Les effluents pétroliers contiennent généralement des hydrocarbures lourds en faible quantité. Toutefois dans certains gisements, où les fluides sont stockés à des profondeurs importantes dans des conditions de pression et de température proches des conditions critiques, la proportion de composés lourds peut être significative et donc engendrer des modifications importantes des propriétés thermophysiques de ces fluides, particulièrement sur les équilibres de phases liquide - solide. En effet, suivant la proportion et la nature de la fraction lourde, la température de fusion peut s'élever de façon drastique. Ainsi la présence de composés lourds peut provoquer l'apparition de dépôts solides au sein des équipements d'exploitation ou dans les conduits de transport. La prévention de ces dépôts solides, qui constituent un risque important de détérioration du matériel, passe, en premier lieu, par la détermination précise des conditions d’apparition des premiers cristaux de paraffine au sein des fluides de gisement. Dans cette perspective, cette thèse a pour objectif principal le développement d’une méthode expérimentale d’observation des conditions de formation des cires au sein des huiles brutes ainsi que de leur évolution en fonction des conditions de température et de pression. Pour cela, une technique microscopique couplée à une analyse d’image novatrice est proposée. / Most of petroleum reservoir fluids contain a small amount of heavy hydrocarbons. However, in some deep oil reservoirs, in which fluids are stored under high pressure and high temperature conditions, the light components in supercritical state are able to dissolve a significant amount of high molecular weight components. The heavy components, which are soluble in crude oil under reservoir conditions, may precipitate as a waxy solid phase when temperature decreases below the cloud point. According to the nature and the quantity of heavy components, the wax appearance temperature may be high in some crude oils (higher than the water freezing point). In this case, due to a decrease in temperature or due to a modification of the composition of light components, wax deposition may occur during production or when oil is transported through pipelines across cold areas. Thus, the presence of heavy components in reservoir fluids constitutes a potential risk of plugging process equipment at different stages of exploitation. To prevent and to avoid paraffin deposition in pipelines, it is first required to determine the wax appearance conditions throughout the pressures encountered during production.To this end, the main objective of this thesis is the design and the development of a new experimental technique for determining visually the liquid-solid phase transitions in crude oils. This technique rests on a digital microscopic image analysis to detect the onset of wax precipitation and the evolution of waxy solid as a function of temperature and pressure.

Le but principal de mon projet de thèse était de développer un instrument de mélange en vol de microgouttes pour jets d'encre synchronisés. Les microgouttes balistiques passent voir l'air peut être pensé comme des navires de réaction avec des volumes en bas à la pl-gamme. Les réactifs restent limités dans les microgouttes pendant leur trajectoire. Les effets de tondage induits de la présence murale ne jouent pas de rôle; bien que la compression mécanique de la solution pendant le processus d'éjection puisse influencer l'intégrité structurelle de protéines fragiles. J'ai exploré dans ma thèse pour la première fois la combinaison de microgouttes balistiques avec des techniques de microdiffusion stroboscopique. L'effort instrumental principal était donc de développer une installation stable avec deux jets d'encre pour étudier mélange de microgouttes en vol à ligne de lumière ID13, ESRF utilisant expériences de diffusion centrale et de diffraction de rayons X stroboscopique. J'ai utilisé ces techniques pour étudier la paraffine liquide en vol et des microgouttes de cytochrome C et la coalescence de microgouttes de cytochrome C avec des microgouttes de tampon de Na-acetate. J'ai également exécuté des expériences exploratoires de diffraction de rayons X à la ligne de lumière ID13 sur des microgouttes de paraffine solide déposés sur des surfaces et la diffraction dépendante de la température sur le solide de paraffine pour calibrer les données stroboscopiques. Des expériences statiques de diffusion centrale ont été exécutées à la ligne de lumière ID02 pour obtenir des courbes de la référence pour les états de conformation de solutions du cytochrome C .

