Les réacteurs chimiques impliquant une phase liquide et une phase gazeuse sont couramment utilisés dans l'industrie pétrochimique et biologique car les écoulements à bulles ont de très bonnes propriétés de transfert et de mélange. Cela permet de mêler intimement différents composés et d'optimiser les réactions chimiques. Néanmoins, les mécanismes et les phénomènes mis en jeu dans le mélange au sein d'un écoulement à bulles restent encore mal connus. Ce travail a donc consisté à identifier les différents mécanismes de mélange en écoulement à bulles pour réviser le modèle physique de transport des espèces chimiques. Afin de distinguer et séparer les différents mécanismes, le mélange d'un traceur passif a été étudié dans différentes configurations expérimentales. Premièrement, l'étude du mélange dans un écoulement à bulles fortement confiné dans une cellule de Hele-Shaw a permis de mettre en évidence le mélange par capture du traceur dans les sillages. Ce mécanisme de mélange, fortement intermittent et convectif, s'est révélé être incompatible avec un processus purement diffusif. Deuxièmement, l'étude du mélange dans un essaim de bulles homogène tridimensionnel a été entreprise. Au contraire du cas confiné, le mélange, qui est causé par l'agitation induite par les bulles dans le liquide, est bien de nature diffusive. Nous avons donc pu mesurer les coefficients de diffusion effectifs en fonction de la fraction volumique de gaz. Ces coefficients sont différents dans les directions verticale et horizontale, ce qui traduit le caractère anisotrope du mélange. De plus, ils deviennent constants au-delà d'une certaine valeur de fraction volumique. Pour finir, nous avons considéré le mélange dans un essaim inhomogène de bulles, où se développe une boucle de recirculation du liquide. Dans le cas d'une recirculation modérée, la dispersion du traceur peut être estimée en combinant le mélange résultant de l'agitation des bulles avec l'advection par le mouvement moyen du fluide. / Bubble columns are commonly used for chemical processes because of their good mixing and transfer capabilities. This work aims at understanding and modelling the mixing induced by bubbles. In order to distinguish the differents mixing mechanisms, the dispersion of a low-diffusive scalar has been investigated in various experimental configurations. The first one is a bubbly flow in a Hele-Shaw cell where the confinement prevents from the developpement of turbulence. In this case, the mixing is controlled by the capture and the transport by the bubble wakes. This mechanism, which cannot be described by an effective diffusivity, has been modelled by considering the intermittent transport of finite volumes of dye. The second configuration is a homogeneous swarm of rising bubbles where the mixing results from the dispersion by the bubble-induced turbulence. It can therefore be modelled by an anistropic effective diffusivity, which becomes independent of the gas volume fraction beyond a certain value. Finally, an inhomogenous bubbly flow, where a liquid recirculation loop is present, has been considered. In the case of a moderate inhomogeneity, shear induced-turbulence is not generated by the gradients of the mean flow and the mixing can be modelled by the sum of the bubble-induced dispersion and the advection by the mean flow.

A espectroscopia de emissão atômica de plasma induzido por laser (LIBS, do inglês Laser Induced Breakdown Spectroscopy) é uma técnica multi-elementar que tem ganhado destaque recentemente devido à sua facilidade de uso em diversas aplicações. Entretanto, o limite de detecção da técnica é alto para alguns elementos se comparada com outras técnicas (e.g. ICP). Assim, o objetivo deste trabalho é aperfeiçoar a sensibilidade de um sistema LIBS na configuração de pulso único, através da integração com a técnica de fluorescência induzida por laser (LIF). Isso é feito por meio da inserção de um laser com um comprimento de onda em uma transição ressonante do elemento cuja intensidade de emissão deseja-se ter elevada, visando a redução dos efeitos de matriz das amostras. Para este fim, foram desenvolvidos um laser de diodo contínuo de cavidade estendida e sua eletrônica de controle, almejando um sistema robusto, estável em frequência, com baixo ruído espectral e resistente a estresses mecânicos, elétricos e térmicos. Os mesmos foram integrados a um sistema LIBS para ser feita a comprovação da eficiência da técnica LIBS-LIF. / The laser-induced breakdown plasma spectroscopy (LIBS) is a multi-elemental technique that has been gainning prominence recently due to its easy usability in various applications. However, the limit of detection of this technique is high for some elements compared to other techniques (e.g. ICP). Thus, the objective of this work is to improve the sensitivity of LIBS on the single pulse configuration, through integration with the laser-induced fluorescence (LIF) technique. This is done adding a laser with a wavelength in a resonant transition of the element whose emission intensity needs to be improved, focusing on reducing the matrix effects of samples. To achieve this purpose, a continuous external cavity diode laser was developed and its control driver, aiming to create a robust system, stable in frequency, with low spectral noise and resistant to adverse mechanical, electrical and thermal stresses. Both were integrated with a LIBS system for the evaluation of the LIBS-LIF technique efficiency.

