Ce travail vise la description fine du mélange et en particulier du micro-mélange. Afin de caractériser le micro-mélange, les réactions chimiques se sont révélées être l'outil le plus ingénieux (Dimotakis, 2005). Pourtant, à cause des difficultés expérimentales, très peu de telles études existent. Ainsi, nous caractérisons le micro-mélange dans un écoulement dont le motif de base est un jet cisaillé entouré de 4 jets à contre courant. Nous nous intéressons à deux géométries : une pour un fort taux de confinement et une seconde pour laquelle le taux de confinement reste faible. Le premier objectif de cette thèse est de fournir une base de données fiable, pour différentes géométries d'écoulement, nombre de Reynolds et variation du taux de confinement des jets. Dans une première étape, le mélange est étudié grâce à des mesures simultanées de vitesse et de concentration sur la molécule d'acétone. La mesure de concentration est faite grâce à une méthode de Fluorescence Induite par Plan Laser, et la vitesse est estimée par Vélocimétrie par Image de Particules. Une seconde étape se focalise sur le micro-mélange qui est quantifié expérimentalement par une méthode de mesure dite "Dual Tracer" qui compare le signal de fluorescence d'une molécule traçant les zones de fluides pur à celui du fluide dans sa globalité. Le second objectif est d'utiliser cette base de données afin d'étudier l'influence du nombre de Reynolds et du taux de confinement sur la qualité du mélange et l'efficacité du micro-mélange en terme de statistiques. Il est montré que l'efficacité du micro-mélange augmente lorsque le nombre de Reynolds augmente, et lorsque le taux de confinement diminue.

Cette thèse est consacrée à la simulation du mélange de scalaires passifs à grand nombre de Schmidt (faible diffusion), au moyen d’un modèle de sous-maille structurel pour la Simulation aux Grandes Echelles (LES pour Large Eddy Simulation) reposant sur le caractère multifractal des champs de gradient en turbulence. L’analyse multifractale des champs de dissipation scalaire permet, à l’aide d’une description statistique des singularités, de prendre en compte l’intermittence inhérente à ces champs. Des simulations numériques directes du mélange à différents nombres de Schmidt supérieurs à l’unité sont mises en oeuvre. Une analyse multifractale au moyen de différentes méthodes est menée afin d’obtenir les spectres de singularités de la dissipation scalaire. Une implantation du modèle de sous-maille multifractal pour la vitesse, proposé par Burton et al., est d’abord réalisée dans le code volumes finis YALES2.Une modification du modèle équivalent pour les scalaires, reposant sur une cascade multiplicative pour reconstruire la dissipation scalaire de sous-maille, est proposée afin de prendre en compte le micro-mélange à grand nombre de Schmidt. Ce modèle de sous-maille est alors évalué au moyen de tests a priori. / This thesis is focused on the simulation of turbulent mixing of passive scalars at high Schmidt numbers (low diffusivity). The modeling work is based on a structural subgrid-scale model for Large Eddy Simulation relying on the multifractal nature of gradient fields in turbulence.The multifractal formalism provides a mean to handle the characteristic intermittency of scalar dissipation fields through a statistical description of their singularities. Direct Numerical Simulations of mixing at several Schmidt numbers above unity are run with a dedicated code. Different methods are used to perform a multifractal analysis of scalar dissipation. The multifractal subgrid-scale model of Burton et al. for velocity is implemented in the Finite Volume code YALES2. A modification of the equivalent multifractal model for scalars is proposed to take into account micro-mixing at high Schmidt numbers. The model shows satisfactory results when tested a priori against direct simulations.

La simulation devient un outil incontournable pour concevoir ou optimiser les procédés en biotechnologies. Elle est particulièrement pertinente pour permettre le changement d'échelle de l'échelle laboratoire à la mise en œuvre de cultures biologiques industrielles. Cette thèse se concentre sur le développement d'une structure de modèle pour les fermenteurs, qui ne néglige ni les problématiques de mélange, ni la complexité biologique, tout en permettant des simulations rapides. Pour intégrer l'ensemble des phénomènes couplés et dynamiques interagissant dans les bioréacteurs, l'approche proposée couple (i) un modèle métabolique dynamique pour décrire le comportement des cellules, (ii) un modèle de bilan de population pour suivre la diversité biologique et (iii) un modèle de compartiments pour décrire l'hydrodynamique du fermenteur. Une structure de modèle métabolique, générique et numériquement peu couteuse a été appliquée à E. coli et S. cerevisiae et été confrontée avec succès à de nombreuses données expérimentales. Parmi plusieurs méthodes numériques permettant de traiter les équations de bilan de population, la méthode EQMOM a été sélectionnée pour sa stabilité et sa précision et son coût a été réduit d'un facteur 10. L'hydrodynamique gaz-liquide d'un fermenteur industriel a été obtenue par simulations CFD et des outils ont été développés pour en extraire des modèles de compartiments. Le couplage de ces différents aspects a finalement été illustré par la simulation d'une culture industrielle. Ce travail ouvre la voie à la création d'outil de simulation rapide, ce qui permettra des études d'ingénierie de design et d'optimisation de procédés industriels. / Simulations are becoming an essential tool to design and improve processes in the field of biotechnologies. They are especially relevant to facilitate the scale-up of biological cultures from laboratory to industrial scales which is a key difficulty as of now. This thesis focuses on developping a model structure for fermenters, which does not neglect either mixing issues known to occur in industrial bioreactor, nor biological complexity inherent to micro-organisms, while enabling fast and low-cost simulations. To account for all coupled and dynamic phenomena that occur in bioreactors, the developed approach couples (i) a dynamic metabolic model to describe cells behaviour, (ii) a population balance model tracking biological cell-to-cell diversity and (iii) a compartment model to account for fermenter hydrodynamics. A structure for low-cost dynamic metabolic model has been developed, applied to E. coli and S. cerevisiae and successfully challenged against experimental data. Among multiple numerical methods tackling population balance equations, the EQMOM method has been selected for its stability and precision, and its algorithm has been improved by reducing its cost by a factor 10. The gas-liquid hydrodynamics of an industrial fermenter has been obtained through CFD simulations, and tools have been developed to extract compartment model from these simulation results. Finally, the coupling between all these modeling blocks has been demonstrated by simulating an actual industrial culture. This work paves the way to the emergence of fast bioreactor simulation tools, which will then enable new enginnering studies for designing and optimising industrial bio-processes.