Même si le transport par pipelines de bruts conventionnels reste relativement aisé, il devient plus problématique si le brut est composé d'un grand nombre de molécules hydrocarbonées comme les paraffines. Ces bruts paraffiniques ont la particularité d'avoir une température de prise en gel élevée, souvent supérieure à la température de l'environnement dans lequel il s'écoule. Lorsque l'écoulement dans la conduite est arrêté, la température diminue et entraîne la formation de bouchons de gel de plusieurs centaines de mètres. Après un long arrêt, il devient difficile de redémarrer l'écoulement. Le manque de compréhension des phénomènes impliqués lors du transport d'un brut paraffinique conduit à une surestimation des pressions de redémarrage et donc à un surcoût pour les compagnies pétrolières. Ainsi, ces travaux de thèse s'attachent à améliorer la compréhension du comportement d'un brut paraffinique et à enrichir sa modélisation afin que les simulations numériques prévoient des pressions et des temps de redémarrage plus précis. En faisant référence aux travaux théoriques, expérimentaux et numériques, il est décrit le comportement viscoplastique, thixotrope et compressible d'un brut paraffinique. Les propriétés thermiques et mécaniques liées à l'histoire du brut jouent un rôle essentiel sur le comportement du brut au redémarrage. Ainsi, le transport d'un brut paraffinique avant l'arrêt de la conduite correspond à l'écoulement stationnaire non-isotherme dans une conduite 2D axisymétrique d'un fluide viscoplastique dont les propriétés rhéologiques dépendent de la température. Le comportement d'un brut paraffinique au redémarrage est décrit par le déplacement d'un fluide viscoplastique, thixotrope et compressible par un autre fluide. Le caractère thixotrope est pris en compte par le modèle de Houska et la compressibilité est introduite dans le modèle de redémarrage. La loi de comportement est implémentée grâce à une technique de Lagrangien augmenté associée à un algorithme d'Uzawa afin d'appréhender sa non-dérivabilité. Les équations du problème sont discrétisées grâce à une méthode de Volumes Finis et un schéma TVD (Total Variation Diminishing) est utilisé pour traiter les termes de transport. La méthode de résolution habituellement utilisée pour les fluides viscoplastiques incompressibles est adaptée à des situations compressibles. Différents tests numériques sont menés et montrent les bonnes propriétés de convergence des algorithmes de résolution. Les résultats non-isothermes montrent la sensibilité des zones cisaillées/non-cisaillées aux variations de la température. L'influence des effets combinés de la thixotropie et de la compressibilité sur la capacité de redémarrage est également observée. Un fluide thixotrope incompressible ne pouvant être redémarré, peut être remis en écoulement si une compressibilité lui est ajoutée. Enfin, une étude comparative entre les résultats numériques et expérimentaux permet de valider le code numérique.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Ingenierie de la santé. Biophysique : Reims : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliographie f.238-255.

Les zones de collision continentale présentent à la fois un champ de déformation en raccourcissement et des anomalies thermiques susceptibles de faire fondre partiellement la croûte. Ainsi, la ségrégation du liquide de fusion de sa source est un processus dynamique que nous avons modélisé de façon analogique en utilisant une cire de paraffine partiellement fondue. L'analogie avec les migmatites est assurée par la structure foliée de la cire, les contrastes de viscosité entre liquide et solide et par le rapport entre les forces dues à la charge lithostatique et les forces nécessaires au raccourcissement horizontal. Le dimensionnement des expériences autorise l'application des résultats à des objets naturels dont les échelles sont comprises entre la dizaine de centimètres et la centaine de mètres. Le raccourcissement horizontal d'environ 30 à 40% de couches horizontales montre que le plissement s'accompagne de l'ouverture de veines parallèles à la foliation permettant la ségrégation du liquide. Alors que celle-ci a lieu par compaction de la matrice à l'échelle microscopique, la migration du liquide fonctionne grâce aux gradients de pression qui naissent des changements de géométrie du réseau macroscopique de veines. Etant lié à une progression continue de la déformation, ces processus s'arrêtent avec la fin du raccourcissement. Les veines se concentrent soit dans les flancs, soit dans les plans axiaux, rendant la distribution du liquide hétérogène. Dans ces zones, la diminution de la résistance localise la déformation et amplifie en conséquence le taux d'extraction. Les structures visibles sur un affleurement de migmatites étudié dans la chaîne hercynienne sont cohérentes avec les résultats expérimentaux. De plus, cet affleurement montre une grande quantité d'enclaves auréolées de leucosomes. Le rôle de l'hétérogénéité mécanique sur le collectage du liquide est mis en évidence et expliqué analogiquement et numériquement par la perturbation locale du champ de pression.

