Nous étudions la stabilité de l'écoulement de films superposés de fluides newtoniens ou non newtoniens sur un plan incliné. La connaissance des conditions d'apparition des instabilités dans ce type d'écoulements intéresse particulièrement le secteur industriel faisant appel à des méthodes de couchage. Il est en effet intéressant de pouvoir maîtriser le déclenchement des instabilités en vue d'éviter qu'elles ne déteriorent la qualité du produit. Nous nous sommes intéressés au cas de fluides rhéofluidifiants, dont la viscosité est décrite par la loi de Carreau. <br />La première partie est consacrée au cas d'une seule couche. Trois approches complémentaires sont exploitées : une approche asymptotique, considérant un comportement faiblement non newtonien dans la limite des grandes longueurs d'onde, une approche phénoménologique basée sur les mécanismes de l'instabilité au niveau de la surface libre et une approche numérique. Cette dernière s'appuie sur la résolution sous forme d'un problème aux valeurs propres de l'équation d'Orr–Sommerfeld généralisée par la méthode spectrale de collocation de type Tau-Tchebychev. <br />Dans une deuxième partie, nous avons étendu l'étude à deux couches et étudié l'influence sur la stabilité de l'écoulement des principaux paramètres : propriétés rhéofluidifiantes, tensions de surface, rapport des débits, densités et viscosités. L'étude de stabilité est combinée à une approche énergétique qui nous a permis d'analyser le rôle de chaque terme de l'équation de l'énergie. Nous avons montré le rôle clé joué par le cisaillement aux interfaces pour expliquer l'influence des propriétés rhéofluidifiantes sur les différentes contributions du bilan énergétique.

Les nouveaux matériaux cimentaires fluides présentent des propriétés de thixotropie, phénomène réversible de gélification (au repos) - liquéfaction (en écoulement), qu'il est nécessaire de comprendre et de caractériser. Des essais croisés de rhéométrie globale (rhéomètre classique) et locale (vélocimétrie IRM) permettent d'obtenir le comportement complet en régime permanent et transitoire d'une pâte de ciment blanc. En particulier nous mettons en évidence une bifurcation de viscosité, traduisant un changement brutal de comportement en dessous d'une contrainte et d'un gradient de cisaillement critique. Un modèle simple, basé sur ces observations, permet de retrouver les propriétés observées. Son application à des essais d'écoulements sur plan incliné montre que cette configuration peut s'avérer un moyen simple de caractérisation pratique de la thixotropie.

Le couchage rideau est un procédé d'enduction sans contact qui permet un couchage " contour " d'une feuille de papier dont le point clé est la stabilité du rideau. Ce procédé semble devoir se développer dans les années à venir pour la production de papiers impression-écriture et de papiers et cartons d'emballages. Néanmoins, il existe aujourd'hui un écart important entre la stabilité théorique du rideau et les observations. Nous avons donc analysé par CFD l'écoulement interne dans un dispositif de couchage pilote avec différents fluides Newtoniens et Non-Newtoniens ainsi que l'écoulement externe sur le plan incliné de l'appareil. L'étude de l'écoulement interne par CFD a permis de faire ressortir la cause de vortex pouvant apparaître dans le dispositif. Pour avoir un écoulement sans vortex, le nombre de Reynolds à l'entrée doit être inférieur à une valeur critique égale à 20 pour la géométrie étudiée quel que soit le fluide utilisé. De plus la présence d'une seconde cavité permet de filtrer les perturbations pour des fluides peu rhéofluidifiants, ce qui est le cas des sauces de couchages pour des papiers WFC. Ces résultats ont été validés expérimentalement à l'aide de traceurs et de PIV en utilisant une réplique exacte en Plexiglas de la coucheuse rideau. Enfin en ce qui concerne l'étude de l'écoulement externe sur le plan incliné, l'utilisation de la CFD a permis de conclure que, pour les dispositifs de couchage utilisés et les conditions opératoires de nos industries, certains problèmes présentés dans la littérature ne devraient pas exister.

