L’intérêt croissant de l’industrie pour les matériaux composites thermoplastiques est motivé par leurs propriétés de thermoformabilité, de recyclabilité ainsi que leurs capacités de cadences de production élevées. Le développement de matériaux pré-imprégnés thermoplastiques, apparus dès les années 1980, s’est imposé comme un moyen efficace de contourner les fortes viscosités des polymères utilisés en réduisant la distance d’écoulement des polymères à l’état « fondu ». Cette étude s’est plus particulièrement intéressée au développement de composites à base de tissus de verre et de carbone pré-imprégnés par un latex acrylique, le TPREG I. En outre, les propriétés mécaniques élevées des matrices acryliques, alliées à un coût relativement faible, en font un matériau intéressant, de nature à permettre un saut technologique dans la conception et la fabrication de composites structuraux à matrice organique. Notre étude s’est concentrée sur la mesure de l’adhésion à l’interface fibre/matrice acrylique car cette région est au cœur du transfert de charge de la matrice vers les fibres et conditionne donc les propriétés mécaniques du composite. Nous avons choisi d’évaluer l’adhésion interfaciale en combinant des analyses de mouilllage avec des tests mécaniques aux échelles microscopique et macroscopique. Le test micromécanique de la microgoutte permet de mettre en évidence le rôle central de l’ensimage des fibres sur la contrainte de cisaillement interfaciale. L’adhésion thermodynamique, déterminé par des mesures d’énergie de surface, est en accord avec la contrainte de cisaillement et souligne l’influence de la polarité de l’ensimage. A l’échelle macroscopique, les essais de traction hors-axe sur composites unidirectionnels permettant de solliciter l’interface en cisaillement quasi-plan ont mis en exergue une corrélation entre les échelles micro et macro. L’étude a également permis de dégager une forte augmentation de l’adhésion grâce à une modification de la matrice acrylique, ainsi qu’une dégradation des propriétés interfaciales à l’échelle micro par vieillissement hydrolytique. Cette étude constitue une première base de données concernant les propriétés interfaciales de composites thermoplastiques acryliques et démontre l’importance d’une étude multi-échelles dans la conception de nouveaux composites. / The present study was initiated by the development of a new processing route, i.e. latex-dip impregnation, for thermoplastic (TP) acrylic semi-finished materials. The composites resulting from thermocompression of TPREG I plies were studied by focusing of interfacial adhesion. Indeed the fiber/matrix interface governs the stress transfer from matrix to fibers. Thus, a multi-scale analysis of acrylic matrix/fiber interfaces was conducted by considering microcomposites, as models for fiber-based composites, and unidirectional (UD)macro-composites. The study displayed various types of sized glass and carbon fibers. On one hand, the correlation between thermodynamic adhesion and practical adhesion, resulting from micromechanical testing, is discussed by highlighting the role of the physico-chemistry of the created interphase. Wetting and thermodynamical adhesion are driven by the polarity of the film former of the sizing. On the other hand, in-plane shear modulus values from off-axis tensile test results on UD composites are consistent with the quantitative analyses of the interfacial shear strength obtained from microcomposites. More specifically, both tests have enabled a differentiation of interface properties based on the fiber sizing nature for glass and carbon fiber-reinforced (micro-)composites. The study of overall mechanical and interface properties of glass and carbon fiber/acrylic composites revealed the need for tailoring interfacial adhesion. Modifications of the matrix led to successful increases of interfacial adhesion in glass fiber/acrylic composites. An additional hygrothermal ageing study evidenced a significant loss of interfacial shear strength at micro-scale which was not observed for UD composites. The results of this study are a first step towards a database of relevant interface properties of structural TP composites. Finally, the analyses of interfaces/phases at different scales demonstrate the importance of a multi-scale approach to tailor the final properties of composite parts.