Les ondes internes de gravité jouent un rôle important dans les échanges énergétiques océaniques, en particulier par leur mécanisme d'atténuation. Il est alors crucial de déterminer et de quantifier les différents processus permettant un transfert d'énergie vers les petites échelles et aboutissant ainsi au mélange océanique. Nous avons, pour cela, étudié précisément l'un de ces mécanismes: l'Instabilité Paramétrique Sous-harmonique (PSI). Cette instabilité permet la génération de deux ondes internes, de fréquence et de vecteurs d'ondes différents, à partir d'une onde primaire, par interaction non-linéaire résonante. L'étude expérimentale de cette instabilité a ainsi permis de mettre en évidence l'importance de certains paramètres (fréquence, amplitude, largeur de faisceau) quant au développement et à la sélection des ondes secondaires. Ces paramètres influent donc sur le transfert énergétique entre les échelles. En outre notre dispositif expérimental a permis de tester les limites de la théorie développée jusqu'à présent et a conduit à l'élaboration d'un nouveau modèle validé expérimentalement et numériquement.Par ailleurs, nous avons adapté la technique de Fluorescence Induite par Laser (LIF) à des fluides continûment stratifiés afin d'effectuer des mesures simultanées de vitesse (PIV) et de densité (LIF). Cette technique permet ainsi d'étudier expérimentalement l'effet de la propagation et de la déstabilisation des ondes internes de gravité sur une stratification linéaire, et d'accéder à des grandeurs associées au mélange. / Internal waves are believed to be of primary importance as they affect energy transfer, especially their dissipation mechanism. Therefore it is crucial to identify and measure the different processes evolving a transfer to smaller scales and leading to oceanic mixing. We have chosen to focus on one of these mechanisms: the Parametric Subharmonic Instability (PSI). This instability allows the generation from a primary wave of two secondary internal waves, with different frequencies and waves vectors, by nonlinear resonant interaction. The experimental study of this instability has helped to highlight the importance of some parameters (frequency, amplitude, beam width) for the development and the selection of secondary waves. Thus these parameters affect the energy transfer between scales. Moreover, our experimental device was used to test the limits of the theory developed so far and has led to the development of a new model, which has been validated experimentally and numerically.In addition, we adapted the technique of Laser Induced Fluorescence (LIF) to continuously stratified fluids, with the aim of performing simultaneous measurements of velocity (PIV) and density (LIF). This technique allows us to study experimentally the effect of propagation and destabilization of internal gravity waves on a linear stratification, and to access to quantities related to the mixing.

Le LIF (Leukemia Inhibitory factor), une cytokine de la famille de l’Interleukine 6, permet le maintien de la pluripotence des cellules souches embryonnaires murines (CSEm) in vitro. Dans le but de comprendre les mécanismes d’action du LIF dans ce modèle d’étude, une analyse sur puces à ADN a été réalisée et a permis d’identifier trois « signatures LIF » : les gènes « Pluri » (pour Pluripotence), dont le niveau d’expression relatif chute suite au retrait de cette cytokine, et deux catégories de gènes « Lifind » (pour LIF induit) dont le niveau d’expression relatif augmente suite à un ajout de LIF après une culture de 24 ou 48 heures sans cette cytokine. Nous avons mis au point des tests fonctionnels permettant d’étudier la fonction des gènes cibles du LIF dans notre modèle d’étude. Ainsi, nous avons mis en évidence le rôle d’un gène « Pluri », Mras/Rras3, une petite GTPase de la famille Ras, dans la régulation de l’expression d’une part de marqueurs de pluripotence, tels que Oct4 et Nanog et d’autre part de marqueurs de différenciation, tels que Lef1 et Fgf5. / LIF (Leukemia Inhibitory factor), a cytokine Interleukin 6 family, allows maintaining the pluripotency of murine embryonic stem cells (mESC) in vitro. To understand the mechanisms of action of the LIF in this model, a microarray analysis was conducted and identified three « signatures LIF » : the « Pluri » (for Pluripotency) genes, whose the relative level of expression falls following the withdrawal of this cytokine, and two classes of « Lifind » (for LIF induced) genes, whose the relative expression level increases as a result of LIF addition after a culture of 24 or 48 hours without this cytokine. We have developed functional tests to study the function of the target genes of LIF in our study model. Thus, we have investigated the role of a « Pluri » gene, Mras/Rras3, a small GTPase of the Ras family, in the regulation of the expression on the one hand of markers of pluripotency, such as Oct4 and Nanog, and on the other hand of differentiation markers, such as Lef1 and Fgf5.

