Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans le cadre de deux projets, l'un européen, BASIS (Blast Actions on Structure In Steel), et l'autre français BATIRSÛR (Bâtiment en acier en zone PPRT de surpression), qui visent à mieux appréhender la vulnérabilité des bâtiments à ossature métallique face à un aléa de surpression. En particulier, ce travail a consisté à étudier les interactions entre une onde de souffle et une structure afin de caractériser le chargement global induit par une explosion. À partir de la génération d’ondes de souffle par détonation ou déflagration d'une charge gazeuse de propane oxygène, des campagnes expérimentales à petite échelle ont été conduites. Elles ont permis de mettre en défaut pour les faibles niveaux de surpressions étudiés (< 200 mbar) certaines approches simplifiées existantes. Des alternatives ont alors été proposées. Les coefficients de réflexion, caractérisant le chargement, ont été mesurés. De nouvelles valeurs sont proposées, notamment pour caractériser la diffraction d'une onde issue d'une déflagration. Les données du chargement résultant d’une déflagration et d’une détonation ont été comparées dans des configurations identiques. La propagation en champ libre de l’onde de souffle issue d’une déflagration a été reproduite au moyen du modèle du piston sphérique. Pour une de détonation, un modèle prédictif de ballon d'air comprimé, reposant sur la donnée de la masse volumique et l’énergie interne spécifique de l’explosif, a été développé et validé en champ lointain par comparaison avec les essais expérimentaux. Son utilisation a permis de mettre en évidence les atouts et les limites des simulations numériques pour reproduire le chargement. / The work presented in this thesis fall within two project, one European, BASIS (Blast Actions on Structure In Steel), and the other French BATIRSÛR (steel building in PPRTs area overpressure), which both aimed at better understanding the vulnerability of metal framed buildings against an overpressure hazard. In particular, our objective was to study the interaction between a shock wave and a structure in order to characterize the overall loading induced by an explosion. From the generation of blast wave by deflagration or detonation of an oxygen propane mixture, small-scale experimental campaigns were conducted. These experimental campaigns highlighted for low levels of overpressure (<200 mbar) some limitations in the existing simplified approaches. Alternatives have then been given. Reflection coefficients, characterizing the loading, were measured. New values were obtained, especially to characterize the diffraction. Data resulting from deflagration and detonation we recompared under identical configurations. The free field propagation of the blast wave generated by a deflagration was reproduced by using the model of the spherical piston. For a detonation, a predictive model of compressed balloon based on the data of the density and the specific internal energy has been developed and validated in far-field range using comparison with experimental tests. Its use has helped highlight the assets and limits of numerical simulation in order to reproduce the loading induced by a detonation.

Le potentiel de production d'hydroélectricité à l'aide de micro centrales hydroélectriques est sous-exploité en Europe. L'exploitation de petites chutes d'eau, à l'aide des vis d'Archimède, est un moyen de production d'énergie renouvelable récent et en voie de développement. Cette thèse étudie les performances hydrauliques de ce type de turbine. Une première partie du travail a porté sur la mise en place d'un dispositif expérimental, à échelle réduite, permettant de tester pour des conditions hydrauliques et des paramètres géométriques variés les performances hydrauliques d'une vis d'Archimède. Un modèle théorique semi-analytique permettant de déterminer les performances de la vis a été développé puis validé à l'aide des résultats expérimentaux. Les écoulements complexes au sein de cette turbine sont étudiés par le biais d'une modélisation numérique 3D instationnaire, validée expérimentalement. La compréhension de la structure de l'écoulement a alors permis de développer un nouveau modèle théorique permettant de déterminer avec plus de précision le débit de fuite qui est à l'origine d'une perte significative de rendement. Ces résultats permettent d'envisager l'implémentation d'un modèle de dimensionnement industriel. / The potential for hydropower generation using micro-hydro plants is still under exploited in Europe. The Archimede Screw Generators are a growing technology convenient for low-head hydraulic sites. This thesis studies the hydraulic performance of this turbine. The first part of thiswork presents an experimental device using a laboratory screw scale. This device allows to test screw performance for various hydraulic conditions and geometrical parameters. A theoretical model predicting the screw performance has then been developed and validated with experimental results.The complex flows occurring within the screw are studied thanks to 3D and unsteady numerical simulations. The numerical results are validated experimentally. The insights provided on the flow structure permit to develop a new leakage model. These leakages are a major source of efficiency loss. Eventually, all these results will allow the implementation of an industrial dimensioning model.