This thesis deals with the dynamics of a thin liquid film falling down a heated plate. The heating yields surface tension gradients that induce thermocapillary stresses on the free surface, thus affecting the stability and the evolution of the film. Accounting for the coherence of the flow due to viscosity, two main approaches that reduce the dimensionality of the original problem are usually considered depending on the flow rate (as measured by the Reynolds number): the `long wave' asymptotic expansion for small Reynolds numbers and the `integral boundary layer' approximation for moderate Reynolds numbers. The former suffers from singularities and the latter from incorrectness of the instability threshold for the occurrence of hydrodynamic waves. Thus, the aim of this thesis is twofold: in a first part, we define quantitatively the validity of the `long wave' evolution equation (Benney equation) for the film thickness h including the thermocapillary effect; and in a second part, we improve the `integral boundary layer' approach by combining a gradient expansion to a weighted residual method. In the first part, we further investigate the Benney equation in its validity domain in the case of periodically inhomogeneous heating in the streamwise direction. It induces steady-state deformations of the free surface with increased transfer rate in regions where the film is thinner, and also in average. The inhomogeneities of the heating also modify the nature of travelling wave solutions at moderate temperature gradients and allows for suppressing wave motion at larger ones. Moreover, large temperature gradients (for instance positive ones) in the streamwise direction produce large local film thickening that may in turn become unstable with respect to transverse disturbances such that the flow may organize in rivulet-like structures. The mechanism of such instability is elucidated via an energy analysis. The main features of the rivulet pattern are described experimentally and recovered by direct numerical simulations. In the second part, various models are obtained, which are valid for larger Reynolds numbers than the Benney equation and account for second-order viscous and inertial effects. We then elaborate a strategy to select the optimal model in terms of linear stability properties and existence of nonlinear solutions (solitary waves), for the widest possible range of parameters. This model -- called reduced model -- is a system of three coupled evolution equations for the local film thickness h, the local flow rate q and the surface temperature Ts. Solutions of this model indicate that the interaction of the hydrodynamic and thermocapillary modes is non-trivial, especially in the region of large-amplitude solitary waves. Finally, the three-dimensional evolution of the solutions of the reduced model in the presence of periodic forcing and noise compares favourably with available experimental data in isothermal conditions and with direct numerical simulations in non-isothermal conditions. ------------------------------------------------ Cette thèse analyse la dynamique d'un film mince s'écoulant le long d'une paroi chauffée. Le chauffage crée des gradients de tension superficielle qui induisent des tensions thermocapillaires à la surface libre, altérant ainsi la stabilité et l'évolution du film. Grâce à la cohérence de l'écoulement assurée par la viscosité, deux approches permettant de réduire la dimensionnalité du problème original sont habituellement considérées suivant le débit (mesuré par le nombre de Reynolds): l'approximation asymptotique dite `longues ondes' pour les faibles nombres de Reynolds et l'approximation `intégrale couche limite' pour les nombres de Reynolds modérés. Cependant, la première approximation souffre de singularités et la dernière de prédictions imprécises du seuil de stabilité des ondes hydrodynamiques à la surface du film. Le but de cette thèse est donc double: dans une première partie, il s'agit de déterminer, de manière quantitative, la validité de l'équation d'évolution `longues ondes' (ou équation de Benney) pour l'épaisseur du film h, en y incluant l'effet thermocapillaire; et dans une seconde partie, il s'agit d'améliorer l'approche `intégrale couche limite' en combinant un développement en gradients avec une méthode aux résidus pondérés. Dans la première partie, nous étudions l'équation de Benney, dans son domaine de validité, dans le cas d'un chauffage inhomogène et périodique dans la direction de l'écoulement. Cela induit des déformations permanentes de la surface libre avec un accroissement du transfert de chaleur dans les régions où le film est plus mince, mais aussi en moyenne. Un chauffage inhomogène modifie également la nature des solutions d'ondes progressives pour des gradients de températures modérés et conduit même à leur suppression pour des gradients de températures plus importants. De plus, ceux-ci, lorsqu'ils sont par exemple positifs le long de l'écoulement, produisent des épaississements localisés du film qui peuvent à leur tour devenir instables par rapport à des perturbations suivant la