Ce mémoire présente des travaux de thèse consacrés à la caractérisation et la modélisation des hétérogénéités spatio-temporelles dans les écoulements granulaires cisaillés entre deux parois rigides. De nombreuses simulations ont permis de révéler le rôle crucial des dimensions de l’écoulement et l’influence des interactions des grains avec les parois (avec leur rugosité) sur le comportement global. Pour des systèmes allant jusqu'à une épaisseur de cent diamètres, des profils de vitesse non homogènes ont été mis en évidence, alors que la contrainte cisaillante est constante dans le volume, mettant en défaut le modèle viscoplastique au sein de l’écoulement. Pour réconcilier ces deux observations, nous avons enrichi le modèle viscoplastique en reliant la viscosité à une variable interne qui porte la perturbation due à la présence des parois. Cette nouvelle formulation de la viscosité permet de rétablir la validité d'une loi de comportement locale prenant en compte simultanément l’épaisseur de l’écoulement, la rugosité des parois et le nombre inertiel.Cette dépendance de la viscosité à une variable interne liée à la connectivité des grains ou à leur agitation à compacité fixée, suggère que, d’une manière générale,les écoulements granulaires doivent être décrits en termes d’au moins trois paramètres en fonction du nombre inertiel : le coefficient de frottement, la compacité et la connectivité. / This PhD work is devoted to the description and modeling of spatiotemporal inhomogeneities in granular flows sheared between two rigid walls. Our extensive simulations reveal the crucial role played by flow dimensions and the interactions of the grains with the walls and their roughness. For granular systems with increasingly larger thickness, non uniform strain profiles are evidenced while the shear stress remains uniform. This observation contradicts the common viscoelastic approach based on inertial number in the bulk of the flow. In order to reconcile these observations, we propose a viscoplastic model by a introducing an internal variable carrying the wall-induced perturbations of the flow. This re-formulation of granular viscosity reaffirms the local rheology by accounting for flow thickness, wall routines and inertialeffects. The well-defined dependence of the viscosity on an internal variable pertaining to grain connectivity or kinematic randomness at constant packing fraction, suggests that granular flows should be described by at least three parameters as a function of the inertial number:friction coefficient, packing fraction and connectivity.

Les microalgues autotrophes sont une source prometteuse de biomasse pour des applications aussi variées que l'extraction de molécules, l'alimentation animale et humaine, la production énergétique ou la décontamination environnementale. La production de masse est donc en forte augmentation dans le monde. Cependant, les techniques actuelles pour caractériser l'état physiologique des cellules algales au cours de la croissance sont coûteuses en main d'œuvre et en temps, souvent basées sur du matériel de mesure générique répondant mal au cahier des charges. Elles sont inadaptées à la mesure en ligne.De nouveaux outils doivent donc être développés pour optimiser le pilotage des procédés de culture, en effectuant des mesures rapides de l'état physico-chimique des cellules. La spectroscopie visible (VIS) et proche infrarouge (NIR) se présente comme une solution pratique. De plus des travaux antérieurs ont démontrés que les propriétés spectrales d'absorption et de diffusion des cellules d'algues dans le domaine VIS-NIR sont très corrélées à leur caractéristiques chimiques (pigments) et physiques (tailles, densité des cellules). Les densités de cellules considérées en cultures denses sont très élevées (10^6-10^9 cellules/mL), rendant inévitables les phénomènes de multidiffusion. Cependant ces derniers ont été identifiés comme gênants pour l'extraction de données à partir des spectres mesurés, car ils rendent l'hypothèse de validité de la loi de Beer Lambert fausse. Dans cette thèse nous nous intéressons à l'extraction de données sur la physiologie des cellules algales à partir de mesures spectrales effectuées sur des échantillons denses, non-dilués, directement issus du milieu de culture. Notre approche se décline en plusieurs axes, correspondants aux différentes échelles de description du problème. D'abord, l'échelle de l'échantillon algal global est considérée. Nous en définissons les propriétés spectrales apparentes, et analysons le problème pratique de leur mesure. Nous avons utilisé un montage à double sphères d'intégration et développé un protocole de mesure complet, que nous décrivons. Ensuite, les propriétés spectrales linéaires intrinsèques au milieu algal sont abordées, et nous cherchons à les reliées aux propriétés apparentes de l'échantillon. Pour cela nous utilisons le formalisme de l'équation de transfert radiatif (ETR) donnant une modélisation rigoureuse des phénomènes de multidiffusion à l'œuvre dans les milieux turbides. En pratique, résoudre l'ETR ne peut se faire que par une approximation ou la simulation. Dans nos travaux nous examinons la méthode Adding-Doubling et son inverse, utilisées avec succès par d'autres équipes sur