Nous étudions dans ce travail expérimental les lois d'écoulement de suspensions granulaires. Pour cela, nous utilisons une suspension modèle isodense, non-Brownienne et monodisperse, constituée de sphères dans une huile de silicone et dont la fraction de grains $\phi$ est variée entre 30 et 61%. Le comportement de cette suspension est caractérisé via deux expériences originales : l'écoulement sous cisaillement sur plan incliné et l'écoulement en élongation lors du détachement de gouttes. Nous montrons que le plan incliné permet d'explorer le passage continu des lois d'écoulement d'un régime de type fluide visqueux (couches épaisses) à un régime "pseudo-granulaire" (couche fine). Nous mettons en évidence une longueur mésoscopique qui sépare les deux régimes et diverge quand la fraction s'approche de la transition de blocage. De plus, nous montrons que la rhéologie des suspensions isodenses est quasi-newtonienne, c'est-à-dire sans seuil, mais que la viscosité peut dépendre de la hauteur de la couche. La migration de particules pouvant être négligée, ce dispositif permet, contrairement à un rhéomètre "classique", de mesurer directement la viscosité de la suspension jusqu'à des fractions de 61%. Dans le cas du détachement de gouttes, nous ne mesurons pas de viscosité élongationnelle plus importante que dans le cas d'un fluide newtonien. En revanche, le détachement final est accéléré par la présence des grains et est indépendant de la concentration de la suspension, mais dépendant de la taille des grains.

Cette thèse est consacrée aux écoulements de grains secs en régime dense. Nous nous restreigons aux géométries de cisaillement simple, sur plan incliné ou en conduite verticale, autorisant l'étude d'écoulement stationnaires et uniformes. Nous mesurons les grandeurs permettant de discuter la loi de comportement : profils de vitesse, de compacité, et distribution des forces de contact.<br />En conduite verticale, le profil de vitesse est mesuré à la paroi par imagerie rapide, et à l'intérieur de l'écoulement par imagerie par résonnance magnétique nucléaire. On met en évidence la localisation du cisaillement près des parois, et l'invariance de la forme du profil de vitesse avec le débit, signe d'un régime d'écoulement quasi-statique. On a aussi étudié l'influence de la rugosité sur le profil des vitesses, et montré le caractère intermittent de ce type d'écoulement.<br />Sur le plan incliné, la simulation numérique discrète (méthode de dynamique des contacts) permet d'étudier des écoulements d'assemblées de disques polydisperses frottants et complètement inélastiques. Nous avons mis en évidence la plage des écoulements stationnaires et uniformes, limité par une épaisseur d'arrêt dépendant de l'inclinaison. Nous avons observé un profil de compacité constante, avec une décroissance de la compacité moyenne lorsque l'inclinaison augmente. Le profil de vitesse est convexe, et montre une zone d'influence du socle sur les dix premières couches et une zone centrale en accord avec la prédiction du modèle de Bagnold. La vitesse moyenne suit une loi d'échelle en accord avec l'observation de Pouliquen. L'étude du réseau de contact met en évidence des anisotropies importantes ainsi qu'une statistique étalée des forces de contacts. Enfin nous avons montré que le tenseur des contraintes se restreint essentiellement à la contribution des forces de contacts, et que la pression est isotrope.<br />Ces observations conduisent à une discussion du rôle relatif des collisions, du frottement, de la compacité, du socle et du réseau de contacts, et une comparaison qualitative des prédictions de plusieurs modèles rhéologiques est proposée. L'analyse micromécanique des problèmes couplés de frottement et rotation permet de comprendre la rotation moyenne des grains, et la réduction notable du frottement effectif entre grains.

Pour comprendre les mécanismes de déstabilisation, d'arrêt et de coexistence des phases statiques (solide) et coulantes (liquide), nous réalisons expériences et simulations numériques d'empilements granulaires modèles. Trois sujets ont été abordés au cours de cette thèse.<br />L'étude expérimentale de la transition d arrêt d'un empilement après un écoulement de surface met en évidence l'existence de relaxations de durée bien supérieure au temps de relaxation d'un grain sous l'action de son poids. Celle-ci est constituée de phases de relaxation et de réactivations liées à des déplacements corrélés des grains, prises en compte dans un modèle statistique.<br />L'étude numérique d'un empilement incliné en deçà de l'angle d'avalanche met en évidence l'influence du domaine métastable –au-delà de l'angle de repos– sur ses propriétés hystérétiques au cours de cycles quasi-statiques. Le réseau des contacts faibles est très affecté par le passage dans le domaine métastable. Les corrélations entre micro-structure, contrainte et déformation sont discutées.<br />Enfin, l'expérience d'un écoulement non confiné sur plan incliné permet d'étudier la loi d'écoulement dans le cas de la coexistence solide-liquide. Les caractéristiques s´electionnées par l'écoulement (épaisseur, largeur, vitesse) évoluent lentement avec le temps. La prise en compte de l'existence d'une couche basale statique permet de retrouver la corrélation entre épaisseur coulante et vitesse, comme pour un écoulement confiné, et de prédire la morphologie des dépôts (présence ou non de levées).