direction transverse à l'écoulement. Ce dernier s'organise alors sous forme d'une structure en rivulets. Le mécanisme de cette instabilité est élucidé via une analyse énergétique des perturbations. Les principales caractéristiques des structures en rivulets sont décrites expérimentalement et retrouvées par l'intermédiaire de simulations numériques. Dans la seconde partie, nous dérivons une famille de modèles valables pour des nombres de Reynolds plus grands que l'équation de Benney, qui prennent en compte les effets visqueux et inertiels du second ordre. Nous élaborons ensuite une stratégie pour sélectionner le modèle optimal en fonction de ses propriétés de stabilité linéaire et de l'existence de solutions non-linéaires (ondes solitaires), et ce pour la gamme de paramètres la plus large possible. Ce modèle -- appelé modèle réduit -- est un système de trois équations d'évolution couplées pour l'épaisseur locale de film h, le débit local q et la température de surface Ts. Les solutions de ce modèle indiquent que l'interaction des modes hydrodynamiques et thermocapillaires n'est pas triviale, spécialement dans le domaine des ondes solitaires de grande amplitude. Finalement, l'évolution tri-dimensionnelle des solutions du modèle réduit en présence d'un forçage périodique ou d'un bruit se compare favorablement aux données expérimentales disponibles en conditions isothermes, ainsi qu'aux simulations numériques directes en conditions non-isothermes

La génération des fréquences somme (SFG), une technique spectroscopique spécifique aux interfaces, a été utilisée pour caractériser les changements de la structure macromoléculaire du surfactant cationique chlorure de dodécyltriméthylammonium (DTAC) à l’interface silice/eau dans une plage de pH variant entre 3 et 11. Les conditions expérimentales ont été choisies pour imiter les conditions les plus communes trouvées pendant les opérations de récupération assistée du pétrole. Particulièrement, la silice a été étudiée, car elle est un des composantes des surfaces minérales des réservoirs de grès, et l’adsorption du surfactant a été étudiée avec une force ionique pertinente pour les fluides de la fracturation hydraulique. Les spectres SFG ont présenté des pics détectables avec une amplitude croissante dans la région des étirements des groupes méthylène et méthyle lorsque le pH est diminué jusqu’à 3 ou augmenté jusqu’à 11, ce qui suggère des changements de la structure des agrégats de surfactant à l’interface silice/eau à une concentration de DTAC au-delà de la concentration micellaire critique. De plus, des changements dans l’intensité SFG ont été observés pour le spectre de l’eau quand la concentration de DTAC augmente de 0,2 à 50 mM dans les conditions acide, neutre et alcaline. À pH 3, près du point de charge zéro de la surface de silice, l’excès de charge positive en raison de l’adsorption du surfactant cationique crée un champ électrostatique qui oriente les molécules d’eau à l’interface. À pH 7 et 11, ce qui sont des valeurs au-dessus du point de charge zéro de la surface de silice, le champ électrostatique négatif à l’interface silice/eau diminue par un ordre de grandeur avec l’adsorption du surfactant comme résultat de la compensation de la charge négative à la surface par la charge positive du DTAC. Les résultats SFG ont été corrélés avec des mesures de l’angle de contact et de la tension interfaciale à pH 3, 7 et 11. / Sum Frequency Generation (SFG), an interface specific spectroscopic technique, was used to characterize the changes in the macromolecular structure of the cationic surfactant dodecyltrimethylammonium chloride (DTAC) at the silica/water interface at pH values ranging from 3 to 11. The experimental conditions were selected to mimic conditions common during enhanced oil recovery operations. In particular, silica was studied since it is one of the most abundant mineral components of sandstone reservoirs, and surfactant adsorption was studied at an ionic strength (100 mM NaCl) relevant to hydraulic fracturing fluids. SFG spectra showed detectable peaks with increasing amplitude in the methylene and methyl stretching region when the pH was lowered to 3 or increased to 11, suggesting changes in the surfactant aggregate structure at the silica/water interface at a DTAC concentration above the critical micelle concentration. In addition, changes in the SFG intensity were observed for the water spectrum when increasing the DTAC concentration from 0.2 to 50 mM under acidic, neutral or alkaline conditions. At pH 3, near the point of zero charge of the silica surface, the excess positive charge due to adsorption of the cationic surfactant creates an electrostatic field that orients water molecules at the interface. At pH 7 and 11, which are above the point of zero charge of the silica surface, the negative electrostatic field at the silica/water interface decreases in magnitude with surfactant adsorption due to compensation of the negative surface charge by the positively charged DTAC. The SFG results were correlated with contact angle and interfacial tension measurements at pH 3, 7 and 11.