Afin de prédire l’évolution de la composition chimique du laitier dans différents procédés sidérurgiques, un modèle CFD a été développé. Les coefficients de transfert de masse sont estimés à partir des modèles basés sur les paramètres physico-chimiques et hydrodynamiques, comme par exemple la diffusivité des espèces chimiques et la divergence de l’interface. Ces modèles ont été développé pour la prédiction du transfert gaz-liquide où le les nombres de Schmidt (Sc=ν⁄D) sont relativement faible (Sc≈200). Par contre, les procédés industriels ont un nombre de Sc considérablement plus importante, de l’ordre de 103 à 104. Pour évaluer la pertinence de ces modèles, l’hydrodynamique au voisinage d’une interface liquide-liquide a été étudiée. Un modèle CFD et des mesures par l’anémométrie laser (LDA) ont été utilisés pour calculer et valider les champs de vitesse d’une maquette à eau d’une lingotière de coulée continue (CC).Le modèle de transfert de masse d’une lingotière de coulée continu industriel nous a montré que les coefficients de transfert de masse ne sont pas distribués de manière homogène, et les propriétés physiques du laitier ne doivent pas y être non plus. Cette distribution non-homogène a été confirmée par des essais physiques. Les écoulements calculés numériquement ont été utilisé pour prédire les coefficients de transfert de masse entre les deux phases liquide. Ces paramètres seront utilisés comme donnée d’entré pour un modèle de thermodynamique afin de prédire l’évolution de la composition chimique du laitier. / In order to characterize the mass transfer coefficients (MTC) of different species across liquid steel/slag interface, a multiphase Computational Fluid Dynamic (CFD) model was developed. MTC’s are estimated from models based on physicochemical and hydrodynamic parameters, such as mass diffusivity, interface shear and divergence strength. These models were developed for gas-liquid interactions with relative low Schmidt (Sc=ν⁄D) numbers (Sc≈200). However, the industrial processes involve mass transfer of chemical species with Sc number ranging from 103 to 104. To evaluate the applicability of these existing models, the fluid flow in the vicinity of a liquid/liquid interface is investigated. Computational Fluid Dynamic (CFD) and Laser Doppler Anemometry (LDA) were used to calculate and measure the velocity field on a continuous casting (CC) water model configuration. The work provides new insights and original measures to understand the fluid flow near liquid-liquid interfaces.The mass transfer model of an industrial continuous casting mold showed that the mass transfer coefficients are not homogeneously distributed, and slag properties should follow this trend. This non-homogeneity was confirmed by physical experiments performed with a water model of a CC configuration and its CFD representation. The calculated flow was used to predict the MTC and the interface area between phases, since the interface is constantly moving. These parameters will be the input of thermodynamic models to predict slag composition and viscosity. This methodology is currently under validation, and it will also be applied to improve steel plant performance in the desulphurization process.

L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement et à la validation d'outils numériques permettant la Simulation aux Grandes Echelles (SGE) de l'allumage d'un écoulement turbulent diphasique dans une chambre de combustion. Pour ce faire, une méthode de dépôt d'énergie modélisant l'apport d'énergie lié au claquage de la bougie d'allumage a été implémentée dans la chaîne de calcul CEDRE. Cette méthode a été validée sur une simulation de l'allumage d'un écoulement laminaire purement gazeux d'air et de propane. Une SGE de l'écoulement d'air du MERCATO a été effectué à l'aide du solveur Navier-Stokes CHARME de CEDRE. Cette simulation reproduit fidèlement l'écoulement turbulent non-réactif dans la chambre de combustion. Une méthode d'injection simplifiée FIMUR a été ajoutée au solveur lagrangien SPARTE de CEDRE. Dans cette méthode, des gouttes sont injectées directement au nez de l'injecteur avec une distribution de vitesse et de taille imposée. Une SGE de l'écoulement turbulent diphasique dispersé non-réactif dans la chambre MERCATO a ensuite été réalisée avec cette méthode. La comparaison des champs particulaires moyens de vitesse et de taille obtenus par simulation numérique avec les données expérimentales est satisfaisante. Enfin, des SGE de l'allumage de la chambre MERCATO ont été effectuées à partir du champ diphasique non-réactif simulé et de la méthode de dépôt d'énergie développée. Selon l'instant du dépôt d'énergie, les simulations conduisent à des allumages réussis ou ratés. La propagation de la flamme dans la chambre pour un allumage réussi a fait l'objet d'une analyse détaillée pour tenter de déterminer les principaux facteurs l'influençant. / The goal of this thesis is to contribute to the development and validation of numerical tools for the Large Eddy Simulation (LES) of the ignition of a turbulent multiphase flow in a combustion chamber. An energy deposition method that models the energy supplied by the spark plug to the flow was implemented in the CEDRE code. This method was validated on a simulation of the ignition of a purely gaseous laminar propane-air flow. Then, a LES of the non-reacting gas flow in the monosector combustor MERCATO was performed with the Navier-Stokes solver CHARME of the CEDRE code. The comparison between simulations and experiments demonstrates that the main flow field features are well reproduced. In order to simulate the non-reacting dispersed two-phase flow of the same configuration, a simplified injection method called FIMUR was implemented in the Lagrangian solver SPARTE of the CEDRE code. In this method, droplets are injected directly at the tip of the injector with velocities deduced from experimental correlations while the size distribution is directly obtained from experimental data. The comparison of the mean droplet velocity and diameter fields in the vicinity of the injector between simulations and experiments appears satisfactory. Finally, LES's of the ignition of the MERCATO were performed using the non-reacting two-phase flow simulations and the aformentioned energy deposition method. Depending on the instant of energy deposition, the simulations lead to successful or failed ignitions. The flame propagation in a successful ignition was analysed in order to attempt to determine the physical phenomena at play and to better understand them.