Cette thèse porte sur la méthode de Fluorescence Induite par Laser (LIF) à haute cadence développée sur deux atomes métalliques (Al et Fe) utilisés comme traceurs fluorescents dans les flammes de propergols solides où ils sont naturellement présents. Deux expériences d’évaporation de l’aluminium sont mises en œuvre pour mettre au point la technique dans des conditions contrôlées sur une large gamme de pressions et températures. Un modèle théorique du processus de fluorescence appliqué à ces deux atomes est élaboré pour calculer les taux de quenching du signal avec la pression et la température. Les données collisionnelles qui sont inconnues sont prédéterminées théoriquement pour Fe et expérimentalement pour Al. Les coefficients de transferts d’énergie et d’élargissements spectraux par collisions de l’atome Al sont déterminés expérimentalement en environnement d’azote pur. Une étude du comportement du signal de Al avec l’énergie laser est effectuée pour mesurer les seuils de saturation avec les gaz N₂, Ar et He en fonction de la pression. Le modèle permet de reproduire correctement les profils temporels et spectraux avec toutefois des approximations et des limitations qui sont explicitées. Une première application de l’imagerie LIF sur Al dans une flamme de propergol solide aluminisé (10 bar et 3000 K) permet de visualiser des gouttes d’aluminium réactives et observer leur évolution dans la flamme. / During the PhD thesis, high-speed laser induced fluorescence (LIF) of two metallic atoms (Al and Fe) is presented, in order to use them as fluorescent markers in solid propellant flames, where they are naturally present. LIF measurements are first performed inside two different evaporation chambers used to generate aluminum vapors in controlled conditions over a broad pressure and temperature range. A theoretical model of the LIF process is elaborated and applied to both atoms in order to calculate the signal quenching rate as a function of pressure and temperature. Unavailable collisional data are determined theoretically for Fe and experimentally for Al. Energy transfer and collisional broadening coefficients are determined experimentally for the Al atom in pure nitrogen environment. Study of the signal level of Al as a function of laser intensity is undertaken to measure saturation thresholds in N₂, He and Ar as a function of pressure. The model is used to properly reproduce the temporal and spectral profiles, though some approximations and limitations remain. A first application of high-speed LIF imaging to the measurement of aluminum in a solid propellant flame (10 bar , 3000 K) is demonstrated. It allows us to clearly visualize reactive aluminum droplets in the flame and to follow their evolution in the flame.

In introduction this graduation theses discource about phase diagrams and thein fission. Next part is about concrete phase diagrams NaF – KF, NaF – LiF, KF – LiF. Their determination trough use of cooling surves and their specification trough use of numerical method. Conclusion contains proposal of method for concrete phase diagram of NaF – KF – LiF.