Le travail de recherche mené au cours de cette thèse a été effectué dans le cadre d’une collaboration industrielle et a porté sur l’étude des caractéristiques physico-chimiques d’une matrice lipidique à libération prolongée. L’originalité de cette dernière tient à sa forme galénique, des microsphères calibrées d’environ 400 µm de diamètre, fabriquées par procédé de prilling puis conditionnées en sachets.Les caractérisations entreprises au cours de cette thèse ont été menées progressivement en partant de l’étude du comportement thermique individuel des constituants (excipients lipidiques et principe actif), puis de leurs mélanges pour définir les conditions d’existence et les caractéristiques structurales des phases solides qu’ils engendrent, notamment lors du prilling. Plusieurs diagrammes d’état partiels ont été construits pour permettre de cerner l’organisation de la matrice formant le produit fini et disposer de leviers fiables pour corriger d’éventuelles déviations du procédé de fabrication. Cette analyse était également indispensable pour décrire précisément le processus de libération du principe actif et en déterminer les paramètres cinétiques. / The research conducted in this thesis, during an industrial collaboration, is focused on the study of physicochemical characteristics of a sustained release lipid matrix. The originality of this matrix is its dosage form, microspheres of 400 microns in diameter, manufactured by a prilling process and packaged in stick-packs.The characterizations conducted during this thesis have been carried out gradually starting from the study of the thermal behavior of individual components (lipidic excipients and drug) and their mixtures to define the phase formation conditions and the structural characteristics of the solid phases generated, especially during the prilling process. Partial phase diagrams were constructed to understand the final product matrix organization and to identify actions to correct any deviations in the process. This analysis was also needed to accurately describe the drug release mechanism and to determine the kinetic parameters.

Les variations de température à la surface externe d'une conduite peuvent provoquer la solidification du fluide en écoulement interne, induisant la formation de dépôts solides sur les parois en contact avec le fluide. Ces dépôts peuvent s'avérer néfastes au bon fonctionnement du système intégrant cette conduite ce qui motive l'étude de ces phénomènes physiques afin de comprendre les mécanismes qui les gouvernent et de permettre leur prévention. Ce genre de situations peuvent être rencontrées dans le domaine pétrolier, par exemple lors du transport en pipeline d'huiles chargées de paraffines, d'hydrates ou d'asphaltènes ; dans le domaine agroalimentaire pour la circulation de produits liquides dans des tubes refroidis ou bien tout simplement pour des canalisations d'eau subissant un refroidissement. Dans la majorité des cas le fluide en écoulement dans les conduites pétrolières est un matériau à changement de phase (MCP) complexe et sa composition multiple avec des interactions entre la rhéologie, la constitution et la température impactant la thermo-hydrodynamique de l'écoulement et la cinétique de transition de phase. Dans le cadre de cette thèse nous proposons de nous pencher sur ces aspects par voie de modélisation. Dans la première partie de ce travail, nous avons développé un modèle physique basé sur la méthode enthalpique pour étudier l’impact de la convection naturelle sur des écoulements et des transferts thermiques avec transition de phase solide liquide dans différentes géométries (cavité carré, cylindre, sphère, autour d’un faisceau de cylindre, …). L'effet du maillage et de l'ordre de précision des schémas numérique est aussi présenté. Le même modèle a été utilisé pour analyser la cristallisation d’un mélange de deux paraffines dans des cellules calorimétriques (Differential Scanning Calorimetry). Pour cette étude, le modèle a été validé à l’aide des résultats expérimentaux de la technique DSC. Le problème de l’écoulement d’un mélange de deux paraffines dans une conduite cylindrique a été aussi abordé afin de prédire la cristallisation du mélange sur la paroi interne de la conduite. Une étude paramétrique a été effectuée pour analyser l’influence de différents paramètres (nombre de Reynolds, concentration initiale de la solution binaire, température de la paroi, …) sur la cinétique de la cristallisation du mélange. La deuxième partie de la thèse a été consacrée à l’étude de l’écoulement avec changement de phase liquide-solide d’un brut paraffinique dans des conduites pétrolières. En effet, la cristallisation des paraffines dans les bruts engendre un équilibre phase thermodynamique liquide/solide. Un modèle thermodynamique rendant compte de cet équilibre a été développé (et validé à l’aide de résultats expérimentaux disponible dans la littérature). Ce modèle nous a permis de prédire la température de cristallisation commençante (Wax Appearance Temperature), ainsi que la quantité de paraffines cristallisées. Ce modèle thermodynamique a été couplé avec un modèle physique reposant sur les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement, de l'énergie et des espèces pour décrire l’écoulement d’un brut paraffinique avec changement de phase liquide-solide dans des conduites pétrolières. Le modèle physique a été validé à l’aide de résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. / Temperature change at the outer surface of a pipe can cause solidification of the fluid flowing internally, inducing the formation of solid deposits on the walls in contact with the fluid. This kind of phenomena can be encountered in many situations in the industrial context such as petroleum industries, for example when transporting pipeline oils with paraffins, hydrates or asphaltenes; food industry for the flow of liquids in cooled tubes or simply for water pipes undergoing cooling.The rheology of the transported fluid, its composition and temperature are among the key factors that influence the thermo-hydrodynamics of the flow and the kinetics of the formation of the deposits. The analysis of their impact is required to enhance the understanding of these mechanisms in order to avoid their undesirable effects as fouling or complete blockage of pipes.In this thesis we propose to study these mechanisms by numerical modelling. We will focus on the modelling of phase change and especially on the description of liquid-solid interfaces by models able to integrate the thermodynamics of physical phenomena such as diffuse interface methods. We seek the two-dimensional numerical resolution of the equations of flow, heat and mass transfer while taking into account the coupling between rheology, composition and temperature in the liquid phase as well as at the interface. The work will be undertaken in the basis of the in-house computational fluid dynamics (CFD) code developed in the laboratory.