Ce travail de thèse est une contribution à l’étude des émulsions de Pickering qui ont vu unregain d’intérêt ces dernières années. Bien que l’effet Pickering ait été décrit depuis plus d’un siècle,des études plus systématiques pour comprendre l’activité des particules solides aux interfacesliquide/liquide n’est que partiellement entrepris, surtout en cours de déformation. Plusieurs questionsrestent d’actualité et, en premier, la localisation même des particules à l’interface et le mécanismed’adsorption associé.L’approche proposée dans ce travail de thèse s’inscrit dans cette optique avec en particulier laconsidération d’un événement élémentaire d’une émulsion : une goutte isolée dans une matrice etexaminée suite à un saut de déformation en cisaillement dans un dispositif de cisaillement contrarotatifdéveloppé à PCI. De manière générique, le but est de comprendre la relation entre le comportement dela goutte et la rhéologie complexe (en volume ou en surface) apportée par la dynamique de particulessolides aux interfaces liquide/liquide mobiles. Plusieurs paramètres ont été étudiés en commençant parl’affinité chimique des particules solides avec les phases liquides, la rhéologie des phases liquides, laconcentration et la taille des particules solides ; et pour finir, une attention particulière a été portée àl'effet de la déformation macroscopique et l’âge de la goutte.Plus particulièrement, la mise en évidence de la synergie entre la déformation macroscopiqueet l’âge de la goutte, sur la dynamique d’adsorption des particules à l’interface liquide/liquide et lastructuration de l’interface composée, a permis de proposer une méthodologie pour la modulation de« l’effet mémoire induite par la déformation » lors de la relaxation de la goutte en modifiant lasurface des particules par adsorption de tensioactifs choisis. Ainsi, il a été possible de figer les gouttesliquides dans des formes anisotropes contrôlées. Ce phénomène a été corrélé à une transition liquidesolidede l’interface composée mise en évidence par des mesures des modules rhéologiquesinterfaciaux. Ces derniers ont été, par ailleurs, reliés quantitativement à l’anisotropie des gouttesfigées. / This thesis is a contribution to the study of Pickering emulsions that have seen a renewedinterest in recent years. Although the effect Pickering has been described for over a century, moresystematic studies to understand the activity of solid particles at liquid/liquid interfaces is onlypartially undertaken, especially during flow. Several issues are still relevant and, in particular, thelocation of particles at the interface and the involved adsorption mechanism.The approach proposed in this thesis is to consider an elementary event of an emulsion: asingle droplet in a matrix undergoing a strain jump in a shear flow. This experiment was performed ina counter-rotating shear device developed at PCI. Generically, the aim is to understand the relationshipbetween the behavior of the droplet and the bulk and interfacial rheology induced by the dynamics ofsolid particles at a liquid/liquid interfaces. Several parameters were studied starting with the chemicalaffinity of solid particles with the liquid phases, the rheology of the liquid phases, the concentrationand the size of solid particles, and finally, special attention was paid to the effect of macroscopicdeformation and the age of the interface.More specifically, the demonstration of synergy between the macroscopic strain and the age ofthe interface, the dynamic adsorption of particles at the liquid/liquid interface and the structure of theinterface, allowed to propose a methodology for the modulation of the "memory effect induced by thedeformation" during the relaxation of the droplet by changing the particle surface using the adsorptionof a selected surfactants. Thus, it was possible to freeze the liquid drops in a controlled anisotropicshapes. This phenomenon was correlated to a liquid-solid transition of the interface demonstrated byrheological measurements of the interfacial moduli. These were, moreover, quantitatively related tothe anisotropy of frozen droplets.