Dans le cadre de cette thèse, une technique de diagnostic optique a été développée pour mesurer simultanément l’évaporation différentielle, la distribution de température, et la concentration massique de fuel dans un jet multi-composant. Cette technique a été examinée dans les conditions d’un moteurs essence. La technique de mesure est basée sur l’utilisation des deux traceurs excités par une seule longueur d’onde.Pour pouvoir examiner l’évaporation différentielle d’un carburant multi-composant, deux traceurs ont été sélectionnés : le p-difluorobenzène et le 1-methylnaphtalène. Ces traceurs reproduisent deux types de volatilité : faible et moyenne à élevée. Les traceurs choisis fluorescent dans deux régions spectrales distinctes ce qui rend l’application de cette technique possible. Une étude photophysique a été menée pour caractériser les deux traceurs, indépendamment puis en mélange, pour différentes conditions de pression, température, et composition du bain gazeux. L’étude photophysique est essentielle pour pouvoir mesurer quantitativement l’évaporation différentielle. Les résultats photophysiques montrent que le spectre du 1-methylnaphthalène est sensible à la température. Cette caractéristique permet de mesurer la distribution en température dans le jet.Les essais ont été réalisés dans une cellule haute pression / haute température, ca-pable de simuler les conditions d’un moteur thermique. Des sprays générés par un injecteur ECN Spray G et un piézo-électrique d’une ouverture annulaire ont été étudiés. Des mesures initiales ont été menées avec chaque traceur pour pouvoir fixer la proportion de mélange des traceurs. La précision de la méthode de mesure a été calculée suivant une configuration de filtres identiques. Ensuite, les champs de tempé-rature calculés par la LIF et ceux déterminés depuis les champs de concentration massique, ont été comparés. Les résultats démontrent que la température est homo-gène ce qui signifie que les mesures d’évaporation différentielle n’ont pas influencé par la distribution de température dans le jet.Les images obtenues en détectant les signaux depuis le mélange de traceurs ont permis de localiser l’évaporation différentielle. Une variation en distribution spatiale des composants est observée 550–600 K. Cet effet disparaît en augmentant la température, ce qui explique que l’évaporation est plus rapide à haute température. La localisation de l’évaporation différentielle varie avec le type d’injecteur. La géométrie du nez ainsi que la structure du jet a donc un impact sur la formation du mélange. / A non-intrusive quantitative laser-induced fluorescence (LIF) technique capable of simultaneously measuring preferential evaporation, temperature distribution, and fuel-mass concentration across a multi-component vaporized spray has been developed and investigated under engine-relevant conditions. The measurement technique is based on two-tracer LIF with single wavelength excitation.To assess preferential evaporation, a tracer pair with suitable co-evaporation and spectral properties was selected based on vapor-liquid equilibrium calculations repre-sentative for gasoline fuels. Evaporation studies have shown that one tracer (p-difluoro-benzene) co-evaporates with the high-to-medium-volatility end of the multi-component fuel while the other (1-methylnaphthalene) co-evaporates with the low-volatility end. For quantitative measurements the photophysical properties of both tracers (each tracer separately and the combined tracers) were determined under a wide range of pressure, temperature, and bath-gas composition conditions. 1-methylnaphthalene LIF shows a strong red-shift with temperature which enables measurements of the temperature distribution across the spray.Spray evaporation and vapor mixing experiments were performed in a high-pressure high-temperature vessel capable of simulating in-cylinder conditions. An ECN Spray-G and a piezo-electric outward opening injector were used in this study. Initial measure-ments were carried out with each tracer added separately to the fuel to assess signal cross-talk and to determine the best tracer concentrations. Once the proportions were determined, accuracy and precision of the method were determined from the LIF-signal ratio of spray images within identical spectral bands. Temperature fields, obtained by two-color 1-methylnaphthalene LIF and derived from fuel concentration maps based on the assumption of adiabatic evaporation, were examined for inhomogeneities in the area of interest since fluctuations potentially influence the two-color method. It was shown that the temperature is homogeneous in the measurement volume.To localize preferential evaporation, two-color two-tracer LIF images were evaluated. Taking into account the measurement accuracy and precision, variations in the spatial distribution of the fuel volatility classes were observed for 550–600 K. At higher tem-peratures, the effect is less pronounced, which is consistent with the fact that evapora-tion is faster. The localization of preferential evaporation varied with each injector used indicating the impact of injector nozzle geometry and jet structure on mixture formation. / Eine berührungsfreies quantitatives Verfahren auf Basis von laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) wurde entwickelt, um simultan präferenzielle Verdampfung, Temperaturverteilung und Kraftstoffkonzentration im verdampften Bereich eines Mehrkomponenten-Kraftstoffsprays unter motorrelevanten Bedingungen zu messen. Verfahren beruht auf Zwei-tracer-LIF mit Anregungmit einem Laser.Es wurde ein Tracer-Paar mit geeigneten Verdampfungs- und spektralen Eigenschaften auf Basis von Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsrechnungen für Otto-Kraftstoffe ausgewählt. Verdampfungsmessungen haben gezeigt, dass ein Tracer (p-Difluorbenzol) gleichzeitig mit dem mittel- und höherflüchtigen Siedeklassen verdampft, während der andere (1-Methylnaphthalin) den schwerflüchtigen Komponentenfolgt. Für quantitative Messungen wurden die photophysikalischen Eigenschaften beider Tracer (einzeln und als Kombination) in einem weiten Bereich von Druck, Temperatur und Gaszusammensetzung bestimmt. 1-Methylnaphthalin-LIF zeigt eine starke Rotverschiebung mit der Temperatur, die Messungen der Temperaturverteilung ermöglicht. Es wurde ein Tracer-Paar mit geeigneten Verdampfungs- und spektralen Eigenschaften auf Basis von Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtsrechnungen für Otto-Kraftstoffe ausgewählt. Verdampfungsmessungen haben gezeigt, dass ein Tracer (p-Difluorbenzol) gleichzeitig mit dem mittel- und höherflüchtigen Siedeklassen verdampft, während der andere (1-Methylnaphthalin) den schwerflüchtigen Komponentenfolgt. Für quantitative Messungen wurden die photophysikalischen Eigenschaften beider Tracer (einzeln und als Kombination) in einem weiten Bereich von Druck, Temperatur und Gaszusammensetzung bestimmt. 1-Methylnaphthalin-LIF zeigt eine starke Rotverschiebungmit der Temperatur, die Messungen der Temperaturverteilung ermöglicht.