Nous nous intéressons à l'écoulement de milieux granulaires cohésifs soumis à des vibrations horizontales en vue d'une application au remplissage des moules de presse. L'effet des vibrations est analysé pour un grain ou un milieu granulaire déposé sur un plan incliné et un milieu granulaire contenu dans une conduite verticale de section constante. Pour un grain polyédrique, trois régimes sont identifiés : stick, stick-slip et slip. Un modèle basé sur le bilan des forces appliquées à un grain a permis de préciser les limites de ces trois domaines. La vitesse des grains tend vers une asymptote lorsque l'inclinaison est inférieure à 0,7 fois l'angle de frottement entre les grains et le plan. Par ailleurs, l'inertie du grain conduit à une réduction de l'amplitude de son oscillation lorsque l'accélération augmente. La comparaison modèle-expérience permet d'estimer le coefficient de frottement. Pour un milieu granulaire de faible épaisseur, nous retrouvons les mêmes tendances. Les milieux granulaires épais sont le lieu de forts cisaillements provoquant leur étalement très rapide. En conduite verticale, une compétition s'établit entre les déplacements horizontal et vertical des particules. Selon l'inertie, les vibrations appliquées pourront conduire soit à une dilatance soit à une compaction. Cette dernière provient du déplacement de la conduite et du milieu granulaire en sens opposé pendant une partie d'une période de vibration. Si le phénomène de compaction atteint le centre de la conduite, il se forme des arches qui bloquent l'écoulement. Les observations faites à l'échelle mésoscopique permettent d'interpréter les vitesses d'écoulement mesurées à l'échelle macroscopique. / With the target to improve the feeding step during the moulding process, we study the flow of cohesive granular matter submitted to vibration. Vibration effects are first analyzed on the sliding motion of a single particle on inclined plane and also on granular matter sample deposited on an inclined plane or in a vertical funnel. For a single particle, three regimes are identified: stick, stick-slip and slip regimes. A simple model based on the movement equation of one grain allows to determinate the limits between the three regimes. The grain velocity reaches asymptote when the plane inclination is below 0.7 times the friction angle between the grain and the substrate. Otherwise, when the acceleration increases, the grain inertia leads to reduce the transverse amplitude of the grain oscillation motion. The comparison between experimental and numerical results allows to estimate a value for the friction coefficient parameter. For a granular sample, we find the same tendencies. Thick granular layers are submitted to high shear, causing a fast spreading. In vertical funnel, there is a competition between vertical and horizontal motions. Depending on granular inertia, submitted vibrations could lead to dilatancy due to the shear or lead to compaction. This compaction is due to an opposite motion direction between the sample and the funnel during one part of the period vibration. If the compaction reaches the center of the funnel, arches are formed and jammed the flow. Observations realized at mesoscopic scale allow to interpret flow velocities measured at macroscopic scale.