des échantillons turbides de tissus biologiques. En troisième lieu, l'échelle de description de la cellule d'algue individuelle est abordée. AlgaSim, un programme de simulation basé sur la théorie de Mie étendue, a été développé au cours de cette thèse pour modéliser les spectres d'absorption et de diffusion d'une cellule algale décrite par ses paramètres physiologiques, tels que la taille et le poids sec, les proportions des différents matériaux cellulaires, la quantité et la composition des pigments. Ainsi, les liens entre propriétés physiques et chimiques de la cellule et ses propriétés spectrales sont étudiés. Enfin, une méthode complète est proposée pour articuler toutes les échelles de description précédemment examinées. Les liens entre propriétés intrinsèques du milieu algal et les propriétés optiques individuelles des cellules sont cherchés. Les paradigmes développés aux différentes échelles sont ensuite mis bout à bout pour relier la description physiologique des cellules d'algue aux propriétés spectrales apparentes mesurées sur un échantillon donné. La méthode est testée sur des échantillons algaux réels. Les premiers résultats sont prometteurs, démontrant le potentiel opérationnel de la spectroscopie VIS-NIR pour le suivi de procédés de culture dense de microalgues. / Autotrophic microalgae are seen as a promising source of biomass for various applications such as chemicals extraction, animal and human food, energy production and environment cleaning. Consequently, the global mass production of microalgae has largely increased over the last decade. However, the current techniques used for the characterization of the algal cells all along the growth process require time-consuming sample preparation, a large amount of costly, standard instrumentation and cannot usually be performed in situ.New tools are needed to optimize the monitoring of the cultivation process by providing a faster measurement of the microalgal cells physical and chemical states. For this purpose, utilizing visible (VIS) and near infrared (NIR) spectroscopy is looked as a promising solution. Moreover, previous studies demonstrated that the spectral absorption and scattering properties of microalgal suspensions in the VIS-NIR domain depend heavily on the chemical characteristics (pigments) and physical characteristics of the cells (size, density of the cells). In a context of cultivation process, cell density in the culture medium is very high (10^6-10^9 cell/mL) which makes the multi-scattering phenomena significant. However, recent studies have showed that the data extraction from spectroscopic measurements performed on turbid samples is highly complicated by the influence of the scattering phenomena on the spectra, making the classical processing methods based on the assumption of Beer law irrelevant. This thesis addresses the issue of retrieving information about the physiological state of microalgal cells from spectral measurements performed on non-diluted, dense bulk culture media. For this purpose, our approach includes successive guidelines, corresponding to different scales of description. First, the scale of the bulk algal aliquot is considered: the apparent spectral properties are defined, and the practical issue of measuring them with an adapted setup is investigated. In particular, a double-integrating sphere setup, as well as a complete measurement protocol are implemented. Second, the intrinsic linear spectral properties of the dense algal medium are defined, and the links between the intrinsic and apparent spectral properties are investigated. The formalism of the radiative transport equation (RTE) is used for this purpose, as it rigorously models the physical phenomena due to multiple scattering. Solving the RTE must be implemented in practice with an approximation or simulation method. In this work, we investigate in particular the Adding-Doubling method and its inverse, which have been proved to be adapted to the case of highly turbid organic tissues and materials. Third, the scale of an individual algal cell is considered. In this thesis we have developed a simulation program called AlgaSim based of the extended Mie theory, which makes it possible to simulate the spectral absorption and scattering properties of an algal cell described by its physiological characteristics, such as its mean size and dry weight, proportions of different cell materials and pigment quantity and composition. The links between the chemical and physical properties of an algal cell and its spectral properties are thus investigated.Finally, a complete method is proposed to link all the scales of description. In particular, the links between the intrinsic spectral properties of an algal medium and the individual properties of the constitutive cells are considered. By organizing all the paradigms previously investigated, it is possible to implement a complete model linking the physiological description of the constitutive algal cells to the apparent spectral properties measured on a dense culture sample. The method and its inverse are tested on real algal samples. They show promising primary results, proving the operational potential of VIS-NIR spectroscopy for the monitoring of dense algal cultures.

