Reproduction de : Thèse de doctorat : Énergétique et transferts : Toulouse, INPT : 2006. Reproduction de : Thèse de doctorat : Énergétique et transferts : Université de Monastir : 2006. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 60 réf.

Depuis plusieurs années, l'une des problématiques sociétales est de diminuer les émissions de polluants et de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Le secteur du transport terrestre est directement concerné par ces considérations. Le moteur Diesel semble promis à un bel avenir grâce à son rendement supérieur à celui du moteur à allumage commandé, conduisant à de plus faibles rejets de CO2. Cependant, sa combustion génère des émissions d'oxyde d'azote (NOx) et de particules dans l'atmosphère. Les normes anti-pollution étant de plus en plus sévères et les incitations à diminuer les consommations de carburant de plus en plus fortes, le moteur Diesel est confronté à une problématique NOx/particules/consommation toujours plus difficile à résoudre. Une des voies envisagées consiste à modifier le mode de combustion afin de limiter les émissions polluantes à la source tout en conservant de faibles consommations. La voie la plus prometteuse est la combustion HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) obtenue par injections directes précoces. Plusieurs limitations critiques doivent cependant être revues et améliorées : le mouillage des parois par le carburant liquide et le contrôle de la combustion à forte charge. Le but de cette thèse est ainsi de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu lors de la combustion HCCI à forte charge obtenue par des multi-injections directes précoces. Une méthodologie a été mise au point afin de détecter le mouillage des parois du cylindre, ce qui a permis de comprendre l'effet du phasage et de la pression d'injection sur cette problématique. Une stratégie optimale de multi-injections permettant d'atteindre une charge élevée sans mouiller les parois a ainsi été développée et choisie. Nous avons ensuite pu mettre en évidence le potentiel de la stratification par la dilution en tant que moyen de contrôle de la combustion en admettant le diluant dans un seul des 2 conduits d'admission. Des mesures réalisées en complémentarité sur le même moteur mais en version 'optique', ont permis, à partir de la technique de Fluorescence Induite par Laser, de montrer que concentrer le diluant dans les zones réactives où se situe le carburant permet un meilleur contrôle de la combustion, ce qui permet d'amener le taux de dilution a des niveaux faisables technologiquement.

Les mécanismes d'interaction entre une interface fluide et une paroi solide en situation de mouillage sont encore des problèmes ouverts. Parmi les nombreuses interrogations traitées dans la littérature, le "problème de la ligne de contact en mouvement" est très étudié depuis les années 1970, lorsque le paradoxe lié au mouvement de la ligne de contact a été identifié. En quelques mots ce paradoxe est le suivant : les modèles hydrodynamiques macroscopiques utilisant une condition de non-glissement à la paroi prédisent un cisaillement infini au niveau de la ligne de contact. Des études prometteuses pour aborder ce problème se sont appuyées sur des résultats fournis par les simulations dynamiques moléculaires. Elles confirment la présence de glissement au niveau de la ligne de contact. Malheureusement, les simulations de type dynamique moléculaire sont limitées à de très petites échelles à la fois temporelles et spatiales de sorte que les modèles hydrodynamiques et les simulations numériques des équations de Navier-Stokes restent nécessaires. Dans ce type de simulation, la méthode Continuum Surface Force pour traiter le terme capillaire entraine une vitesse et un cisaillement au niveau de la ligne de contact dépendant de la résolution, problème qui est abordé dans ce travail. L'écoulement au voisinage de la ligne de contact est analysé théoriquement dans la limite des écoulements de Stokes et l'effet des conditions limites à la paroi est exploré. Une des conditions proposées dans la littérature permet de lever la divergence du cisaillement et rend possible l'observation de tourbillons de Moffatt au voisinage de la ligne de contact ce qui reste encore à observer que ce soit expérimentalement ou numériquement. Cette