les sols argileux, l'influence de l'angle d’inclinaison sur la capacité latérale dépend seulement de l'angle d’inclinaison. En effet, la capacité latérale est modérément augmentée. Par contre, L'effet combiné de l’angle et la charge verticale est assez important. // Abstract : This thesis pertains to numerical analyses conducted primarily to evaluate the lateral response of piles and the contribution of several parameters related to piles (e.g., material, diameter, stiffness, inclination) and the soil (e.g., type, rigidity). Numerical finite differences analysis in 2D and 3D have been performed modelizing laterally loaded piles in sandy, clayey, and even sandy-clayey soils. Numerical models, simulated with finite difference codes FLAC for analysis in 2D and FLAC[superscript 3D] for 3D analysis, were inspired from experimental laboratory and full scale models available in literature. Measurements of lateral deflection and/or lateral capacity and/or bending moment of tested piles were recorded during these tests. These numerical models have been validated through comparison between the various measurements, predictions with FLAC and/or FLAC3D and for some cases the calculations with other methods used in practice. Comparison between 2D and 3D analyses of the response of laterally loaded rigid piles in cohesive soils, was performed in order to investigate the 2D analysis limitations and the possibility of correlating the 2D results with those of 3D analysis. A series of 3D finite differences analyses is also conducted to evaluate the influence of vertical loads on the lateral response of pile foundations. Numerical results have shown that the lateral resistance of the piles does not appear to vary considerably with the vertical load in sandy soil especially at loosest stat. However, vertical load leads to a significant decrease in lateral capacity of piles in homogeneous and inhomogeneous clay layers. It is also found that the influence of vertical loads on the lateral response of pile installed in over-consolidated clay with undrained strength proportional to depth and different OCR in the range of 1.5 to 4.0 is quite different from that with constant undrained strength regardless the adopted OCR value. The 3D finite difference analyses have been, also, carried out to investigate the lateral response of battered piles. The lateral capacity of the battered piles in sandy soils is considerably increased when the value of pile inclination corresponding to the opposite direction of the lateral load increases and when the sand density increases. But in the case of pile inclination corresponding to the same direction of the lateral load, the lateral capacity is slightly increased regardless to the adopted value of batter angle and the sand density. In clayey soil, it was found that the influence of the batter angle on the lateral capacity of piles depends only on the batter angle and not on the clay rigidity. For the case of pile inclination corresponding to the opposite direction of the lateral load, the lateral capacity is moderately increased and for the other case of inclination, the effects are not significant. The influence of both batter angle and vertical load on lateral capacity of battered pile in clayey soils is moderately pronounced.

Cette thèse est consacrée aux écoulements de grains secs en régime dense. Nous nous restreigons aux géométries de cisaillement simple, sur plan incliné ou en conduite verticale, autorisant l'étude d'écoulement stationnaires et uniformes. Nous mesurons les grandeurs permettant de discuter la loi de comportement : profils de vitesse, de compacité, et distribution des forces de contact.<br />En conduite verticale, le profil de vitesse est mesuré à la paroi par imagerie rapide, et à l'intérieur de l'écoulement par imagerie par résonnance magnétique nucléaire. On met en évidence la localisation du cisaillement près des parois, et l'invariance de la forme du profil de vitesse avec le débit, signe d'un régime d'écoulement quasi-statique. On a aussi étudié l'influence de la rugosité sur le profil des vitesses, et montré le caractère intermittent de ce type d'écoulement.<br />Sur le plan incliné, la simulation numérique discrète (méthode de dynamique des contacts) permet d'étudier des écoulements d'assemblées de disques polydisperses frottants et complètement inélastiques. Nous avons mis en évidence la plage des écoulements stationnaires et uniformes, limité par une épaisseur d'arrêt dépendant de l'inclinaison. Nous avons observé un profil de compacité constante, avec une décroissance de la compacité moyenne lorsque l'inclinaison augmente. Le profil de vitesse est convexe, et montre une zone d'influence du socle sur les dix premières couches et une zone centrale en accord avec la prédiction du modèle de Bagnold. La vitesse moyenne suit une loi d'échelle en accord avec l'observation de Pouliquen. L'étude du réseau de contact met en évidence des anisotropies importantes ainsi qu'une statistique étalée des forces de contacts. Enfin nous avons montré que le tenseur des contraintes se restreint essentiellement à la contribution des forces de contacts, et que la pression est isotrope.<br />Ces observations conduisent à une discussion du rôle relatif des collisions, du frottement, de la compacité, du socle et du réseau de contacts, et une comparaison qualitative des prédictions de plusieurs modèles rhéologiques est proposée. L'analyse micromécanique des problèmes couplés de frottement et rotation permet de comprendre la rotation moyenne des grains, et la réduction notable du frottement effectif entre grains.