Les alliages de titane α/β ont beaucoup d’applications dans des domaines industriels divers comme l’aéronautique. Le phénomène de globularisation qui se produit lors de traitements thermomécaniques est un phénomène important dans la mesure où une microstructure globulaire présente une tenue mécanique et une ductilité accrues.Les microstructures lamellaires sont constituées de colonies de lamelles de phase α parallèles qui se développent dans les grains β au cours de leur refroidissement. La globularisation se fait en deux étapes : les lamelles se subdivisent d’abord en segments plus courts, puis ces segments globularisent, au cours de la déformation à chaud et des traitements thermiques. La subdivision des lamelles se fait au niveau des sous-joints formés au cours de la déformation à chaud. Lors de traitements thermiques prolongés, les plus gros globules de phase α grossissent au détriment des plus petits. La formation des sous-joints et le grossissement des globules n’ont pas été étudiés en détail dans ce travail. L’accent a été mis sur les mécanismes de migration des interfaces α/β et α/α qui conduisent à la subdivision des lamelles et à leur globularisation.Des essais de compression à chaud et des traitements thermiques appliqués à des échantillons de Ti-6Al-4V ont permis de confirmer que l’épaisseur des lamelles et de leur orientation sont des facteurs importants pour la globularisation. Les lamelles plus fines et celles orientées parallèlement à l’axe de compression globularisent plus facilement. Ce travail expérimental a permis de mieux appréhender la complexité du phénomène de globularisation et d’introduire un cadre numérique adapté pour sa simulation. Une méthode à champ complet, basée sur la méthode Level-Set dans un cadre Eléments Finis, a ainsi été testée pour simuler les mécanismes physiques de migration interfaciale menant à la subdivision des lamelles et à l'évolution vers une forme globulaire. Les premiers résultats sont très prometteurs et illustrent le potentiel du cadre numérique proposé. / Α/β titanium alloys have many industrial applications in various fields such as aeronautics. Spheroidization is a phenomenon that occurs in initially lamellar α/β titanium alloys during thermomechanical processing and receives considerable attention as spheroidized microstructures exhibit enhanced strength and ductility.Lamellar microstructures are made of colonies of parallel α lamellae developed inside β grains while they are cooled down. Spheroidization actually proceeds in two successive steps: the lamellae first split into smaller α laths, which subsequently undergo spheroidization. This occurs during hot-deformation and subsequent annealing. Lamella splitting occurs where subboundaries were formed inside lamellae during hot-deformation. Over long term annealing the spheroidized α phase particles undergo coarsening. The formation of subboundaries and coarsening were not addressed in this work. The focus has been placed on the interfacial kinetics mechanisms leading α lamellae splitting during the first stages of spheroidization.Hot compression tests and subsequent annealings carried out on Ti-6Al-4V samples confirmed that the thickness and the orientation of the lamellae are important factors with regards to spheroidization. Thinner lamellae and lamellae oriented parallel to the compression axis spheroidize faster. Those experiments contributed to a better understanding of the phenomenon and allowed to introduce a suitable numerical framework to simulate the early stages of spheroidization. A full field method in a Finite Element/ Level Set framework has thus been tested for simulating the involved physical mechanisms of interface migration that lead to lamellae splitting and the subsequent shape evolution of the α laths towards a spheroidal shape. First results are promising and illustrate the potential of this numerical framework

Les colonnes à bulles sont utilisées en minéralurgie et en traitement des eaux pour capturer différents types de particules. Leur capacité d’échange bénéficie aujourd’hui d’un regain d’intérêt pour assurer la production de micro-algues destinées à un usage médicinal, alimentaire, ou énergétique : les concentrations d’oxygène et de dioxyde de carbone peuvent être contrôlées grâce à la considérable aire interfaciale gaz-liquide dans la colonne à bulles. Une étude expérimentale en boucle fermée a été menée pour simuler le passage du gaz dans une succession de colonnes en série. Le modèle théorique associé confirme le rôle critique du diamètre des bulles lors du transfert de masse. Un générateur de micro-bulles (MBG) innovant a été conçu et testé. Le prototype est capable de produire des micro-bulles d’un diamètre moyen Dbubble = 0.252 mm. L’invention a été officiellement déclarée. Le dernier chapitre a pour objet l’amélioration des méthodes de traitement