possibilité est explorée de manière théorique puis numérique à l'aide du code JADIM. Sur le plan numérique, la présence de courants parasites est apparue comme limitante si la méthode VoF est utilisée. Pour remédier à cet obstacle numérique, une version très prometteuse de la méthode front-tracking utilisant des markers Lagrangien a été implémentée et améliorée pour permettre de traiter des distributions nonuniformes de markers sans perdre les performance de réduction significative des courants parasites. De nombreux tests ont été réalisés pour valider la méthode développée et montre la réduction à la précision machine des courants parasites. La méthode est également validée pour la simulation des lignes de contact statiques et dynamiques avant d'être utilisée pour l'étude de tourbillons induits par la mise en mouvement d'une ligne de contact. Finalement, s'appuyant sur les développements théoriques de ce travail, un nouveau modèle de sous maille est proposé pour permettre la simulation de lignes de contact aux échelles macroscopiques. Il est implémenté dans la nouvelle méthode front-tracking introduite dans JADIM. Les premiers résultats montrent une amélioration partielle de l'effet du maillage sur la vitesse de la ligne de contact mais une maitrise totale du cisaillement. Les simulations de l'étalement de gouttes permet de retrouver de manière très satisfaisante les résultats théoriques et expérimentaux de référence. / The exact mechanism with which a fluid interface interacts dynamically with a solid surface during wetting is still open to research. Among the many subjects addressed in this field in the literature, the "moving contact line problem" is one that has been ubiquitous since at least the 1970s, where a paradox in the description of the contact line was found to exist. The paradox in a few words is the next: macroscopic hydrodynamic models using the no-slip boundary condition will predict infinite shear stress close to the contact line. The most promising studies to tackle the problem come from information provided by molecular dynamics simulations. They have confirmed that close to the contact line, the no-slip boundary condition is relaxed to some form of slip. Unfortunately, molecular simulations are still limited to very small scales in space and time, so hydrodynamic models and numerical simulations based on Navier-Stokes equations are still needed. In these simulations, the Continuum Surface Force model CSF for the calculation of the capillary contribution introduces a grid dependent contact line velocity and shear at the wall, which is a problem we proposed to solve here. In this work, we analyze the flow close to the moving contact line in the context of corner stokes-flow and explore the effects of the boundary conditions at the wall. One of these conditions offered in the literature, provides relief to the shear divergence and also opens the possibility to observe Moffatt vortices in the vicinity of the contact line, not yet seen in experiments or numerical simulations. We explore this possibility analytically and then numerically using the code JADIM. The latter task is constrained by the contamination of the velocity field by the so-called spurious velocities if the VOF method is used. To solved this inconvenient, a very promising version of the front-tracking method with lagrangian markers is implemented and enhanced to handle non-uniform distribution of markers without losing its spurious velocities elimination features. Numerical tests are conducted to validate the implementation, spurious velocities are reduce close to machine precision and comparison to benchmark data is performed obtaining good agreement. Tests including contact lines are then compared with exact solutions for shape analyzing the effect of the Bond number, showing remarkable results. Numerical experiments with this implementation close to a contact line show the existence of vortical patterns during of spreading. Finally, and based on the theoretical background developed in this work, a new sub-grid model method is proposed for macroscopic numerical simulations and implemented in the new front-tracking method of JADIM. Quantitative data is obtained and compared to numerical and experimental spreading cases revealing improvement of grid convergence and excellent agreement.