Pour comprendre les mécanismes de déstabilisation, d'arrêt et de coexistence des phases statiques (solide) et coulantes (liquide), nous réalisons expériences et simulations numériques d'empilements granulaires modèles. Trois sujets ont été abordés au cours de cette thèse.<br />L'étude expérimentale de la transition d arrêt d'un empilement après un écoulement de surface met en évidence l'existence de relaxations de durée bien supérieure au temps de relaxation d'un grain sous l'action de son poids. Celle-ci est constituée de phases de relaxation et de réactivations liées à des déplacements corrélés des grains, prises en compte dans un modèle statistique.<br />L'étude numérique d'un empilement incliné en deçà de l'angle d'avalanche met en évidence l'influence du domaine métastable –au-delà de l'angle de repos– sur ses propriétés hystérétiques au cours de cycles quasi-statiques. Le réseau des contacts faibles est très affecté par le passage dans le domaine métastable. Les corrélations entre micro-structure, contrainte et déformation sont discutées.<br />Enfin, l'expérience d'un écoulement non confiné sur plan incliné permet d'étudier la loi d'écoulement dans le cas de la coexistence solide-liquide. Les caractéristiques s´electionnées par l'écoulement (épaisseur, largeur, vitesse) évoluent lentement avec le temps. La prise en compte de l'existence d'une couche basale statique permet de retrouver la corrélation entre épaisseur coulante et vitesse, comme pour un écoulement confiné, et de prédire la morphologie des dépôts (présence ou non de levées).

Cette thèse présente une étude expérimentale visant à caractériser les propriétés hydrauliquesd'écoulements à surface libre de fluides complexes: fluides viscoplastiques et mélangesfluides viscoplastiques-grains. Ce travail est motivé par la nécessité d'améliorer lesconnaissances sur les propriétés des écoulements de laves torrentielles, dans un contexte deprotection contre les risques naturels en montagne. Nous avons développé un dispositif delaboratoire original, un canal à fond mobile, permettant de générer des coulées gravitaires quisont globalement stationnaires dans le référentiel du laboratoire. Les coulées présentent unfront très raide, suivi à l'amont d'une zone d'épaisseur uniforme. Les fluides viscoplastiquesutilisés (carbopol et kaolin) ont été choisis de manière à modéliser la matrice des couléesboueuses naturelles en prenant en compte les critères de similitude adaptés. Ces fluidessuivent une loi de comportement de Herschel-Bulkley, et leurs propriétés rhéologiques ont étédéterminées au moyen d'un rhéomètre de laboratoire en accordant un soin particulier àl'établissement des incertitudes associées. Nous présentons des mesures précises de l'évolutionde l'épaisseur des coulées dans la zone uniforme en fonction de la vitesse du fond du canal etde la pente. Ces résultats sont comparés à des prédictions théoriques correspondant à unécoulement permanent et uniforme d'un fluide de Herschel-Bulkley, et nous montrons quel'accord est satisfaisant moyennant les incertitudes sur les mesures rhéologiques. Nous avonségalement analysé la forme du front des coulées et, là-aussi, l'accord avec des modèleshydrauliques (modèles de type Saint-Venant) est bon. Ces deux études permettent de validerles prédictions hydrauliques obtenues à partir de lois de comportement mesurées aurhéomètre. Enfin, dans une dernière partie, nous présentons une étude préliminaire de ladynamique de particules rigides isolées placées au sein de la coulée, en nous intéressant auxvitesses longitudinales et aux vitesses de chute pour différentes tailles et différentes densitésde particules.

