Dans ce document, nous présentons une nouvelle approche qui par l'intégration d'une méthode de radiosité hiérarchique avec regroupement, avec une méthode de lancer de particules, permet de simuler efficacement l'ensemble des chemins lumineux. Dans un premier temps, nous présentons une solution permettant cette intégration. Nous restreignons le lancer de particules pour les seuls échanges lumineux où cela se trouve être nécessaire. Pour cela, nous utilisons la structure de liens créee par la méthode de radiosité hiérarchique avec regroupement. Cette structure peut être considérée comme un partionnement de l'espace des échanges lumineux. Puis, nous présentons comment intégrer l'énergie due a ces particules a la solution globale. L'algorithme unifi´ ainsi obtenu permet une détection automatique des régions où un lancer de particules se révèle nécessaire et de plus, il permet une bonne variation entre une première solution rapide offrant une visualisation de ce que peut être un résultat final, et une solution de plus grande qualité, mais avec un temps de calcul plus élevé. Dans un deuxième temps, nous montrons comment cette approche unifiée peut s'adapter au cas dynamique. Nous introduisons pour cela une structure spatiale permettant de détecter efficacement, toujours a l'aide des liens, quelles sont les particules affect´ es par le déplacement d'un objet et qu'il faut donc renvoyer. Pour accélèrer et améliorer le résultat dans ce cadre, nous introduisons une nouvelle méthode de reconstruction des effets lumineux dus aux particules, par l'utilisation de textures. L'algorithme ainsi présenté permet une mise a jour incrémentale rapide pour les scènes dynamiques. Pour finir, nous présentons une méthode de reconstruction finale, qui, en extrayant les informations contenues dans une solution de notre méthode unifiée, permet d'obtenir des images de très hautes qualité, contenant l'ensemble des effets lumineux.

Nous avons étudié les propriétés d'adhésion et de déformation de films de polymères adhésifs préparés à partir de particules de latex nanostructurées. Une méthodologie basée sur deux critères rhéologiques et applicable à tout type de PSA a été proposée pour optimiser les performances adhésives. Elle nous a permis d'identifier des stratégies permettant d'améliorer le compromis entre propriétés adhésives et cohésives dans le cas particulier de PSA préparés à partir de particules de latex ayant une morphologie cœur-écorce. Une stratégie intéressante est l'activation d'une réaction de réticulation interparticule pendant le séchage du latex. Nous avons fait varier l'hétérogénéité du réseau tout en gardant constante la composition en monomères. Nous avons montré l'effet remarquable de cette réaction de réticulation sur les propriétés en grandes déformations de nos matériaux. Ces propriétés sont assez bien décrites par un modèle non-linéaire combinant le modèle de Maxwell sur convecté et le modèle de Gent. Les meilleurs résultats d'adhésion sont obtenus pour des matériaux caractérisés par un net ramollissement à déformations intermédiaires suivi d'un rhéodurcissement. Ce comportement est notamment obtenu pour des PSA préparés à partir de particules de latex ayant une fine écorce assez réticulée et un cœur très mou. Dans un registre plus industriel, des performances adhésives prometteuses ont été obtenues avec des PSA préparés à partir de latex tackifiés in situ synthétisés par polymérisation en miniémulsion.

Nous étudions plusieurs modèles de polymères dirigés en milieux aléatoires. Pour le modèle classique sur Z^d, nous étudions la convergence de l'environnement vu par la particule dans la région de faible désordre. Nous donnons des résultats très forts pour de très hautes valeurs de la température. Nous donnons ensuite un traitement complet de la fonction de partition pour un modèle de polymères dirigés en milieux aléatoires sur le réseau hiérarchique en diamant. Finalement, nous étudions l'énergie libre des polymères dirigés en milieux aléatoires sur Z^d dans des boites très asymétriques. Nous parvenons à prouver que, dans un régime approprié, elle coïncide avec l'énergie libre d'un modèle en temps continu dans un environnement Brownien. En dimension 1, la valeur exacte de cette énergie libre est connue. Nous étudions également des polymères dirigés en dimension 1 avec un drift qui tend vers l'infini. Nous donnons la valeur exacte de l'énergie libre et l'ordre des fluctuations de la fonction de partition.