Le comportement des matériaux multiphasiques couvre une multitude de phénomènes qui suscitent un grand intérêt dans le domaine scientifique et professionnel. Les propriétés mécaniques de ces types de matériau trouvent leur origine dans les phases dont ils sont composés, leur distribution et interaction. Un nouveau modèle hydrodynamique couplé est présenté dans ce travail de thèse, à appliquer à l'analyse de l'hydrodynamique des milieux granulaires saturés. Le modèle associe la méthode des éléments discrets (DEM) pour la modélisation de la phase solide, avec une formulation en volumes finis, à l'échelle des pores (PFV), du problème de l'écoulement. Une importance particulière est donné à la description de l'interaction entre les phases, avec la détermination des forces fluides à appliquer sur chacune des particule, tout en assurant un coût de calcul abordable, qui permet la modélisation de plusieurs milliers des particules en trois dimensions. Le milieux est considéré saturé par un fluide incompressible. Les pores et leur connectivité est basée sur une triangulation régulière des assemblages. L'analogie de cette formulation avec la théorie classique de Biot est présenté. Le modèle est validé par la comparaison des résultats numériques obtenus pour un problème de consolidation d'un sol granulaire avec la solution analytique de Terzaghi. Une approche pour analyser l'hydrodynamique d'un sédiment granulaire est finalement présenté. La reproduction du phénomène de liquéfaction d'un sol est également présentée. / The behaviour of multiphase materials covers a wide range of phenomena of interest to both scientists and engineers. The mechanical properties of these materials originate from all component phases, their distribution and interaction. A new coupled hydromechanical model is presented in this work, to be applied to the analysis of the hydrodynamics of saturated granular media. The model associates the discrete element method (DEM) for the solid phase, and a pore-scale finite volume (PFV) formulation of the flow problem. The emphasis of this model is, on one hand, the microscopic description of the interaction between phases, with the determination of the forces applied on solid particles by the fluid; on the other hand, the model involve affordable computational costs, that allow the simulation of thousands of particles in three dimensional models. The medium is assumed to be saturated of an incompressible fluid. Pore bodies and their connections are defined locally through a regular triangulation of the packings. The analogy of the DEM-PFV model and the classic Biot's theory of poroelasticity is discussed. The model is validated through comparison of the numerical result of a soil consolidation problem with the Terzaghi's analytical solution. An approach to analyze the hydrodynamic of a granular sediment is finally presented. The reproduction of the phenomenon of soil liquefaction is analysed and discussed.