Le couchage rideau est un procédé d'enduction sans contact qui permet un couchage « contour » d'une feuille de papier dont le point clé est la stabilité du rideau. Ce procédé semble devoir se développer dans les années à venir pour la production de papiers impression-écriture et de papiers et cartons d'emballages. Néanmoins, il existe aujourd'hui un écart important entre la stabilité théorique du rideau et les observations. Nous avons donc analysé par CFD l'écoulement interne dans un dispositif de couchage pilote avec différents fluides Newtoniens et Non-Newtoniens ainsi que l'écoulement externe sur le plan incliné de l'appareil. L'étude de l'écoulement interne par CFD a permis de faire ressortir la cause de vortex pouvant apparaître dans le dispositif. Pour avoir un écoulement sans vortex, le nombre de Reynolds à l'entrée doit être inférieur à une valeur critique égale à 20 pour la géométrie étudiée quel que soit le fluide utilisé. De plus la présence d'une seconde cavité permet de filtrer les perturbations pour des fluides peu rhéofluidifiants, ce qui est le cas des sauces de couchages pour des papiers WFC. Ces résultats ont été validés expérimentalement à l'aide de traceurs et de PIV en utilisant une réplique exacte en Plexiglas de la coucheuse rideau. Enfin en ce qui concerne l'étude de l'écoulement externe sur le plan incliné, l'utilisation de la CFD a permis de conclure que, pour les dispositifs de couchage utilisés et les conditions opératoires de nos industries, certains problèmes présentés dans la littérature ne devraient pas exister. / Curtain coating is a contactless coating process which permits a contour coating of the paper and the key parameter of this process is a perfect stable curtain. This technology is expected to spread widely for graphic paper grades and boards in the next few years. Nevertheless, many experimental works revealed some differences between stability theory and results observed on the curtain. In this work, we performed CFD simulations both for Newtonian and Non-Newtonian fluids on the internal flow in a pilot curtain coater and on the flow down the inclined plane. The CFD study of the internal flow revealed the cause of vortex creation into the coater. To maintain vortex-free operation, the Reynolds number at the inlet must remain below a critical value whatever the fluid, which is equal to 20 with the studied geometry whatever the studied fluid. Moreover, a second cavity is useful since instabilities coming from the first cavity could be filtered for low shear-thinning fluids, which is the case of the WFC coating colours. These simulation results were validated thanks to flow visualization experiments with tracers and PIV using a transparent replica of the coater. Finally CFD simulations on the inclined plane were carried out and permitted to conclude that for the range of operating conditions used on the pilot curtain coater, some issues presented in literature should not exist industrially.

Inclined planes and stairs are current in the environment and represent a barrier for seniors and people with mobility problems. Slower progression, alteration in gait pattern likely explains the high rate of fall on these surfaces, but their effect on balance is not well known. Our objective was thus to compare the difficulty in maintaining dynamic stability during the ascent and descent of an inclined plane and stairs at natural and slow walking speed in healthy individuals. Ten young healthy participants ascended and descended an inclined plane and stairs, instrumented with force- platforms to record ground reaction forces. Whole-body kinematics was also recorded to determine balance difficulty using the stabilizing and destabilizing forces, center of mass velocity and step length. Analyses of variance were used to compare the effect of surface (inclined plane vs. stairs), direction (ascent vs. descent) and speed (natural vs. slow). The stabilizing force was higher on the inclined plane than on the stairs, with a higher velocity of the center of mass. Stabilizing force was higher and destabilizing force was lower during descent than ascent only in the inclined plane but destabilizing force was lower during ascent than descent on the stairs. Slower gait speed reduced balance difficulty on both surfaces. Step length was shorter in the stairs than on the inclined plane, and particularly during descent, and at slow gait speed. Balance difficulty was higher on the inclined plane than on the stairs and at natural speed than at slow speed. The effect of direction was opposite between surfaces with higher difficulty during descent of the inclined plane, but during ascent of the stairs. Further studies are necessary in older adults or individuals with balance deficits. / La présence d’un escalier ou d’un plan incliné constitue souvent un obstacle sérieux à la réalisation des habitudes de vie des personnes ayant des incapacités physiques et même chez les personnes âgées. L’objectif général de cette étude était de quantifier l’équilibre dynamique lors de la négociation (montée et descente) d’un escalier et d’un plan incliné chez des sujets en santé. Dix sujets en santé ont été recrutés pour participer à l’évaluation. Les participants ont effectué la montée et la descente du plan incliné et de l’escalier à vitesse naturelle puis à vitesse lente. L’évaluation a compris un enregistrement de la cinématique de l’ensemble du corps. L’ensemble des données ont servi à analyser la force déstabilisante, la force stabilisante, la vitesse du centre de masse et la longueur de pas. Des ANOVAs et des tests t de Student ont permis de comparer l’effet de la surface (plan incliné vs. Escalier), de la direction (montée vs. Descente) et de la vitesse (naturelle vs. lente). La force stabilisante était plus élevée sur le plan incliné qu’à l’escalier, avec une vitesse de centre de masse plus élevée. La force stabilisante était plus élevée et la force déstabilisante était plus basse durant la descente en comparaison avec la montée sur le plan incliné. Par contre, à l’escalier, la force déstabilisante était plus basse lors de la montée en comparaison avec la descente. La vitesse de marche lente a réduit la difficulté en termes d’équilibre sur les deux surfaces. Les pas étaient plus courts sur l’escalier en comparaison avec le plan incliné, particulièrement lors de la descente à vitesse naturelle. L’effet de direction était opposé entre les surfaces, avec une difficulté plus élevée durant la descente du plan incliné et durant la montée de l’escalier. Des études approfondies seront nécessaires chez les personnes âgées et les personnes ayant des déficits de la balance.