Si la problématique posée par le colmatage des membranes est ancienne, prévoir et adapter les conditions de filtration pour réduire le colmatage reste essentiel pour un meilleur contrôle du procédé. Parce qu'il représente le flux au-delà duquel un colmatage irréversible apparaît à la surface de la membrane, le flux critique peut être un paramètre clef pour ce contrôle. Dans le cadre de cette étude,nous avons cherché à relier la pression osmotique d'une suspension colloïdale aux valeurs expérimentales du flux critique par le biais de la modélisation du procédé de filtration tangentielle. Une procédure de filtration a été développée pour déterminer de façon précise et rigoureuse le flux critique. Cette méthode permet une détermination continue de la réversibilité de l'accumulation de matière lors d'une diminution de flux permettant ainsi de dissocier expérimentalement la part de diminution de flux due à la pression osmotique et celle due à la résistance irréversible. La caractérisation de la suspension au niveau microscopique (potentiel zêta, taille, etc.) a été complétée par une mesure macroscopique, plus originale, de la pression osmotique particulaire par compression chimique. La pression osmotique de la dispersion colloïdale se révèle être une caractérisation pertinente par rapport à la filtration car relative à la résistance des particules à la surconcentration. Un modèle bidimensionnel adapté calculant les profils de concentration en particules dans un procédé de séparation par membranes est utilisé pour confronter théoriquement les mesures expérimentales de pression osmotique aux valeurs de flux critique. La comparaison des valeurs expérimentales et modélisées de flux critique suggèrent que des hétérogénéités de propriétés physiques de la membrane et des particules doivent être prises en compte. Intégrées dans un modèle descriptif, les distributions de flux permettent d'expliquer les différences entre expérience et simulation de la filtration d'une suspension colloïdale.

Les procédés à membranes fonctionnant en mode frontal sont limités par le colmatage. La maîtrise et l'anticipation du colmatage, alors indispensables à la bonne gestion de l'opération, font l'objet de cette étude appliquée à la potabilisation d'eau. Un volume filtré critique, caractérisant la transition entre une accumulation réversible de matière (phase dispersée) et un dépôt irréversible (phase condensée), a été mis en évidence expérimentalement et ses variations avec le flux de filtration et le type de dispersion étudiées. L'analyse et la simulation théorique de la filtration, couplées à la modélisation des propriétés colloïdales, ont permis de relier la pression osmotique au volume filtré critique. Ces résultats ont été utilisés pour améliorer la conduite des opérations de filtration d'une eau de surface : des rinçages réalisés après un volume filtré inférieur à la valeur critique ont conduit à une réduction significative du colmatage et de la consommation énergétique associée.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L'objectif du travail présenté est d'une part, de mieux comprendre le phénomène d'indentation des surfaces et d'autre part, d'évaluer la fatigue de surface liée à ce type de défaut. L'indentation des surfaces est le sujet de la première partie principalement expérimentale. Un dispositif original, associé à une machine à galets, permettant d'imposer un niveau contrôlé de pollution a été construit et validé. Nous avons tout d'abord étudié la probabilité de passage d'une particule solide dans un contact EHD et décrit les mécanismes d'indentation. L'influence de la nature du polluant et des conditions de fonctionnement (charge, vitesse de roulement et taux de glissement) a fait l'objet d'une attention particulière sur le nombre, la taille et la forme des indents observés. Dans une seconde partie, les conséquences de l'indentation sur la durée de vie du contact sont analysées à la fois d'un point de vue théorique et expérimental. Il s'agissait (i) d'identifier les mécanismes d'endommagement dont les indents sont à l'origine, (ii) de prédire les sites d'amorçage et (iii) d'évaluer l'importance de la géométrie de l'indent et des conditions de fonctionnement dans le processus d'endommagement. Ce travail s'est appuyé sur des codes de calcul existants. Les résultats de ces simulations numériques ont été confrontés aux résultats expérimentaux. Une bonne corrélation est notée pour ce qui concerne les sites d'amorçage. Ce travail constitue une première étape pour la prédiction des effets des polluants solides contenus dans les lubrifiants sur la durée de vie des surfaces des mécanismes.