Cette thèse présente un travail expérimental dans le domaine de la mécanique des milieux granulaires.Ce travail introduit une nouveauté fondamentale: durant la déformation d’échantillonsde sable en compression triaxiale classique, leur micro-structure est enregistrée par tomographieà rayons-x en environ 15 étapes de déformation différentes.Afin que tous les grains d’un échantillon soient individuellement visibles dans les imagesde tomographie, les échantillons sont considérablement réduits pour qu’ils mesurent 11 mm endiamètre et 22 mm en hauteur. Cela permet d’identifier et d’individualiser tous les plus decinquante mille grains d’un échantillon.Dans ce travail expérimental, une série d’essais triaxiaux a été réalisée sur trois sables naturels(le sable d’Hostun, le sable d’Ottawa et des Caicos ooids, tous à partir des états initiauxrelativement denses), à deux valeurs de pression de confinement différents (100 et 300 kPa).Dans les images 3D résultantes de la reconstruction des acquisitions tomographiques réaliséesau cours de chaque essai, les grains sont identifiés dans chaque état en utilisant un algorithmede type watershed (ligne de partage des eaux) classique. À partir de ces données discrétisées,des techniques ont été mises au point pour caractériser les contacts grain-à-grain mais aussipour mesurer la cinématique de tous les grains identifiés entre les états pour lesquels des imagestridimensionnelles existent. La cinématique des grains est mesurée avec deux outils spécialementdéveloppés: “ID-Track” suit les grains et donne leurs déplacements; cette information est ensuitenécessaire pour une technique hybride de corrélation d’images discrète pour mesurer la rotationde chaque grain.Des mesures à l’échelle du grain sont présentées en détail pour un essai, et sont ensuitecomparées à des essais dans des conditions différentes. L’objectif est de mettre en évidence lesmicro-mécanismes responsables des différents comportements macroscopiques observés pour cesmatériaux. Cette comparaison met en évidence certains micro-mécanismes importants tels que,par exemple, la déformation d’un échantillon. Celle-ci est concentrée dans une bande de cisaillementbien développée qui correspond à une bande de grains avec des rotations intenses. Dans unéchantillon de grains arrondis, cette bande – définie par des grains – est très nette. Par contre,avec des grains anguleux, les rotations des grains dans la bande “polluent” les grains voisins;leur forme facilite l’engrenage entre grains, qui limite aussi les grosses rotations individuelles desgrains. Cette différence de mécanisme de déformation est utilisée pour expliquer la différencedans la contrainte résiduelle observée à macro-échelle. Des signes de déformation localisée sontsystématiquement observés en train de se produire avant le pic de déformation des échantillons etdes systèmes complexes de chaînes de rotations de grains (qui correspondent aussi à une mesurelocale de déformation calculée avec les déplacements des grains) sont remarquées autour du picde la réponse macroscopique de chaque échantillon. / This doctoral thesis presents an experimental investigation into the mechanics of granular media.The novelty that this work brings is that the specimens of sand tested in this work are systematicallyand non-destructively imaged using x-ray tomography. Sample size is considerably reducedfrom standard (specimens measure approximately 22 mm height by 11 mm diameter), allowingentire specimens to be scanned at a sufficiently high resolution to identify all the grains (morethan fifty thousand) in each specimen.A campaign of triaxial compression tests has been run on a series of three different naturalsands with different grain shapes (Hostun sand, Ottawa sand and Caicos ooids – all prepared atrelatively dense initial states), and tested at 100 or 300 kPa cell pressure. In each test around 15x-ray scans are performed. In the 3D images resulting from the reconstruction of the x-ray scansperformed, grains are identified each state using a standard watershed algorithm. Starting fromthese discretised data, techniques are developed in order characterise grain-to-grain contacts,as well as to measure the kinematics of all the identified grains between imaged states. Grainkinematics are measured with two specifically-developed tools: “ID-Track” to track grains yieldingtheir displacements, and a discrete image correlation technique to measure grain rotations.Grain-scale measurements are reported in detail for one test, and are then compared to testsin different conditions, in order to highlight the micro-mechanisms responsible for the observedmacroscopic behaviour. This comparison highlights some important micro-scale mechanisms suchas the increasing rotational frustration of more angular grains when the sample’s deformation isconcentrated in a fully developed shear band; this is used to explain to some extent the highervalue of their residual stress for these materials. Signs of localised deformation are seen to occurwell before the peak in many samples, and complex patterns of rotating grains (which match alocal, grain-based measurement of strain) are noticed around the peak of each sample’s response.