Ce travail de thèse est consacré à l'élaboration de membrane photocatalytique à partir de nanoparticules de TiO2 obtenues par voie sol-gel (système TTIP-eau). Les sols sont préparés dans un réacteur à micro-mélange rapide (turbulent). L'effet de l'hydrodynamique au sein de différents mélangeurs (T simple, T chicanes, T rétrécissement) sur la morphologie et l'activité photocatalytique de nanoparticules déposées sur des plaques d'α-alumine a été étudié. Les dépôts de TiO2 ont été réalisés durant la période d'induction de la réaction sol-gel. Le mélange des réactifs a été simulé en utilisant un logiciel de modélisation numérique (modèle k-ε), Les différences hydrodynamiques au sein du micro-mélange a seulement un impact significatif sur le temps de stabilité des nanoparticules (période d'induction). Des couches minces et des membranes photo-actives ont été réalisées en vue du couplage membrane et réaction photocatalytique. Ces membranes ont été caractérisées et testées en photocatalyse. Elles ont montrées de bonnes photo-activités. Des tests de couplage direct séparation/photodégradation ont été réalisés sur des solutions aqueuses d'acide orange 7. Ce dispositif expérimental a permis de mettre en évidence une augmentation de flux de perméation significative avec de l'eau et en présence de colorant en solution. L'effet de la concentration et du pH de la solution a été évalué sur les flux de perméat et sur la photodégradation. / This PhD work is devoted to the elaboration of photocatalytic membranes using TiO2 nanoparticles synthetized by sol-gel process (titanium tetra-isopropoxyde precursor – water). Sols are prepared in sol-gel reactor with rapid turbulent micro-mixing. The effect of hydrodynamic using 3 T mixers (T simple, T with 3 baffles and T with narrow) during the mixing was studied with k-ε modeling Computational fluid Dynamics (CFD), as well as the morphology and the photo-activity of thin layers deposited on alumina support during induction period. Differences on hydrodynamic during micro-mixing have only impact on the time of nanoparticles stability (induction period). Photo-active thin layers and membranes are synthesized for coupling membrane separation and photocatalytic reaction. Photocatalytic activities of thin layers and membranes are performed with an aqueous solution of acid orange 7. Significant increases of permeate flux are observed during the filtration of water and solution containing dye. Effects of concentration and pH are evaluated on permeation flux and photodegradation.

Cette étude, menée principalement par des moyens expérimentaux, analyse la dynamique des fluctuations de concentration produites au sein d’un panache d’un scalaire passif émis par une source ponctuelle dans une couche limite turbulente. En étendant le travail de Fackrell and Robins (1982) sur les fluctuations de concentration, on décrit l’évolution des quatre premiers moments de la concentration et on étudie l’influence des conditions à la source (telles que la taille et la hauteur de la source et la vitesse de sortie) sur les moments mêmes. L’étude est complétée par une description détaillée des statistiques du champ de vitesse dans la couche limite, comprenant des informations sur la structure spatiale et temporelle de la turbulence. Cette base de données expérimentale a été utilisée pour valider deux différentes approches à la modélisation de la dispersion: un modèle analytique de meandering et un modèle Lagrangien stochastique avec un schéma de micro mélange. / This experimental study analyses the dynamics of concentration fluctuations in a passive plume emitted by a point source within the turbulent boundary layer. We aim to extend the popular study of Fackrell and Robins (1982) about concentration fluctuations and fluxes from point sources by including third and fourth moments of concentration. We also further inquire into the influence of source conditions, such as the source size, source elevation and emission velocity, on higher order concentration moments. The data set is completed by a detailed description of the velocity statistics within the TBL, with exhaustive information on both the temporal and spatial structure of the flow. The experimental data-set has been used to test two different modeling ap- proaches: an analytical meandering plume model (in one and in three dimen- sions) and a Lagrangian stochastic micro-mixing model.