La présente étude s'inscrit dans la thématique de la pollution particulaire de l'air intérieur et plus particulièrement dans le développement et la mise au point d'outils de prédiction du comportement de l'air chargé en particules à l'intérieur des bâtiments. La première partie présente un état de l'art des connaissances de la pollution particulaire. Les différentes particules rencontrées à l'intérieur des bâtiments sont recensées et classées selon leurs origines et leurs tailles. Le problème de la prédiction du mouvement des particules est introduit par l'étude de la diversité des forces élémentaires qui s'exercent sur les particules. La seconde partie est consacrée au développement d'un modèle de prédiction des concentrations en particules dans l'air à l'intérieur d'une enceinte monozone. Ce modèle considère l'air pollué comme une entité unique, et traite les échanges avec l'extérieur et les parois du bâtiment dans leurs globalités. Une expérimentation sur maquette a été mise au point afin d'étudier le dépôt des particules sur les revêtements du bâtiment. Cette étude a permis à la fois de quantifier ce dépôt et de mettre au point un principe de classification des revêtements vis-à-vis du dépôt particulaire. La dernière partie traite de la modélisation numérique du comportement des particules au sein d'écoulements confinés tels que ceux rencontrés dans le bâtiment. L'extension à la troisième dimension de l'espace du code de calcul développé au LEPTAB, a été validée par l'étude de la dispersion des particules au sein d'un écoulement turbulent de grille. Deux lois caractérisant l'interaction entre une particule et un revêtement ont pu être testées et comparées par la simulation de l'expérimentation sur maquette. Les perspectives à la fois sur le développement et la validation du modèle global ainsi que sur l'amélioration du code numérique de calcul de la dispersion des particules sont présentées et argumentées en conclusion.

Th.--Phys.--Toulouse--I.N.P., 1977. N°: 24.