Les mécanismes dynamiques et de transport mis en jeu dans le plasma d'arc et le bain de fusion d'une opération de soudage à l'arc sont nombreux et fortement couplés. Ils produisent un milieu dont les grandeurs présentent des variations temporelles rapides et des gradients très marqués qui rendent toute analyse expérimentale complexe dans cet environnement fortement perturbé. Dans ce travail, on s'intéresse aux procédés TIG et MIG. Une plateforme expérimentale a été développée pour permettre la mesure synchronisée de différentes grandeurs physiques associées au soudage (paramètres procédé, températures, efforts de bridages, transferts métalliques, etc.). Des librairies numériques dédiées aux études appliquées au soudage à l'arc sont également développées. Elles permettent le traitement de flux important de données (signaux, images) de manière systématique et globalisée. L'intérêt de cette approche pour l'enrichissement de la simulation numérique et le contrôle des procédés à l'arc est illustré dans différentes situations. Enfin, cette approche expérimentale est utilisée, dans le cadre de l'application choisie, pour obtenir des mesures suffisamment riches pour décrire le comportement dynamique du bain de fusion en P-GMAW. Une analyse dimensionnelle de ces mesures expérimentales permet d'identifier les mécanismes prépondérants qui interviennent et de déterminer expérimentalement les temps caractéristiques associés. Ce type d'approche permet notamment de mieux décrire le comportement d'une macro-goutte de métal fondu ou les phénomènes intervenant dans les problèmes de humping. / The dynamic and transport mechanisms involved in the arc plasma and the weld pool of arc welding operationsare numerous and strongly coupled. They produce a medium whose magnitudes exhibit rapid time variations and gradients very marked which make any experimental analysis complex in this disrupted environment. In this work, we study the TIG and MIG processes. An experimental platform was developed to allow synchronized measurement of various physical quantities associated with welding (process parameters, temperatures, clamping forces, metal transfer, etc.). Numerical libraries dedicated to applied studies in arc welding are developed. They allow to treat large flow of data (signals, images) in a systematic and global method. The advantages of this approach for the enrichment of numerical simulation and arc process control are shown in different situations. Finally, this experimental approach is used in the context of the chosen application, to obtain rich measurements to describe the dynamic behavior of the weld pool in P-GMAW. Dimensional analysis of these experimental measurements allows to identify the predominant mechanisms involved and determine experimentally the characteristic times associated. This type of approach includes better describe for the behavior of a macro-drop of molten metal or the phenomena occurring in the humping instabilities.

Dans ce travail, nous avons étudié certains aspects fondamentaux (i) du mouillage, (ii) de germination aux interfaces réactives et au sein de la brasure et (iii) de la cinétique de croissance de couches intermétalliques au cours de l'assemblage par brasage en électronique (système Cu/liquide Sn).Le mouillage de Cu, Ag et de leurs composés avec Sn (Cu3Sn, Cu6Sn5 et Ag3Sn) par les brasures liquide Sn-Cu a été étudié par la technique de la goutte déposée dans un four à vide et suivi d'une caméra rapide. Dans la gamme de températures 300-6000C, la première étape de mouillage a lieu en moins de 10 ms et la vitesse d'étalement est d'environ 0.25 m.s-1. Au cours de cette étape (étalement non réactif) la cinétique d'étalement est pratiquement indépendante de T et similaire à celui non réactif du Pb liquide sur Cu. L'angle de contact d'équilibre de Sn liquide sur une surface non-réagi de Cu est inférieur à 300. Les angles de contact non réactifs sur Cu3Sn, atteints en moins de 10 ms, diminuent de 23 à 100 lorsque T augmente de 300 à 5000C. Au cours du mouillage sur Cu6Sn5 à 3900C, de faibles angles de contact (200) sont atteints en moins de 10 ms. Les résultats des expériences de mouillage sur Ag et Ag3Sn ont permis de proposer un mécanisme d'étalement en deux étapes: une première étape de mouillage non réactif très rapide et une seconde de mouillage réactif lente.En mettant en œuvre un dispositif expérimental d'immersion rapide et les techniques de TEM et SEM-FEG, nous avons réussi à étudier, pour la première fois, la séquence de formation des intermétalliques à l'interface Cu/alliage liquide au début de la réaction (1 ms à 1 s) à 2500C. Ces expériences donnent, pour la première fois, la réponse à une des questions les plus ouvertes et intéressantes concernant le brasage en électronique: la première phase qui se forme à l'interface Cu/Sn liquide est Cu6Sn5. Ensuite, nous avons développé une approche théorique sur les critères de suppression de la seconde phase (Cu3Sn) en supposant que Cu6Sn5 est la première qui se développe à l'interface sous forme d'une couche continue. Par ailleurs une modélisation théorique des étapes antérieures, lorsque la germination d'un embryon isolé de Cu3Sn se développe, est proposé.La cristallisation de l'alliage eutectique Sn-Cu a été étudiée par DSC en appliquant des cycles thermiques de fusion complète et partielle. Différentes catégories de degrés de surfusion ont été obtenues. En particulier, des degrés de surfusion faibles (1-7K) ont été détectés pour la première fois dans le cas de la fusion partielle. Une approche théorique sur la nucléation hétérogène est développée et les sites responsables de la germination ont été proposés.La comparaison directe de la cinétique de croissance dans le couple standard Cu/Sn liquide et celui incrémental Cu3Sn5/Sn liquide nous a permis de proposer un mécanisme de croissance de Cu6Sn à l'interface de Cu/Sn liquide. Les résultats obtenus sont compatibles avec le modèle FDR.Des expériences spécifiques de réactions interfaciales entre Cu et l'alliage liquide métastable Sn-0.7wt.