Les canalopathies cardiaques congénitales constituent la principale hypothèse diagnostique dans les cas de mort subite inexpliquée chez les sujets de moins de 35 ans. Notre travail a eu pour objectif demettre au point une stratégie de détection post-mortem des mutations sur les gènes connus pour être impliqués dans les canalopathies cardiaques, applicable en routine, à partir de la principale source d'ADN post-mortem disponible en France à savoir les prélèvements fixés au formol et inclus en paraffine (FFIP). A partir d'une cohorte de 12 cas, deux techniques de détection de variants génétiques ont été évaluées, une technique de criblage par l'analyse des courbes de fusion haute résolution et une technique de génotypage par spectrométrie de masse MALDI-TOF, respectivement sur le gène KCNQ1 et le gène RyR2. Quelle que soit la technique utilisée, il n'est pas possible de s'affranchir du séquençage de type Sanger afin d'explorer les séquences d'intérêts qui n'ont pu être optimisées avec l'une ou l'autre des méthodes à la fois sur les prélèvements congelés et FFIP. L'arrivée des séquenceurs de nouvelles générations ouvrent ainsi de nouvelles perspectives dans ce domaine.

Dans le domaine des Lab-on-a-chip (LOC), la géométrie des canaux d'une puce microfluidique est souvent spécifique à la réalisation d'un protocole donné. La géométrie d'une puce est définie à l'étape de conception, avant les étapes de fabrication (généralement longues et coûteuses), et ne peut être modifiée a posteriori. Ce constat devient problématique lorsque la géométrie ne répond pas de façon satisfaisante au cahier des charges et qu'un nouveau lot de fabrication doit être démarré afin de redimensionner la puce. Pour pallier cet inconvénient, nous proposons de développer des puces microfluidiques génériques dont la géométrie est programmable et reconfigurable. Ce concept s'appuie largement sur les deux techniques de microfluidique digitale, l'électromouillage sur diélectrique (EWOD) et la diélectrophorèse liquide (LDEP). La première voie d'étude se concentre sur la technique de microfluidique LDEP. Tout d'abord, un modèle électromécanique, décrivant les comportements des liquides lors d'actionnements par LDEP ou EWOD, est établi. Ce modèle sert ensuite de base pour la conception et la fabrication de designs LDEP. Ces derniers sont testés afin d'identifier les géométries et les empilements technologiques, offrant des actionnements LDEP optimisés. L'étude, qui prend en compte un grand nombre de paramètres, montre que, avec des configurations et conditions spécifiques, les actionnements de liquide par LDEP offrent des performances égales, a minima, sur certains points, et supérieures sur d'autres par rapport à l'ensemble des études reportées dans la littérature. Enfin, un protocole de fonctionnalisation de surface par des spots de polymère de quelques microns à plusieurs dizaines de microns de diamètre, utilisant la technologie LDEP, est décrit. Cette méthode est susceptible de concurrencer directement les méthodes de fonctionnalisation classiques. La seconde voie d'étude traite du concept de géométrie programmable et reconfigurable, à l'aide de plateformes microfluidiques couplant les effets LDEP et EWOD. Dans un premier temps, les plateformes en configuration " ouverte " permettent de produire des moules à géométrie programmable pour la réalisation de puces microfluidiques en PDMS. Les résultats de cette étude prometteuse aboutissent, entre autres, à la réalisation de géométries de canaux complexes et typiques dans le domaine de la microfluidique (jonctions en " T " et valves de type " Quake "). Dans un second temps, les résultats les plus aboutis de ce manuscrit sont exposés à propos du concept de géométrie programmable et reconfigurable en utilisant de la paraffine. Un protocole spécifique, exploitant judicieusement les déplacements de liquides par EWOD et LDEP, donne lieu à la fabrication d'un grand nombre de puces microfluidiques, comportant des géométries de canaux complexes et variées. Dans les deux cas, un grand nombre de géométries peut être généré a à partir d'une seule plateforme microfluidique digitale générique. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives de travail originales et prometteuses, dont certaines d'entre elles sont abordées en marge des objectifs initiaux. La première se trouve dans la continuité du concept de géométrie programmable et reconfigurable, en proposant une technologie à bas coût (substrat souple en Kapton et impression d'électrodes avec de l'encre conductrice). La seconde perspective instruit la compatibilité des technologies comportant des structures résonantes de type MEMS et des structures métalliques LDEP (en polysilicium) à l'échelle submicronique.