de Fluorescence Induite par Plan Laser (PLIF), qui permettent d’obtenir les coefficients de transfert de masse kl. La première correction présentée prend en compte les variations de l’extinction de la fluorescence due au pH pendant la calibration et a été évaluée sur une mesure de concentration de CO2 dans le sillage d’une bulle en ascension libre dans une colonne d’eau. La seconde correction proposée doit être appliquée quand la distance de la région de mesure où les variations de pH sont observées augmente. La nécessité de cette correction a été illustrée par un cas test dans le sillage d’un nuage de bulles en ascension libre dans une colonne d’eau / Bubble column are involved in many industrial fields ranging from chemical industry to mineral processing. It recently became an industrial stake for the production of micro-algae intended for medicinal use, food or energy: the oxygen and carbon dioxide concentrations can be controlled via the efficient mass transfer induced by the significant gas-liquid interfaciale area into the bubble column. Firstly, experimental closed-loop study has been carried out to simulate the passage of gas in a succession of columns in series. The associated theoretical model confirms the critical importance of the bubble diameter for mass transfer.Therefore, an innovative Micro-Bubble Generator (MBG) has been designed and tested. The prototype is able to produce micro-bubbles of average diameter Dbubble = 0.252 mm. The invention has been officially declared. The last chapter aims at improving data treatment methods for Planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF), which enables to obtain experimentally mass transfer coefficient kl through concentration measurements. The first presented correction takes into account variations of the fluorescence extinction due to pH during the calibration step, and has been evaluated on CO2 concentration measurement in the wake of a free rising bubble. The second proposed correction should be applied when the length in the measurement region over which pH variations are observed increases: variations of the extinction coefficient will affect the local incident light intensity and therefore the measurements. The need for this correction has been illustrated on a test case in the wake of a cloud of free rising bubbles

Nous proposons dans cette thèse une étude sur la stabilisation de bulles de gaz dispersées en solution aqueuse par des nanocapsules lipidiques (NCL). L’objectif est le développement d’un système de libération d’actifs pharmaceutiques provoquée par l’application d’un champ ultrasonore adéquat. Préalablement, est évaluée la potentialité des NCL à se comporter comme de vrais agents de stabilisation interfaciale air/eau. Les NCL sont capables de diminuer la tension de surface plus que le Solutol®, principal surfactif pégylé rentrant dans leur composition.La méthode d’agitation mécanique s’est révélée la mieux adaptée pour formuler des microbulles d’air stabilisées.Les microbulles générées ont une taille moyenne inférieure à 2μm avec une concentration de 2,72.1012/mL. La distribution de taille est assez homogène avec un indice de polydispersité acceptable. Le ratio d’incorporation d’air dans les bulles est de 0,17. Les microbulles sont entourées d’un film constitué principalement de Solutol® et de Lipoïd®. En dispersion aqueuse, la stabilité des bulles à température ambiante(20°C±2°C) est maintenue jusqu’à 7 jours au moins. Le fusidate sodique utilisé comme actif pharmaceutique modèle et comme traceur est encapsulé avec un taux de27-35%. Un taux de libération de 40-50% est obtenu dans des conditions normales de libération. Ce pourcentage atteint 50-55% après application d’ultrasons. / This work deals with the stabilization of gaz microbubbles dispersed in aqueous solutions by using LipidNanoCapsules (LNC). The main objective is the development of a Drug Delivery System where the release is triggered by ultrasonation. Firstly, we investigated the ability of LNC to behave as real air/water interfacial stabilization agents. It is shown that LNC can decrease the surface tension at the air/water interface more than the Solutol®, main pegylated surfactant of the LNC. Usual stirring method seems the more efficient to produce stabilized air microbubbles. Microbubbles are characterized by a mean size below 2μm and are concentrated at 2.72x1012 /mL. The size distribution ishomogeneous with a convenient polydispersity index.The gas holdup inherent to the microbubbles was estimated to 0.17. Microbubbles are surrounded by a film constituted by Solutol® and Lipoïd®. Their stability at room temperature was kept up to 7 days. Sodium Fusidate was chosen as a drug model with an encapsulation rate in a 27-35% range. The drug release upon ultrasound was between 50-55 % in comparison with 40-50 % without ultrasounds focusing.