Les risques naturels tels que les laves torrentielles constituent des menaces réelles pourles zones urbanisées de montagne. Les bâtiments et infrastructures peuvent être exposésà de grandes forces d’impact en cas d’évènement extrême. La réduction de cette menace,par des ouvrages de protection, impose de quantifier l’impact de ces écoulements sur lesstructures, qu’elles soient flexibles ou rigides.Tout d’abord, un écoulement granulaire sec, composé de particules non-sphériquesglissant sur un plan incliné, est modélisé en utilisant une loi de contact visco-élastiqueavec critère de rupture de Mohr-Coulomb. Des données expérimentales de la littératureont été utilisé pour calibrer et valider le modèle. À cette fin, la forme de la particule,l’épaisseur de l’écoulement et la forme finale du dépôt sur le mur sont considerés. Lavalidation est basée sur l’impact sur un mur rigide divisé en six segments. La principalecontribution de la force totale normale appliquée sur le mur est due à la composantedynamiques. La distribution hétérogène de la force normale sur chaque partie du murest due au développement des chaînes de force différent pour chaque arrangement desparticules.Ensuite, un filet est modélisé en utilisant des éléments cylindriques. L’impact sur lefilet est modélisé en utilisant le même modèle d’écoulement que précédemment. Le rôledes dissipateurs d’énergie apparaît essentiel pour réduire la force d’impact sur le filet etlimiter la force appliquée sur les points d’ancrage latéraux.Pour la première fois, des simulations montrent que pour un même écoulementgranulaire la force d’impact est plus élevée pour un obstacle rigide, avec une différencede 50% par rapport à un obstacle flexible. les simulations permettent de définir quelquesrecommandation pour le dimensionnement des filets. Il est constaté que l’utilisationviiid’un maillage de filet plus petit que D90 de l’écoulement est acceptable en termes decapacité à retenir les matériaux en écoulement. En plus, si le câble en bas du filet n’estpas fixé, le filet pourrait perdre totalement sa capacité de retenue. / Natural hazards such as debris flows are real threat to the urbanization of mountainousareas. Local communities and infrastructures can be exposed to large impact forces inextreme debris events. Mitigation of such threats requires, along other measures, theestimation of the impact of such flows on protection structures (rigid walls and flexiblebarriers). In this thesis, Discrete Element Method (DEM) is used to model the granularflow, the rigid walls and flexible barriers.First, a dry granular flow made of non-spherical particles flowing in inclined plane ismodeled using a visco-elastic contact law with Mohr-Coulomb failure criterion. Experimentaldata from the literature is used to calibrate and validate the model. The modelis calibrated based on the shape of the particle, the flow thickness and the final shapeof the deposit on the wall. Validation procedure is based on the impact on a rigid walldivided into six segments. The main contribution of total normal force applied on thewall is found to be due to the dynamic component. On the micro-scale, development offorce chains is believed to cause heterogeneous distribution of normal force on each partof the wall, for multiple same-test conditions.Next, a flexible barrier is modeled using cylindrical elements. The impact on thebarrier is modeled using the same flow model used for wall-impact problem. The use ofenergy dissipators is found to be essential for minimizing the impact force on the barrier,and thus controlling the force applied on the lateral anchors.By comparing a rigid wall and a flexible barrier for the same flow, we found thatthe rigid wall is exposed to higher impact force, due its high global stiffness comparedwith the flexible barrier. Next, different simulations are carried out to recommend designguidelines for the flexible barrier. It is found that using a mesh size as large as D90 of theviflow is acceptable in terms of mass retaining capacity. In addition, not fixing the bottomcable of flexible barriers might lead to the total loss of its retaining capacity in extremeevents.