L’objectif de ce travail consiste en l'étude expérimentale et la modélisation du comportement thermo-hydraulique d'un fluide frigoporteur diphasique (FFD) particulier : le coulis de paraffine, en écoulement dans un canal rectangulaire simulant un échangeur à plaques. Les coulis de paraffine sont constitués de particules millimétriques de paraffine, stabilisées dans une matrice poreuse el mises en suspension dans de l'eau. Les particules de paraffines sont composées de 75% en masse de Norpar®15 et de 25% de polymère tri-block qui sert à gélifier la paraffine. Les résultats expérimentaux issus de bilans sur les veines d'essai de l'installation développée el mise en place au Centre de Thermique de Lyon (CETHIL), mettent en évidence une intensification importante du coefficient d'échange thermique, due a la présence des particules dans le fluide porteur. Pour un écoulement laminaire du coulis de paraffine dans le canal de refroidissement, une multiplication moyenne par 1 ,25 à 1 ,5 du coefficient d'échange global par rapport au fluide monophasique a été enregistrée pour des fractions massiques en particules de 6 à 12 %. Par régression linéaire des résultats expérimentaux, des corrélations pour le calcul des nombres de Nusselt local et moyen sont proposées. Une approche théorique basée sur le modèle de mélanges (Mixture Mode!) a été élaborée pour étudier le comportement hydraulique et thermique du fluide frigoporteur diphasique FFD pendant son refroidissement en écoulement laminaire dans un canal rectangulaire. L'évolution des valeurs expérimentales et théoriques pour la température moyenne du fluide et le coemcien1 d'échange thermique paroi - fluide montrent qu'ils sont en bon accord. Le modèle peut être considéré comme satisfaisant car les écarts entre résultats théoriques et expérimentaux n'excèdent jamais 14 %. / This work concerns the experimental investigation and modelling of the thermo hydraulic behaviour of a new Iwo-phase secondary refrigerant, the paraffin slurry, flowing through a rectangular channel of a heat plate exchanger type. The paraffin slurries are made of millimetric bullets of paraffin, stabilized in an organic porous polymeric matrix, in suspension in water serving as a carrying fluid. The paraffin particles used contain 75% of paraffin called NORPAR®15 and 25% of a tri-block polymer of styrene with High Molecular Weight (HMW). The experimental results generated by the heat balances on the test sections of the experimental setup built in the Thermal Center of Lyon (CETHIL), highlight an important increase of the heat transfer coefficient, due to the particles presence in the carrying fluid. For a laminar flow of the paraffin slurry in the cold channel, an average multiplication by 1 .25 to 1.5 of the global heat transfer coefficient compared to the single-phase fluid was recorded for particles mass fractions of 6 to 12%. By regression of the experimental results, correlations for the local and average Nusselt number calculation for the laminar flows are proposed. The particularity of the presented correlations is their validity in the case of a pure fluid as we\l as for a two-phase fluid containing so\id particles. A model for the hydraulic and thermal behaviours studies of a Iwo-phase secondary refrigerant fluid during its cooling in laminar flow through a rectangular channel was developed it is based on the mixture model and to king the slip velocity into account. The evolution of the experimental and theoretical values for the fluid average temperature, the heat flow which crosses the walls and the heat transfer coefficient between the wall and fluid shows good agreement and the model is satisfactory since the variations never exceed 14%.