Ce travail de thèse se décompose en deux parties. Tout d'abord, nous présentons une nouvelle technique de focalisation d'ondes avec un seul émetteur en cavité réverbérante (FIM) en profitant d'un algorithme inspiré du filtre inverse. Via l'étude expérimentale de cavités réverbérantes dans le domaine des ultrasons, nous démontrons la capacité du FIM à optimiser la focalisation quelle que soit le type de cavité (de type ergodique ou non). Dans une deuxième partie, la propagation d'ondes élastiques dans un système formé par un ensemble de tiges d'aluminium collées sur une plaque mince de même nature, est étudiée. Ces tiges (résonateurs quasi-ponctuels) sont arrangées de façon périodique ou aléatoire sur une échelle sub-longueur d'onde. Le métamatériau ainsi constitué révèle la présence de larges bandes de fréquences interdites. De plus, la coexistence de résonances de flexion et de compression dans les résonateurs, ajoutée à la présence d'une conversion d'une partie de l'énergie du mode A0 vers le mode S0 dans la plaque, crée une grande complexité du champ d'onde. C'est ce qui fait de ce type de métamatériau, des objets tout à fait singuliers à l'échelle mésoscopique. / This thesis is divided into two parts. First, we present a new technique for focusing waves with one emitter in reverberant cavity (OCIF) inspired by inverse filter algorithm. Through the experimental study of reverberant cavities in the field of ultrasound, we demonstrate the ability of the OCIF to optimize the focusing no matter what type of cavity (ergodic type or not). In a second part, we investigate the propagation of elastic waves in a system formed by a set of aluminum rods glued to a thin plate of the same material. These rods form a set of quasi-punctual resonators in the propagation plane of waves. It is possible to arrange them periodically or randomly on a subwavelength scale. The metamaterial thus formed shows a complex wave field within it, including the presence of wide prohibited frequency ranges (bandgaps). The experimental and numerical approaches described in this manuscript show the existence of both flexural and compressional resonances in the resonators. Added to the presence of a conversion of a portion of the energy from the $A0$ Lamb mode to the $S0$ one in the plate, such a complexity makes this type of metamaterials, quite unusual objects at the mesoscopic scale.

La transmission est un acte social manifestant les échanges entre individus dans le but d’assurer une continuité dans le temps à travers la succession des générations. Par ailleurs, cette même transmission dépend de plusieurs circonstances liées tant aux perceptions des individus qu’à leurs conditions sociohistoriques de vie. Il en résulte que ces transmissions sont souvent imbriquées entre la continuité et le changement, la production et la reproduction, la construction et la co-construction, etc. Certes, elles ne sont que rarement une reproduction à l’identique, ce qui favorise sa diversité et sa richesse aboutissant parfois à la complexité de ce processus. C’est dans le but de détecter les effets de génération traduisant les changements s’opérant entre trois générations masculines marocaines installées en Belgique que nous avions entamé cette étude. Celle-ci par le biais de deux méthodes complémentaires, notamment le récit de vie et l’analyse interprétative phénoménologique, a pu mettre en relation des faits connus. Il s’agit de la mise en lien de pratiques d’engagements familiaux et de transmissions générationnelles favorisant l'extraction d’éclairantes significations. Ainsi, cette étude, en analysant en premier les récits de vie à la façon d’un « roman » familial de ces trois générations ayant des relations collatérales et sociales (relations horizontales), a pu identifier les caractéristiques et profils des sujets relevant de chaque génération. Ces derniers,en vivant des moments sociohistoriques, y participent activement et passivement. En effet, de leur implication à un destin commun et concret, ils forment une unité générationnelle spécifique marquée par un temps historique et une trame événementielle commune.De plus, l’utilisation de la méthode phénoménologique a permis d’identifier ensuite trois registres de transmissions mis en évidence par les générations familiales ayant un lien de filiation patrilinéaire existant entre un grand-père, son fils et son petit-fils (relations verticales). Les différents contenus de leurs registres, non mutuellement exclusifs, dénotent du développement des pratiques