Gasoline Partially Premixed Combustion (PPC) was investigated in a single cylinder optical diesel engine. The PPC operation was achieved with a combination of high dilution and higher intake charge temperature at part-load conditions using Primary Reference Fuel (PRF). The relative air/fuel ratio (λ) was set to 2.3 and the EGR rate at 22%. Split injections of three fuel distribution strategies (50:50, 70:30 and 30:70) were studied. In addition, the effect of injection pressure (900 and 1200 bar) was investigated for each injection timing. The emission and performance of the gasoline PPC operations were then compared with those of the baseline diesel combustion operation. Based on the thermodynamic analysis of the engine performance, detailed in-cylinder studies were carried out by means of optical techniques. The high speed imaging technique was employed to observe the fuel spray development and combustion processes. A simultaneous Mie-LIF technique was then developed and utilized for the visualization of fuel liquid and vapour formation.

Negatively buoyant jets are turbulent flows that are frequently employed by the desalination industry to disperse reject brines into oceanic environments. Although such brines are characterised by elevated concentrations of the same elemental components as the discharge environment contains, there is significant potential for marine ecosystem damage if this waste is not diluted properly. Numerous workers have analysed the dilution and spatial characteristics of negatively buoyant jets, but published data demonstrates notable inconsistencies. An important reason for these discrepancies is the variety of bottom-boundary conditions employed. This complicates comparison with predictions by integral models typically employed for discharge design, as these generally have not been developed with consideration to boundary interaction. In the present study, negatively buoyant jet experimental data is collected where bottom boundary distances are sufficiently large to avoid boundary influence at the point where the discharge returns to its source height (the return point). Near-field centreline dilution data is measured under still ambient conditions, for the source inclinations of 15–75°. Considerable attention is paid to experimental data quality, and all relevant issues are mitigated where possible. In order to ensure the boundary has no influence, source heights in this study range between 2.33 d F0 and 8.07 d F0. A variety of time-averaged and temporal statistics are calculated, and these statistics are compared with published experimental data and predictions by integral models. Normalised trajectory and dilution data from the source through to the return point collapses well at each inclination. The attention to signal quality and the self-consistency of derived experimental results in this study suggest a high level of accuracy, and large distances to the bottom boundary ensure that results are not confused by boundary interaction. Data for dilution rate at the return point supports the use of higher source inclinations (60° and 75°) to maximise dilution capability. A new ‘forced jet’ model is developed that incorporates the concept of a reducing buoyancy flux as the flow rises to maximum height. While this model is not applicable above source inclinations of 60°, predictions at other inclinations are reasonable. Dilution predictions are notably improved when compared to those from existing integral models. Finally, CFD simulations of negatively buoyant jets are conducted using the k-ε turbulence model. Despite the sophistication of this model, the quality of spatial and dilution bulk flow predictions at the centreline maximum height are no better than those obtained from the forced jet model or analytical solutions of Kikkert et al. (2007).

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