Cette thèse est organisée en deux parties. Après une brève introduction théorique (chapitre 1) et une discussion présentant la soufflerie du LEGI et des techniques expérimentales utilisées (chapitre 2), une première partie étudie les effets individuels des particules dans les écoulements tantôt laminaires et turbulents. Dans une seconde partie je me suis intéressé aux effets collectifs d’une population dense d’inclusions en interaction avec un champ turbulent.Dans le chapitre 3, nous montrons que l’équilibre d’un disque pendulaire faisant face à un écoulement présentant une vitesse moyenne présente un comportement bi-stable et hystérétique. Nous donnons une interprétation simple de ce comportement en termes d’une description par deux puits de potentiel, nécessitant uniquement de connaître la dépendance angulaire du coefficient de trainée normale d’une plaque statique inclinée. Nous étudions l’influence de la turbulence sur l’équilibre du pendule en général et sur la bi-stabilité observée en particulier.La dynamique des objets tractés dans un environnement fluide est d’intérêt pour de nombreuses situations pratiques. Les chapitres 4,5 et 6 concernent l’étude expérimentale de l’équilibre et de la stabilité de la trajectoire d’une sphère tractée à vitesse constante. Dans le chapitre 4, nous avons vu que le sillage d'une sphère peut produire un mouvement hélicoïdal d'une sphère remorqué par un fil. Nous avons constaté qu'il existe un nombre de Reynolds (défini avec le diamètre de la particule et la vitesse moyenne de l’écoulement) particulier pour activer cette motion instable. Une trajectoire en trois dimensions est reconstruite avec un dispositif expérimental extrêmement simple, utilisé pour la caractérisation de la forme de la trajectoire des particules. Dans le chapitre 5, nous étudions expérimentalement l'équilibre et la stabilité de la trajectoire d'une sphère remorqué à une vitesse constante dans la avec un rapport longueur - diamètre sans précédent. En ce chapitre, nous étudions les instabilités développées dans le fil pour un écoulement laminaire. Diffèrent types d’instabilités ont été trouvés dans cette expérience. Dans le chapitre 6, le même système est étudié, mais l'écoulement environnant est turbulent. Nous nous concentrons sur la comparaison entre la dynamique turbulente de la sphère tractée et d’une sphère librement advectèe. Nos résultats sont en accord avec un scénario de filtrage résultant du temps de réponse visqueuse d'une particule d'inertie dont la dynamique est couplée au fluide environnant par la force de traînée. Une caractéristique frappante des écoulements turbulents chargés de particules inertielles est la concentration préférentielle qui conduit à de très fortes hétérogénéités du champ de concentration en particules à différentes échelles. Les diagrammes de Voronoi ont été utilisés pour caractériser quantifier ce phénomène.En ce qui concerne les effets collectifs, trois écoulements différents ont été étudiés : bulles d’air (particules moins denses que le fluide, avec une taille de l’ordre de l´échelle de Kolmogorov) dans un canal a eau (chapitre 7), des particules solides légèrement plus denses que le fluide et diamètre supérieur à l´échelle de Kolmogorov dans une écoulement de von Kármán (chapitre 8) et gouttelettes d’eau dans la soufflerie (chapitre 9) ; de particules beaucoup plus denses que le fluide et diamètre inférieur à l’échelle de Kolmogorov. Enfin, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction des champs de concentration des particules dans les expériences par analogie avec le fonctionnement des caméras linéaire, et en exploitant l’hypothèse de Taylor dans la soufflerie. Cette nouvelle approche nous permet de reconstruire des champs de particules de plusieurs mètres de long. Ces champs permettent d’analyser la formation des superclusters. Nous montrons en effet que les clusters tendent eux-mêmes à s’organiser en superclusters (amas d’amas). / This PhD thesis covers many features of fluid-particle interactions, ranging from a simple pendulum inmersed in a flow to the presence of superclusters of water droplets in a wind tunnel.The simplest case studied was a pendulum with a pendulum-blob facing the wind in the wind-tunnel. As the pendulum-blob was a plate, the aerodynamic coefficients as a function of the angle between the plate and the streamwise velocity present a non-trivial behavior, resulting in an hysteresis cycle. We also investigate the influence of turbulence on the equilibrium of the pendulum in general and on the observed bi-stability in particular.Then, different instabilities of towed systems has been studied. In chapter 4 we have seen that the wake of a sphere can produce helicoidal motion of a sphere towed by a wire. We found that there exists a particle Reynolds number Rep threshold for activating this unstable motion. A three-dimensional trajectory was reconstructed with an extremely simple experimental setup, used for characterizing the shape of particle's trajectory. In chapter 5 we investigate experimentally the equilibrium and the stability of the trajectory of a sphere towed at constant velocity in the wind tunnel at the tip of a cable with unprecedented large length-to-diameter aspect ratio. In thist chapter we study the instabilities developped in the wire for a laminar flow.Flutter and divergence instabilities has been found in this experiment.In chapter 6 the same system is studied, but the surrounding flow is turbulent. In this chapter we focus on a comparison with this towed system with freely advected particles in turbulence. Our results are consistent with a filtering scenario resulting from the viscous response time of an inertial particle whose dynamics is coupled to the surrounding fluid via the dragforce.Therefore, depending on several parameters such as the Reynolds number of the particle, the wire or the fluctuations level of the flow, a whole family of instabilities can appear, with no trivial dependencies and important consequences considering different applications of such systems.Concerning the collective effects, three different flows have been studied: a water tunnel, a von Karman flow and a wind tunnel. A broad range of Reynolds numbers, dissipation scales and particles diameters and densities has been covered. Using Voronoi diagrams, we have quantified preferential concentration as a function of the Stokes number and the Reynolds number. In chapter 7 and 8 simultaneous PIV measurements complemented the inertial particles acquisitions. The goal was to analyze if the particles tend to stick into special regions of the flow.In the last chapter also DNS have been performed for comparing with experimental results. A sweep-stick mechanism, in which inertial particles tend to have the same statistics as zero-acceleration points has been proved to be consistent with our results.Finally, a promising new technique has been presented. Based on the standard measurements, a spatial field has been reconstructed allowing us to acquire a several meters long image of particles. The enormous amount of structures present in the image has evidenced that the clusters are grouped at the same time in bigger clusters (i.e. clusters form clusters, that we call superclusters). This new result is still being studied and presents a new and fascinating field for studying particle-flow interactions.