de transmission où chaque génération intériorise les valeurs des ainés par modelage ou par l’exemple…, mais s’approprie également de nouvelles valeurs.De surcroit, leurs transmissions véhiculent différents contenus ce qui manifeste que chaque génération reste marquée par ses propres expériences, perceptions, vécues, favorisant la co-construction de nouvelles transmissions et leur circulation. Par conséquent, nos travaux nous amènent à concevoir une articulation très forte entre les transmissions diversifiées selon les contextes et les contenus qui se font entre ces générations patrilinéaires. Celles-ci se sont engagées dans des transmissions générationnelles pour faire face aux différentes pressions socioculturelles et économiques leur imposant de multiples ajustements. Par ailleurs, leurs transmissions s’opérant dans un contexte migratoire, même si elles ambitionnent de garder une continuité avec le patrimoine d’origine, évoquent par ailleurs, le changement social, sans pour autant marquer de rupture prononcée.Finalement, il est à noter que leurs objectifs de par leurs différentes transmissions s’articulent autour de la préservation de l’appartenance et de l’équilibre familial, du respect des habitudes familiales, particulièrement par le développement de leurs liens qui demeurent une puissance affective qui scelle, maintient et développe leurs relations. De plus, toutes ces générations ambitionnent leur adaptation aux nouvelles valeurs et règles de la nouvelle société. Il s’agit là d’un enjeu familial consistant à maintenir une stabilité sociale et culturelle tout en ayant une harmonie avec l’environnement extérieur. / Doctorat en Sciences politiques et sociales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les matériaux architecturés font émerger de nouvelles possibilités en termes de propriétés structurales et fonctionnelles, repoussant ainsi les limites des cartes d'Ashby. Le terme "matériaux architecturés" inclus toute microstructure conçue de façon astucieuse, de sorte que certaines de ses propriétés soient optimisées. Les exemples sont nombreux : composites fibreux et particulaires, matériaux cellulaires, structures sandwiches, matériaux tissés, structures treillis, etc. Un enjeu de taille pour l'emploi de tels matériaux est la prédiction de leurs propriétés effectives. Dans ce travail, deux types de microstructures sont considérées : des structures auxétiques périodiques et des milieux fibreux aléatoires. Les auxétiques sont des matériaux apparus au milieu des années 1980, présentant un coefficient de Poisson négatif. On attend des auxétiques qu'ils présentent des propriétés mécaniques améliorées, comme le module de cisaillement ou la résistance à l'indentation. Les milieux fibreux aléatoires considérés dans ce travail sont constitués de fibres 3D infinies interpénétrantes aléatoirement distribuées et orientées. Ce type de structure aléatoire est très défavorable à la détermination d'une taille de volume élémentaire statistiquement représentatif. Pour les deux types de matériaux, l'homogénéisation numérique à l'aide de la méthode des éléments finis est implémentée dans le but d'estimer les propriétés thermiques et mécaniques effectives. / Architectured materials bring new possibilities in terms of structural and functional properties, filling gaps and pushing the boundaries of Ashby's materials maps. The term "architectured materials" encompasses any microstructure designed in a thoughtful fashion, so that some of its materials properties have been improved. There are many examples: particulate and fibrous composites, foams, sandwich structures, woven materials, lattice structures, etc. One engineering challenge is to predict the effective properties of such materials. In this work, two types of microstructures are considered: periodic auxetic lattices and stochastic fibrous networks. Auxetics are materials with negative Poisson's ratio that have been engineered since the mid-1980s. Such materials have been expected to present enhanced mechanical properties such as shear modulus or indentation resistance. The stochastic fibrous networks considered in this work is made of 3D infinite interpenetrating fibres that are randomly distributed and oriented. This case of random structure is challenging regarding the determination of a volume element size that is statistically representative. For both materials, computational homogenization using finite element analysis is implemented in order to estimate the effective thermal and mechanical properties.