%Cu à 2220C et pour des temps de réaction aussi long que 32 h ont été effectuées pour la première fois. Ceci est réalisé par des expériences spécifiques de DSC afin de contrôler l'état physique de l'alliage et la température. La comparaison directe des cinétiques de croissance et de la morphologie des couches réactionnelles formées entre les couples Cu/liquide et Cu/solide, à la même température, a conduit à la conclusion suivante: la grande différence de cinétique de croissance est due à la diffusion à l'état liquide par l'intermédiaire des canaux liquide de largeur nanométrique formés entre les joints de grains de Cu6Sn5 et/ou par des canaux cylindriques de rayon de quelques dizaines de nm formées aux joints triples des grains de Cu6Sn5. Une évaluation théorique de la largeur de ces canaux est effectuée pour la première fois et son évaluation est cohérente avec le modèle FDR. / In this work we have studied some fundamental aspects of (i) wetting, (ii) nucleation at reactive interfaces as well as inside the solder bulk and (iii) growth kinetics of intermetallic layers during a soldering process in electronic industry (Cu/liquid Sn system).Wetting of metallic substrates Cu, Ag and their intermetallics with Sn (Cu3Sn, Cu6Sn5 and Ag3Sn) by liquid Sn-Cu solders was studied by the dispensed drop technique in a high-vacuum furnace and using a rapid camera for recording the spreading process. In temperature range 300-600C, the first stage of wetting of Cu by liquid alloy occurs in less than 10ms and the spreading rate is about 0.25 m.s-1. During this stage (non reactive spreading) the spreading kinetics is practically temperature independent and similar to that of the non-reactive liquid Pb on Cu. The equilibrium contact angle of liquid Sn on a non-reacted and clean surface of Cu is lower than 300. The non-reactive contact angles on Cu3Sn, attained in less than 10 ms, decrease from 23 to 100 when T increases from 300 to 500C. During wetting of Cu6Sn5 at 390C, low contact angle of about 20 are attained in less than 10 ms. Results of wetting experiments of Ag and Ag3Sn substrates allowed to propose a mechanism of the spreading kinetics in two stages: a very rapid non reactive wetting and a slow reactive wetting stage.By implementing a fast dipping experimental set-up and SEM-FEG and TEM techniques, we succeed to study for the first time the sequence of formation of intermetallics at the Cu/liquid alloy interface at the very beginning of reaction (1 ms to 1 s) at 250C. These experiments give, for the first time, the answer to one of the most challenging questions in soldering: the first phase that appears at Cu/liquid Sn interface is the Cu6Sn5 phase. Afterwards, we developed a theoretical approach on the suppression criteria of the second phase formation (Cu3Sn) by assuming that Cu6Sn5 is the first phase that grows at the interface in form of a continuous layer. Moreover, a theoretical modeling of even earlier stages of the isolated nucleus of Cu3Sn phase nucleation is developed.Crystallization of eutectic Sn-Cu alloy was studied by performing specific DSC experiment by applying thermal cycles of complete and partial melting of the solder. Different categories of the undercooling degrees are obtained. In particular, low undercooling degrees (1-7K) are detected for the first time in the case of partial melting. A theoretical approach on heterogeneous nucleation is developed and the responsible sites of nucleation in the case of low undercooling degrees are proposed.Direct comparison of Cu6Sn5 growth kinetics in standard Cu/liquid Sn and in incremental Cu3Sn/liquid Sn couple gave a link with the operating mechanism of the Cu6Sn5 phase growth at solid Cu/liquid Sn interface. The obtained results are also consistent with the FDR model.Specific experiments dealing with interfacial reactions between Cu substrate and metastable liquid Sn-0.7wt.%Cu alloy at 222°C for reaction times as long as 32 h were performed for the first time. This is achieved by performing specific DSC experiments in order to monitor and control the physical state of the alloy as well as to set the accurate reaction temperature. Direct comparison of Cu/liquid and Cu/solid solder growth reaction kinetics and layer morphology at the same temperature lead to the conclusion that the large difference in the growth kinetics between the two couples can be explained if the growth occurs by the liquid state diffusion via the liquid channels of nanometric width formed between grain boundaries of Cu6Sn5 phase and/or by cylindrical channels of radius of some tens of nanometers formed at the triple line junctions of Cu6Sn5 scallops. A theoretical evaluation of the liquid channel width is performed for the first time. Evaluation is consistent with the FDR model.