<div>Free surface flows where the shape of the interface separating two fluids is unknown <i>apriori</i> are an important area of interest in fluid dynamics. The study of free surface flows such as the breakup and coalescence of drops, and thinning and rupture of films lends itself to a diverse range of industrial applications, such as inkjet printing, crop spraying, foam and emulsion stability, and nanolithography, and helps develop an understanding of natural phenomena such as sea spray generation in oceans, or the dynamics of tear films in our eyes. In free surface flows, singularities are commonly observed in nite time, such as when the radius of a thread goes to zero upon pinchoff or when the thickness of a film becomes zero upon rupture. Dynamics in the vicinity of singularities usually lack a length scale and exhibit self-similarity. In such cases, universal scaling laws that govern the temporal behavior of measurable physical quantities such as the thickness of a lm can be determined from asymptotic analysis and veried by high-resolution experiments and numerical simulations. These scaling laws provide deep insight into the underlying physics, and help delineate the regions of parameter space in which certain forces are dominant, while others are negligible. While the majority of previous works on singularities in free-surface flows deal with Newtonian fluids, many fluids in daily use and industry exhibit non-Newtonian rheology, such as polymer-laden, emulsion, foam, and suspension flows.</div><div><br></div><div><div>The primary goal of this thesis is to investigate the thinning and rupture of thin films of non-Newtonian fluids exhibiting deformation-rate-thinning (power-law) rheology due to attractive intermolecular van der Waals forces. This is accomplished by means of intermediate asymptotic analysis and numerical simulations which utilize a robust Arbitrary Eulerian-Lagrangian (ALE) method that employs the Galerkin/Finite-Element Method for spatial discretization. For thinning of sheets of power-law fluids, a signicant finding is the discovery of a previously undiscovered scaling regime where capillary, viscous and van der Waals forces due to attraction between the surfaces of the sheet, are in balance. For thinning of supported thin films, the breakdown of the lubrication approximation used almost exclusively in the past to study such systems, is shown to occur for films of power-law fluids through theory and conrmed by two dimensional simulations. The universality of scaling laws determined for rupture of supported films is shown by studying the impact of a bubble immersed in a power-law fluid with a solid wall.</div></div><div><br></div><div><div>Emulsions, which are ne dispersions of drops of one liquid in another immiscible liquid, are commonly encountered in a variety of industries such as food, oil and gas, pharmaceuticals, and chemicals. Stability over a specied time frame is desirable in some applications, such as the shelf life of food products, while rapid separation into its constituent phases is required in others, such as when separating out brine from crude oil. The timescale over which coalescence of two drops of the dispersed phase occurs is crucial in determining emulsion stability. The drainage of a thin film of the outer liquid that forms between the two drops is often the rate limiting step in this process. In this thesis, numerical simulations are used to decode the role played by fluid inertia in causing drop rebound, and the subsequent increase in drainage times, when two drops immersed in a second liquid are brought together due to a compressional flow imposed on the outer liquid. Additionally, the influence of the presence of insoluble surfactants at the drop interface is studied. It is shown that insoluble surfactants cause a dramatic increase in drainage times by two means, by causing drop rebound for small surfactant concentrations, and by partially immobilizing the interface for large surfactant concentrations.</div></div>

Le travail réalisé dans cette thèse concerne l'optimisation d’électrolytes organiques pour supercondensateur lithium-ion. Plusieurs solvants ont été sélectionnés pour la formulation de mélanges binaires ou ternaires additionnés de sel de lithium. Les propriétés physicochimiques et électrochimiques de ces électrolytes contenant LiTFSI ou LiPF6 (EC/DMC ; dinitrile/DMC ; EC/Ester/3DMC, EC/MiPC/3DMC) ont été caractérisées en vue de leur utilisation dans des dispositifs hybrides, l’objectif étant de satisfaire à la fois aux exigences des matériaux graphite et carbone activé. Les interactions solvant-solvant et solvant-sel des électrolytes ont été étudiées à partir des théories de Jones-Dole, Stocks-Einstein et Bjerrum appliquées aux mesures de viscosités et conductivités. Cela a permis de développer des modèles prédictifs de la conductivité dans des cas de solvants purs ou de mélanges simples. La deuxième partie de cette thèse a été dédiée à la