Les travaux présentés concernent l'étude d'écoulements hydrodynamiques en situations complexes : écoulements instables, en régime d'advection chaotique ou encore multiphasique. Les phénomènes de transport et de transfert associés à ces écoulements sont étudiés (couplages instabilité-changement de phase, diffusif-réactif). Les applications sont nombreuses et se trouvent dans le domaine du génie des procédés.<br />Les méthodes d'investigations sont essentiellement expérimentales, quelques développements numériques sont aussi présentés.<br />Le premier thème a trait à l'étude du comportement oscillatoire d'un jet fluide, plan, qui débouche dans une cavité contenant un obstacle. L'instabilité globale de l'écoulement conduit à son oscillation auto-entretenue. La dynamique du jet présente alors une fréquence caractéristique bien précise, dépendant principalement de paramètres géométriques, qui a permis d'envisager son utilisation comme débitmètre.<br />Le second thème abordé concerne l'étude de dispersions de particules flottantes en écoulement. Les deux projets présentés s'inscrivent dans le cadre plus général de l'étude de nouveaux fluides frigoporteurs diphasiques développés au LaTEP (les coulis de glace). Le premier projet se rapporte à une configuration académique : l'ascension d'une sphère de glace en colonne liquide. Les couplages dynamique (instabilités de sillage, trajectoires) et thermique (changement de phase) sont complexes, le régime d'écoulement évoluant à chaque instant. Le second projet de ce thème se rapporte à l'hydrodynamique d'une dispersion solide-liquide modèle en conduite cylindrique horizontale. Différents régimes d'écoulement non homogène ont été mis en évidence à partir de l'évolution spatio-temporelle du champ de vitesse, en fonction de la fraction solide de la phase dispersée. <br />Le troisième thème concerne l'étude du mélange obtenu en régime d'advection chaotique pour un écoulement laminaire. Plusieurs volets ont été développés autour de l'écoulement de Dean alterné tridimensionnel existant au sein de conduites courbes. Expérimentalement, il a été prouvé, par comparaison à un écoulement se développant dans un serpentin hélicoïdal, que les écoulements chaotiques sont plus efficaces en terme de mélange diffusif et réactif, donc jusqu'à une échelle moléculaire. Numériquement, une méthode originale basée sur la transformation de maillages anisotropes associés aux déplacements de scalaires advectés par l'écoulement a été mise au point. Elle permet l'évaluation, la comparaison et l'optimisation du mélange au sein d'écoulements 2D périodiques en temps ou 3D spatialement périodiques. Les efficacités d'écoulements régulier, partiellement chaotique et globalement chaotique sont analysées à partir de différents critères pour quantifier le mélange diffusif et réactif.<br />Aujourd'hui, de nouvelles applications du mélange chaotique sont considérées. Plus particulièrement, la production d'émulsions pétrolières à partir d'huiles lourdes très visqueuses est étudiée.

Nous avons étudié le mélange de fluides visqueux dans des écoulements 2-D ouverts et fermés où des agitateurs créent de l'advection chaotique, i.e. des trajectoires lagrangiennes complexes. Notre étude, expérimentale, numérique et théorique, s'appuie sur deux types d'expériences de mélange chaotique, en domaine fermé et dans un canal ouvert. En système fermé, nous avons d'abord proposé une caractérisation topologique du mélange reposant sur l'enchevêtrement des trajectoires de points périodiques -- les "tiges fantômes". D'autre part, l'étude expérimentale du champ de concentration d'un colorant nous a permis de décrire le rôle des murs du domaine où se fait le mélange, pour les écoulements fermés comme ouverts. En fermé, la nature chaotique ou régulière des trajectoires initialisées près des bords détermine l'évolution du champ de concentration, même loin des bords. Nous avons ainsi observé une dynamique lente (algébrique) de l'homogénéisation quand la région chaotique s'étend jusqu'à des murs non-glissants. En ouvert, nous avons décrit l'évolution du champ de concentration dans, et en aval de la région de mélange, résultant de l'injection d'un blob de colorant. Nous avons décrit les éléments mal mélangés qui s'échappent aux temps courts, et l'apparition d'un motif permanent (auto-similaire) aux temps longs, déterminé par les orbites périodiques de la région de mélange. Des modifications de ce scénario apparaissent quand la région de mélange va jusqu'aux murs. Enfin, une modélisation à base de transformation du boulanger généralisée nous a permis de comprendre l'essentiel des mécanismes rencontrés.