La vidange d'un réservoir à travers un orifice a été décrite par Torricelli il y a presque 400 ans. Son modèle ne prévoit aucun effet du mouillage du fluide qui s’écoule sur la plaque percée. Cette thèse montre expérimentalement que pour un orifice de taille comparable à la longueur capillaire, pour des fluides newtoniens peu visqueux, l’effet du mouillage sur le débit est important. Un modèle calculant la variation d'énergie cinétique dans le ménisque à la sortie du trou rend compte des observations expérimentales. Une instabilité, inconnue, du jet en sortie du trou apparaît également ; l'oscillation de la ligne triple du ménisque en est la cause. Les relations de dispersion de la fréquence d’excitation et des fréquences secondaires apparaissant le long du jet ont été établies.Cette étude a été complétée par des écoulements de fluides visqueux et viscoélastiques. Pour les fluides visqueux, le modèle d’écoulement du fluide parfait est corrigé à partir de nos expériences. Pour les fluides viscoélastiques, les expériences montrent qu'il y a compétition entre les dissipations visqueuses et les effets élastiques tout le long de l'écoulement. La prédiction de ces deux effets n'est pas aisée. Nous montrons des situations où les effets élastiques prédominent, permettant à une solution de polymère de couler plus vite que de l'eau.Pour finir, un second système expérimental a été construit permettant l'écrasement de fluides complexes entre deux plaques de verre parallèles. La visualisation, la mesure de la position et de la force normale, permettent de mieux comprendre le comportement de systèmes tels que les mousses, les émulsions, les gels sous une contrainte normale. / The draining of a tank through an orifice was described by Torricelli almost 400 years ago. His model does not provide for any wetting effect of the flowing fluid on the drilled plate. This thesis shows experimentally that the effect of wetting on the flow rate is important for Newtonian fluids with low viscosity in the case of an orifice the size of which is comparable to the capillary length. A model calculating the kinetic energy variation within the meniscus at the outlet of the hole allows us to account for experimental observations. Unknown jet instability also appears at the outlet of the hole; this is the oscillation of the meniscus triple line that is causing it. The relations of dispersion of the excitation frequency as well as that of the secondary frequencies appearing along the jet have been established.This investigation was supplemented by flows of both viscous and viscoelastic fluids. For viscous fluids, the perfect fluid model is corrected based on our experiments. For viscoelastic fluids, experiments show that there is competition between viscous dissipations and elastic effects throughout the flow. The prediction of both effects is challenging. We show situations where elastic effects dominate, allowing a polymer solution to flow faster than water.Finally, a second experimental set-up was build for compressing complex fluids between two parallel glass plates. Visualization, both position and normal force measurements, allow a better understanding of the behavior under normal stress of systems such as foams, emulsions, gels.