réalisation de demi-cellules avec différentes formulations d'électrolytes à la fois sur carbone activé et sur graphite. Les interfaces électrodes/électrolytes et séparateurs/électrolytes ont été étudiées. La corrosion des collecteurs en Al en présence de LiTFSI a fait l'objet d'une étude qui a permis de dégager une solution consistant en la formulation d'un électrolyte additionné de 1% d'additifs source de fluorure tel que LiPF6. Enfin, des dispositifs complets graphite/carbone activé ont été réalisés en utilisant les différents électrolytes optimisés ce qui a permis de mettre en évidence le gain en énergie (x5) pour un tel système par rapport aux supercondensateurs symétriques classiques. / The objective of this thesis is to broaden the knowledge of electrochemical, thermo physical and thermodynamic properties of different efficient and safe organic electrolytes for Lithium-ion Capacitors (LICs). Several solvent structures have been first selected to design new electrolytes based on binary or ternary solvent mixtures. These solvents were then characterized through conductivity, viscosity and electrochemical studies, in order to assess their structure and properties relationships. Based on this investigation, best compromise between mobility and ionic concentration has been evaluated to formulate the best electrolytes. Generally, it was proved that the addition of solvents with very low viscosity provides efficient electrolytes. Based on conductivity and viscosity measurements, a theoretical study on solvent-solvent and solvent-salt interactions has been then performed using different well-known equations based on Stock-Einstein, Jones-Dole and Bjerrum theories to understand, rationalize, correlate and then predict their transport properties. The second part of the study concentrated on the characterization of selected electrolytes in an asymmetric LIC prior to developing such electrolytes in any high performance asymmetric capacitor devices. In other words, the main objective of this part is to verify the compatibility of designed electrolytes with each element, e.g. electrodes (graphite, activated carbon) and current collectors (aluminum), of a LIC device. To drive such analysis, different experimental investigations between electrodes/electrolytes and between collectors/electolytes were in fact investigated. Using this strategy, asymmetric systems LICs containing a formulated organic electrolyte were fully characterized to deter mine the electrochemical performances of the designed solution in LIC conditions and then compared with those observed using classical electrolyte currently used.

L’objectif de cette étude est de simuler l’érosion d’un sol cohésif sous l’effet d’un écoulement incompressible. Le modèle élaboré décrit une vitesse d’érosion interfaciale qui dépend de la contrainte de cisaillement de l’écoulement. La modélisation numérique proposée est une approche eulérienne, où une méthode de pénalisation de domaines est utilisée pour résoudre les équations de Navier-Stokes autour d’un obstacle. L’interface eau/sol est décrite par une fonction Level Set couplée à une loi d’érosion à seuil.L’approximation numérique est basée sur un schéma DDFV (Discrete Duality Finite Volume) autorisant des raffinements locaux sur maillages non-conformes et non-structurés. L’approche par pénalisation a mis en évidence une couche limite d'inconsistance à l'interface fluide/solide lors du calcul de la contrainte de cisaillement. Deux approches sont proposées pour estimer précisément la contrainte de ce problème à frontière libre. La pertinence du modèle à prédire l’érosion interfaciale du sol est confirmée par la présentation de plusieurs résultats de simulation, qui offrent une meilleure évaluation et compréhension des phénomènes d'érosion / This study focuses on the numerical modelling of the interfacial erosion occurring at a cohesive soil undergoing an incompressible flow process. The model assumes that the erosion velocity is driven by a fluid shear stress at the water/soil interface. The numerical modelling is based on the eulerian approach: a penalization procedure is used to compute Navier-Stokes equations around soil obstacle, with a fictitious domain method, in order to avoid body- fitted unstructured meshes. The water/soil interface’s evolution is described by a Level Set function coupled to a threshold erosion law.Because we use adaptive mesh refinement, we develop a Discrete Duality Finite Volume scheme (DDFV), which allows non-conforming and non-structured meshes. The penalization method, used to take into account a free velocity in the soil with non-body-fitted mesh, introduces an inaccurate shear stress at the interface. We propose two approaches to compute accurately the erosion velocity of this free boundary problem. The ability of the model to predict the interfacial erosion of soils is confirmed by presenting several simulations that provide better evaluation and comprehension of erosion phenomena.