Cette thèse a pour objectif de modéliser le couplage fluide-structure pouvant survenir dans les faisceaux tubulaires des réacteurs nucléaires. Leurs simulations numériques directes étant hors de portée, on met en œuvre une approche multi-échelle: il s'agit de tirer profit du coût modeste d'une description macroscopique, et à la fois, de la précision des informations microscopiques. Vis-à-vis des modèles existants, le travail de développement se focalise sur la prise en compte de la convection dans le calcul des champs hydrodynamiques, mais surtout, sur la possibilité de restituer des réponses vibratoires variées au sein d'un même faisceau. L'homogénéisation aboutit à un système d'équations gouvernant les Interactions Fluide-Solide à une échelle macroscopique. Ces équations sont couplées par une source en quantité de mouvement, traduisant les charges hydrodynamiques exercées sur une structure donnée. Cette force à modéliser représente une loi de fermeture du problème homogénéisé, mettant en jeu des coefficients a priori inconnus. Une méthode d'estimation est proposée à partir des champs microscopiques obtenus par simulation directe sur un domaine réduit et représentatif du large système de référence. Les capacités prédictives du modèle homogénéisé sont évaluées en comparaison avec des données de référence, issues de calculs numériques directs microscopiques. Chaque système considéré présente une variété de réponses en déplacement que le modèle homogénéisé restitue avec un accord satisfaisant. Cette approche multi-échelle semble être un bon compromis entre le coût des réalisations numériques et la précision attendue des données vibratoires et hydrodynamiques. / Vibration of tubes arrays is a matter of safety assessments of nuclear reactor cores or steam generators. Such systems count up thousands of slender-bodies immersed in viscous flow, involving multi-physics mechanisms caused by nonlinear dynamic interactions between the fluid and the solid materials. Direct numerical simulations for predicting these phenomena could derive from continuum mechanics, but require expensive computing resources. Therefore, one alternative to the costly micro-scale simulations consists in describing the interstitial fluid dynamics at the same scale as the structures one. Such approach rely on homogenization techniques intended to model mechanics of multi-phase systems. Homogenization results in coupled governing equations for the fluid and solid dynamics, whose solution provides individual tubes displacements and average fluid fields for each periodic unit cell. An hydrodynamic force term arises from the formulation within this set of homogenized equations: it depends on the micro-scale flow in the vicinity of a given tube-wall, but needs to be estimated as a function of the macro-scale fields in order to close the homogenized problem. The fluid force estimation relies on numerical micro-scale solutions of fluid-solid interactions over a tube array of small size. The multi-scale model is assessed for arrays made up of hundreds tubes, and is compared with solutions coming from the numerical micro-scale simulations. The macro-scale solution reproduces with good agreement the averaged solution of the micro-scale simulation, indicating that the homogenization method and the hydrodynamic force closure are suitable for such tube array configurations.

Les réactions de catalyse hétérogène impliquant un gaz et un liquide sont mises en oeuvre dans des réacteurs à lit fixes. Ces réacteurs peuvent être assimilés à un milieu poreux. La nature complexe de ce milieu rend la compréhension des interactions entre phases difficile, et nécessite une étude exhaustive à l’échelle globale et locale afin d’identifier les paramètres clés de l’hydrodynamique, des transferts de chaleur et de matière. Nous avons donc développé une cellule miniaturisée bidimensionnelle transparente, qui permet l’observation directe des écoulements avec une très bonne résolution spatiale et temporelle. En faisant varier le débit total et le rapport des débits gaz/liquide, nous avons mis en évidence l’apparition des régimes ruisselant et pulsé, observés par ailleurs dans des systèmes tridimensionnels. Grâce à une méthode d’analyse d’image, nous sommes capables de quantifier et cartographier la saturation liquide locale apparente et la morphologie des phases. L’analyse des variances a permis d’étudier les transitions de régimes pour différentes propriétés de la phase liquide. Cette approche a permis de comparer avec la littérature, mais aussi de s’intéresser aux mécanismes de génération et propagation des instabilités lors des transitions. Il a été mis en évidence que l’apparition des instabilités responsables de la déstabilisation du régime ruisselant intervient pour un nombre deWeber liquide fixé, indiquant que le régime pulsé apparait suite à la déstabilisation des interfaces gaz /liquides par les forces inertielles. Enfin, une étude préliminaire des transferts thermiques dans la cellule a été réalisée. La cellule est utilisée pour réaliser la réaction exothermique d’hydrogénation de l’alpha-methylstyrène. Un modèle simple de transferts thermique a été utilisé pour caractériser l’augmentation de température dans la cellule. Bien que cette approche ne permette pas des mesures quantitatives, elle