Les matériaux composites à matrice céramique CMC, sont généralement formés d’au moins deux matériaux ayant une forte capacité d’adhésion. Ces matériaux sont principalement composés de renforts fibreux assurant la tenue mécanique de la structure et d’une matrice qui permet sa cohésion. Utilisées principalement dans le domaine de l’aéronautique, elles sont reconnues pour leur bonne tenue mécanique, leur réfractarité élevée tout en conservant une densité faible. Par contre, l’inconvénient majeur associé à ces matériaux est l’apparition de fissures qui sont dues soit au procédé de fabrication soit aux sollicitations mécaniques externes.Dans ce travail, une attention toute particulière est consacrée aux composites à matrice auto-cicatrisante dont la principale propriété est l'aptitude à "réparer" les effets de la fissure par formation d'un verre visqueux.Ces verres visqueux se forment au sein de la fissure grâce à l’oxydation des éléments qui constituent la matrice. Selon la température, différents verres peuvent être formés.Leur fonction est de reboucher les fissures de taille micrométrique de façon à ralentir la diffusion de l'oxygène en direction des fibres et éviter leur rupture par oxydation.Cependant, pour des systèmes en rotation rapide tels que les turbines basse pression des moteurs d’avion (pièce étudiée actuellement), on peut s'interroger quant à la mobilisation du verre visqueux cicatrisant dans un système complexe géométriquement et inhomogène du point de vue de la nature des surfaces. Pour approcher le comportement du verre cicatrisant dans un système modèle mais néanmoins réaliste, une approche de modélisation numérique a été entreprise. L'outil numérique utilisé pour cette étude est le code de calcul Thétis développé à l’I2M. Celui-ci est adapté à ce type de simulation puisqu'il permet la modélisation d'écoulements diphasiques incluant des phénomènes physiques complexes tels que le mouillage. Ainsi, l'objectif de ce travail est-il de déterminer les limites d'utilisation de ce type de matériau en fonction des conditions auxquels il est soumis en évaluant la mobilité du verre cicatrisant dans la fissure. / The Ceramic Matrix Composites (CMCs) are generally formed of at least two materials having strong adhesion ability. These materials are mainly composed of fibrous reinforcement which ensures the mechanical resistance of the structure and a matrix which allows its cohesion.Used mainly in aerospace, the CMCs are highly valued for their good mechanical strength, their good refractory properties associated with a low density.However, the major drawback of these materials is cracks formation due to manufacturing process or to external mechanical stresses.In this study, we focus on composite materials having self-healing properties. These materials have the ability to produce healing viscous glasses in presence of oxygen.These viscous glasses are formed in the crack under the influence of oxidation of matrix compounds. Depending on the temperature level, glasses of different natures are formed.Their main role is to reseal the micrometric cracks, to limit oxygen access to the fibers in order to prevent their rupture by oxidation.However, for fast rotating systems such as the low pressure turbine of aircraft engines, we may question about mobilization of such a viscous glass in a system characterized by a complex geometry and chemically inhomogeneous surfaces.Therefore, a numerical approach was undertaken, using "Thetis" software. Developed at I2M, this software allows us modelling two-phase flow in model simplified geometry (reflecting however reality) including complex phenomena such as wetting. Numerical results yield to the determination of operating limitations of CMCs in terms of healing efficiency as a function of external mechanical stresses (rotation) and crack geometry.

Le travail de cette thèse concerne l’étude des écoulements diphasiques dans les mini-canaux d’une pile à combustible. Ces canaux, de taille millimétrique, ont un double rôle d’alimentation de la pile en combustibles gazeux et d’évacuation de l’eau produite. Il a été montré expérimentalement que la configuration d’écoulement a un impact direct sur les performances de la pile. L’objectif est donc de progresser dans la compréhension des mécanismes physiques présents dans ces canaux. Pour cela, l’outil de simulation numérique JADIM est développé pour modéliser la physique de la ligne triple afin de permettre la description des écoulements diphasiques et les transitions entre configurations, où la mouillabilité joue un rôle déterminant. Deux phénomènes physiques sont essentiellement étudiés : la migration dans le canal de gouttelettes formées par l’introduction d’eau dans le canal, et l’évolution et la stabilité de la répartition spatiale des phases lors du remplissage progressif des canaux.