Nous nous intéressons à l'écoulement de milieux granulaires cohésifs soumis à des vibrations horizontales en vue d'une application au remplissage des moules de presse. L'effet des vibrations est analysé pour un grain ou un milieu granulaire déposé sur un plan incliné et un milieu granulaire contenu dans une conduite verticale de section constante. Pour un grain polyédrique, trois régimes sont identifiés : stick, stick-slip et slip. Un modèle basé sur le bilan des forces appliquées à un grain a permis de préciser les limites de ces trois domaines. La vitesse des grains tend vers une asymptote lorsque l'inclinaison est inférieure à 0,7 fois l'angle de frottement entre les grains et le plan. Par ailleurs, l'inertie du grain conduit à une réduction de l'amplitude de son oscillation lorsque l'accélération augmente. La comparaison modèle-expérience permet d'estimer le coefficient de frottement. Pour un milieu granulaire de faible épaisseur, nous retrouvons les mêmes tendances. Les milieux granulaires épais sont le lieu de forts cisaillements provoquant leur étalement très rapide. En conduite verticale, une compétition s'établit entre les déplacements horizontal et vertical des particules. Selon l'inertie, les vibrations appliquées pourront conduire soit à une dilatance soit à une compaction. Cette dernière provient du déplacement de la conduite et du milieu granulaire en sens opposé pendant une partie d'une période de vibration. Si le phénomène de compaction atteint le centre de la conduite, il se forme des arches qui bloquent l'écoulement. Les observations faites à l'échelle mésoscopique permettent d'interpréter les vitesses d'écoulement mesurées à l'échelle macroscopique. / With the target to improve the feeding step during the moulding process, we study the flow of cohesive granular matter submitted to vibration. Vibration effects are first analyzed on the sliding motion of a single particle on inclined plane and also on granular matter sample deposited on an inclined plane or in a vertical funnel. For a single particle, three regimes are identified: stick, stick-slip and slip regimes. A simple model based on the movement equation of one grain allows to determinate the limits between the three regimes. The grain velocity reaches asymptote when the plane inclination is below 0.7 times the friction angle between the grain and the substrate. Otherwise, when the acceleration increases, the grain inertia leads to reduce the transverse amplitude of the grain oscillation motion. The comparison between experimental and numerical results allows to estimate a value for the friction coefficient parameter. For a granular sample, we find the same tendencies. Thick granular layers are submitted to high shear, causing a fast spreading. In vertical funnel, there is a competition between vertical and horizontal motions. Depending on granular inertia, submitted vibrations could lead to dilatancy due to the shear or lead to compaction. This compaction is due to an opposite motion direction between the sample and the funnel during one part of the period vibration. If the compaction reaches the center of the funnel, arches are formed and jammed the flow. Observations realized at mesoscopic scale allow to interpret flow velocities measured at macroscopic scale.

Le couchage rideau est un procédé d'enduction sans contact qui permet un couchage « contour » d'une feuille de papier dont le point clé est la stabilité du rideau. Ce procédé semble devoir se développer dans les années à venir pour la production de papiers impression-écriture et de papiers et cartons d'emballages. Néanmoins, il existe aujourd'hui un écart important entre la stabilité théorique du rideau et les observations. Nous avons donc analysé par CFD l'écoulement interne dans un dispositif de couchage pilote avec différents fluides Newtoniens et Non-Newtoniens ainsi que l'écoulement externe sur le plan incliné de l'appareil. L'étude de l'écoulement interne par CFD a permis de faire ressortir la cause de vortex pouvant apparaître dans le dispositif. Pour avoir un écoulement sans vortex, le nombre de Reynolds à l'entrée doit être inférieur à une valeur critique égale à 20 pour la géométrie étudiée quel que soit le fluide utilisé. De plus la présence d'une seconde cavité permet de filtrer les perturbations pour des fluides peu rhéofluidifiants, ce qui est le cas des sauces de couchages pour des papiers WFC. Ces résultats ont été validés expérimentalement à l'aide de traceurs et de PIV en utilisant une réplique exacte en Plexiglas de la coucheuse rideau. Enfin en ce qui concerne l'étude de l'écoulement externe sur le plan incliné, l'utilisation de la CFD a permis de conclure que, pour les dispositifs de couchage utilisés et les conditions opératoires de nos industries, certains problèmes présentés dans la littérature ne devraient pas exister. / Curtain coating is a contactless coating process which permits a contour coating of the paper and the key parameter of this process is a perfect stable curtain. This technology is expected to spread widely for graphic paper grades and boards in the next few years. Nevertheless, many experimental works revealed some differences between stability theory and results observed on the curtain. In this work, we performed CFD simulations both for Newtonian and Non-Newtonian fluids on the internal flow in a pilot curtain coater and on the flow down the inclined plane. The CFD study of the internal flow revealed the cause of vortex creation into the coater. To maintain vortex-free operation, the Reynolds number at the inlet must remain below a critical value whatever the fluid, which is equal to 20 with the studied geometry whatever the studied fluid. Moreover, a second cavity is useful since instabilities coming from the first cavity could be filtered for low shear-thinning fluids, which is the case of the WFC coating colours. These simulation results were validated thanks to flow visualization experiments with tracers and PIV using a transparent replica of the coater. Finally CFD simulations on the inclined plane were carried out and permitted to conclude that for the range of operating conditions used on the pilot curtain coater, some issues presented in literature should not exist industrially.