ouvre à la perspective de suivi de transferts thermiques par caméra infra-rouge. / Heterogeneously catalyzed reactions involving a gas and a liquid phase are frequently achieved in fixed bed reactors. These reactors can be described as a porous medium. The complex nature of this medium makes the understanding of the interplay between phases difficult, and requires a thorough study at the global andlocal scale to identify the key parameters of hydrodynamics, mass and heat transfers. Therefore, we have developed a miniaturized two-dimensional system that is transparent to allow the direct observation of the flow with very high spatial and temporal resolution. While varying the total flow rate and the gas/liquid flow rate ratio, we observe the appearance of the trickle and the pulse flow regime, which can be observed in threedimensional beds. Thanks to some image analysis techniques, we are able to quantify and to map the local apparent liquid saturation and the morphology of the phases. Variances analysis allowed the study of the transition for different liquid properties. This approach allowed the comparison with the existing state of art, but also the study of the onset and propagation mechanisms of the instabilities during the transition. We report that the onset of instabilities responsible for the destabilization of the trickle flow regime occurs at a fixed Weber number. This indicates that the pulsed regime is due to the destabilization of the gas/liquid interface by inertial forces. Finally, a preliminary study of thermal transfers in the device was realized. The device was used to perform the exothermic hydrogenation of alpha-methylstyrene. A simple model is used to characterize the temperature increase in the device. Although this approach does not allow quantitative measurements, it opens up the perspective of monitoring thermal transfers with an infra-red camera.

Ce travail propose une étude expérimentale visant à caractériser les processus dynamiques se produisant au sein de matériaux vitreux mous. La première partie présente des mesures de diffusion de traceurs nanométriques dans la Laponite (une suspension colloïdale) obtenues par une méthode de recouvrement de fluorescence (FRAP). Cette étude montre que la diffusion varie avec la concentration de Laponite et la taille du traceur. Un modèle hydrodynamique de diffusion confinée permet de décrire quantitativement les données expérimentales. Une deuxième partie concerne l’étude expérimentale du vieillissement de matériaux vitreux. Nous testons en pratique le concept théorique de température effective. Celle-ci est obtenue grâce à la technique de FRAP par la mesure simultanée de la diffusion et la convection de sondes fluorescentes dans la Laponite en cours de prise. Contrairement à certaines mesures de la littérature, le système est bien gouverné par la température ambiante. Nous présentons ensuite une étude visant à caractériser le comportement de la Laponite cisaillée. Nous avons pour cela mis au point un dispositif permettant d’appliquer un champ électrique au système, et ainsi créer des déformations locales. L’effet obtenu s’est révélé trop faible, avec d’assez grandes incertitudes (probablement liées à la complexité du système), pour être considéré comme significatif. Enfin, nous avons étudié les propriétés du Carbopol, un fluide à seuil, en mesurant sa dynamique d’ascension par capillarité. La rugosité de surface des capillaires influe énormément sur la montée du fluide. Nous montrons aussi que l’ascension est pilotée par la rhéologie du système, notamment par le seuil d’écoulement. / This work is based on an experimental analysis of the dynamical processes which occur within soft glassy materials. The first part provides measurement results of nanotracers diffusion in Laponite (a colloidal suspension) obtained by a method of fluorescence recovery (FRAP). This study shows that the diffusion is affected by the concentration of Laponite as well as the size of the tracer. A hydrodynamic model with confined diffusion allows a quantitative description of the experimental data. In a second part, an experimental study is carried out, dealing with the aging processes of glassy materials. The theoretical concept of effective temperature is probed experimentally. The effective temperature is determined using the technique of FRAP, by simultaneously measuring diffusion and convection of fluorescent probes within the aging Laponite. Contrary to some measurements found in literature, results show that the system is controlled by the bath temperature. The following study then aims at characterizing the behavior of the sheared Laponite : an experimental device is developed in this perspective, by applying an electric field to the system and thus creating local deformations. However, the observed effect appears to be too low, with relatively large uncertainties (probably linked to the complexity of the system), which impede on the significance of our results. Finally, the properties of Carbopol, a yield stress fluid, are analyzed by measuring the dynamics of capillary rise. It is shown that the surface roughness of capillary strongly affects the rise of the fluid and that the latter is controlled by the rheology of the system, and more specifically by the yield stress value.