Le développement récent de la nanofluidique pose de nombreuses questions concernant les lois et longueurs caractéristiques qui régissent l’hydrodynamique et le mouillage à l’échelle du nanomètre. Pour aborder ce sujet, nous avons utilisé des techniques de microscopies avancées en sondant l’interface liquide/air à l’aide de pointes non conventionnelles. L’AFM utilisé dans le mode oscillant modulation de fréquence (FM-AFM) donne accès, de manière indépendante, à la force exercée par le liquide pendant une approche-retrait, et aux composantes conservatives et dissipatives de l’interaction pointe-ménisque. Des expériences complémentaires menées en microscopie électronique (MEB) permettent de visualiser le nanoménisque créé et de mesurer la force capillaire résultante. La couche visqueuse entraînée par l’oscillation de la pointe est d’abord étudiée. Le coefficient de friction et la masse ajoutée sont mesurés par FM-AFM en fonction de la viscosité des liquides et de la fréquence d’excitation. Un modèle basé sur une description classique rend compte quantitativement de l’ensemble des résultats expérimentaux permettant ainsi une évaluation du champ de vitesse entraîné par la nanosonde.Les méthodes développées ont permis d’étudier les caractéristiques de l’interface liquide. Le profil du nanoménisque est modélisé et validé grâce aux observations MEB. La raideur du ménisque mesurée expérimentalement par FM-AFM et décrite théoriquement démontre une dépendance logarithmique avec l’extension latérale du ménisque.Des résultats préliminaires sont également obtenus avec des pointes de carbone sur lesquelles glisse la ligne de contact, donnant accès à la dissipation dans le nanoménisque et à la ligne de contact, ainsi qu’à l’ancrage sur des défauts uniques, un des problèmes ouverts de la physique du mouillage.Cette étude démontre que le FM-AFM et le MEB sont des outils pertinents pour sonder quantitativement les propriétés des liquides à l’échelle nanométrique, ouvrant la voie à des études systématiques sur le mouillage à l’échelle nanométrique / The recent development of nanofluidic raises many issues about laws and characteristic lengths governing hydrodynamics and wetting at the nanometer scale. To address this issue, we used advanced microscopy techniques to probe the liquid/air interface with unconventional tips. The oscillating frequency modulation mode (FM-AFM) of the Atomic Force Microscope (AFM) gives independent access to the force applied by the liquid during an approach-withdrawal ramp, and to the conservative and dissipative components of the tip-meniscus interaction. Additional experiments conducted by electron microscopy (SEM) helped visualizing the shape of nanomeniscus to measure the resulting capillary force.The viscous layer set in motion by the oscillation of the tip is studied first. The friction coefficient and the added mass are measured by AFM-FM as a function of the viscosity of the liquid and of the excitation frequency. A model based on a classical description reflects quantitatively all experimental results enabling an evaluation of the velocity field caused by the nanoprobe.The developed methods also served to study the properties of the liquid interface. Nanomeniscus profile is modeled and validated through SEM observations. The stiffness measured experimentally by FM-AFM and described theoretically shows a logarithmic dependence with the lateral extension of the meniscus.Preliminary results are also obtained with carbon tips on which the contact line slides, giving access to the energy dissipation in the nanomeniscus and at the contact line, as well as to the anchoring of single defaults, an open issue of wetting physics.This study demonstrates that FM-AFM and SEM are relevant tools to probe quantitatively the properties of liquids at the nanoscale, opening the way for systematic studies on wetting at the nanoscale

Cette thèse est consacrée à l’étude du drainage dans des micromodèles de milieu poreux. Les techniques classiques de microfluidique (verre, PDMS) sont utilisées pour la réalisation de poreux modèles 2D de type grille. Des techniques de traitement de surface permettent de faire varier les conditions de mouillage. Le mouillage total, pseudo-partiel et partiel est étudié. Des méthodes d’analyse d’images sont développées afin de quantifier les vitesses locales lors de l’invasion du milieu poreux, vitesses qui sont ensuite comparées aux vitesses imposées. Ces données mettent en évidence avant percolation des comportements très différents selon la nature du mouillage. Un modèle permet de rendre compte des phénomènes observés. Nous expliquons pourquoi l’évolution après la percolation diffère selon la nature du mouillage. Enfin, l’influence de la rhéologie du fluide pousseur est abordée, celle d’un balayage initial à l’eau à très faible nombre capillaire également. / Drainage experiments in model porous media are performed. Our 2D micromodels consist of a regular network; they are made in glass or in PDMS. The wetting properties of the chip vary from total, pseudo-partial to partial wetting. Experiments are performed under flow rate control. Taking advantages of microfluidic devices, local velocities of the injected fluid are measured. The average of all these local velocities is compared to the velocity imposed by the syringe pump. Before percolation, the invasion percolation process for all wetting cases is studied. Depending on the wetting properties, several behaviours are observed. We develop a model to explain our experimental data. After percolation, the effects of wetting are huge; we explain why oil could remain trapped or not. Finally, we consider the influence of rheology by injecting non Newtonian liquids as pushing fluids, and also the effects of preferential paths.