Durant mon parcours en tant que Maître de Conférences depuis 2005, mes diverses activités de recherche se sont situées dans le domaine de la mécanique des fluides et des transferts. Si l'approche dominante dans mes recherches est la modélisation et la simulation numérique, dans les cas où l'expérimentation s'avère l'approche la plus pertinente, je m'associe à mes collègues expérimentateurs pour mener à bien des études. En effet, dans ma démarche de chercheur, j'ai toujours souhaité contribuer à résoudre des problèmes scientifiques et technologiques issus pour la plupart de préoccupations industrielles ou se situant directement en amont de celles-ci. La principale thématique que j'ai abordée est celle du mélange laminaire. Que ce soit pour l'agitation chaotique ou pour l'émulsification, j'essaye, à travers mes travaux, de promouvoir ce mode de mélange sobre, afin d'encourager son usage industriel. L'étude du mélange d'un ou de plusieurs fluides avec ou sans transfert de chaleur est toujours d'un grand intérêt pour les industriels, surtout lorsqu'il s'agit de fluides très visqueux et/ou très délicats pour lesquels les méthodes classiques de mélange turbulent peuvent s'avérer coûteuses en énergie et/ou destructrices des propriétés physiques de ces fluides, ou tout simplement inefficaces. Le mélange par advection chaotique a montré son efficacité pour le mélange d'un champ scalaire (concentration, température) pour des fluides très visqueux ou en micro-fluidique. En effet, il est possible à partir d'un écoulement simple d'obtenir des trajectoires lagrangiennes complexes, en apportant une modulation temporelle adéquate, par exemple. Nous nous sommes intéressé au mélange thermique (à l'échelle macroscopique) au sein d'un fluide très visqueux à grand nombre de Prandtl. Afin de contribuer à l'optimisation de ce procédé, nous avons modélisé l'écoulement instationnaire dans d'un mélangeur type et nous avons révélé les différents mécanismes de mélange thermique qui interviennent pour des fluides newtoniens ou non, avec ou sans thermodépendance. En outre, j'entreprends le développement d'un solveur numérique de mécanique des fluides qui résout les équations tridimensionnelles (3D) de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie. Ce code, que j'ai baptisé Tamaris, utilise la méthode des volumes finis non structurés à maillage hybride pouvant contenir différents types de cellules de calcul (hexaèdres, tétraèdres, prismes et pyramides), ce qui permet une grande flexibilité pour les géométries étudiées. Ce code permet l'étude des écoulements instationnaires de fluides incompressibles newtoniens ou non newtoniens, en prenant en compte les transferts thermiques par convection forcée ou naturelle, les effets thermocapillaires, les transferts conjugués (conduction dans les solides) et les changements de phase liquide-solide. Ce code est parallèle (MPI) par décomposition de domaine sans chevauchement. Parmi les autres thématiques que j'ai abordées, il y a l'émulsification laminaire. Les études expérimentales menées ont montré qu'il est possible de réaliser des émulsions très concentrées en phase dispersée (> 90%), grâce à un procédé sobre énergétiquement, qui utilise un écoulement laminaire. Ce procédé a été intensifié, en le transposant vers un fonctionnement en continu, très souhaitable pour un usage industriel. Une autre de mes thématiques concerne les changements de phase liquide-solide, principalement en présence d'un écoulement. L'application principale concerne le contrôle de la température de parois et le transport d'énergie par chaleur latente. Aujourd'hui, ces thématiques d'émulsification laminaire et de changement de phase se rejoignent dans un nouveau projet pour la conception de nouveaux matériaux pour l'isolation thermique active. C'est en ce sens que mes projets de recherche futurs s'orientent naturellement vers la modélisation numérique des écoulements avec interfaces : écoulements diphasiques et écoulements avec changement de phase.