Dans le but de prédire l’évolution d’un hypothétique accident au sein d’un réacteur nucléaire, nous nous proposons au travers de cette étude de comprendre la dynamique de bulles de gaz évoluant dans un bain stratifié constitué de deux liquides superposés. Pour ce faire, un dispositif expérimental muni de caméras à haute cadence a été construit afin d’observer en détail la dynamique de bulles d’air isolées et de trains de bulles traversant une interface séparant deux liquides newtoniens immiscibles initialement au repos. En faisant varier la taille des bulles injectées ainsi que les contrastes de viscosité entre les liquides d’un et quatre ordres de grandeur respectivement, ce dispositif a permis d’observer une grande variété de régimes d’écoulement. Dans certaines situations, les bulles de taille millimétrique restent piégées à l’interface liquide-liquide, tandis que les bulles plus grosses parviennent à traverser l’interface, entraînant une importante colonne de liquide lourd derrière elles. Après que l’influence des paramètres physiques a été qualitativement établie à la lumière de modèles simples, des simulations numériques de plusieurs situations sélectionnées ont été réalisées. Celles-ci ont été menées à partir de deux approches basées sur les équations de Navier-Stokes incompressibles, l’une utilisant une technique de capture d’interface, l’autre une description de type « interface diffuse » de Cahn-Hilliard. Les comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques ont confirmé la fiabilité des prédictions numériques dans la plupart des cas, mais ont également souligné le besoin d’améliorer la capture de phénomènes physiques à petite échelle, en particulier ceux liés au drainage de film. / In order to predict the evolution of a hypothetical accident in pressurized water nuclear reactors, this study aims to understand the dynamics of gas bubbles ascending in a stratified mixture made of two superimposed liquids. To this aim, an experimental device equipped with two high-speed video cameras was designed, allowing us to observe isolated air bubbles and bubble trains crossing a horizontal interface separating two Newtonian immiscible liquids initially at rest. The size of the bubbles and the viscosity contrast between the two liquids were varied by more than one and four orders of magnitude respectively, making it possible to observe a wide variety of flow regimes. In some situations, small millimetric bubbles remain trapped at the liquid-liquid interface, whereas larger bubbles succeed in crossing the interface and tow a significant column of lower fluid behind them. After the influence of the physical parameters was qualitatively established thanks to simple models, direct numerical simulations of several selected experimental situations were performed with two different approaches. These are both based on the incompressible Navier-Stokes equations, one making use of an interfacecapturing technique, the other of a diffuse Cahn-Hilliard description. Comparisons between experimental and numerical results confirmed the reliability of the computational approaches in most situations but also highlighted the need for improvements to capture small-scale physical phenomena especially those related to film drainage.

La faible déformabilité et l'accumulation des neutrophiles (globules blancs) dans les capillaires pulmonaires peuvent entraîner des syndromes de détresse respiratoire. Nous étudions le comportement des neutrophiles grâce à un code numérique diphasique de type Volume Of Fluid dans différentes configurations confinées. Les cellules sont représentées successivement par quatre modèles différents : dans un premier temps, nous les modélisons par un fluide newtonien caractérisé par sa viscosité et sa tension de surface. Le noyau très visqueux qu'elles contiennent est pris en compte dans un second temps sous forme d'un solide non-déformable grâce à une méthode de frontières immergées. Puis les effets élastiques sont considérés en modélisant le cytoplasme de la cellule par un fluide visco-élastique d'Oldroyd-B. Enfin, une membrane élastique est introduite autour du cytoplasme afin de séparer le mouvement du cytoplasme de celui du plasma. Nous examinons le comportement des cellules ainsi modélisées dans trois configurations : une géométrie de canaux en croix générant en son centre des écoulements linéaires, comme le dispositif des rouleaux de Taylor, une contraction isolée et un réseau périodique dans lequel la cellule traverse plusieurs contractions successives. Alors que la première configuration permet de placer les cellules dans des écoulements de déformation ou de cisaillement pur, les deux autres géométries se rapprochent davantage des configurations réelles. Les résultats mettent en évidence les différences de comportement de la cellule selon le modèle choisi. L'introduction d'un fluide visco-élastique diminue la viscosité effective des cellules et facilite ainsi leurs déformations et leur entrée dans les contractions géométriques. La membrane en revanche modifie de manière notable la forme des cellules et diminue leurs déformations. / The low deformability of neutrophils (white blood cells) and their accumulation in pulmonary capillaries may cause acute respiratory distress syndrome. A computational fluid dynamic approach using a Volume Of Fluid method is adapted to simulate the behavior of neutrophils in different confined flow configurations. The white blood cells are successively represented by four different models: in a first time, the cell is modeled as a Newtonian fluid, characterized by a viscosity and a surface tension. In a second step, a non deformable core is added using an immersed boundary method to improve representativity of the model. Then, the cytoplasm of the cell is modeled by a viscoelastic fluid. Finally, the effects of an elastic membrane surrounding the cytoplasm are taken into account so as to separate the motion of the plasma from that of the cell. We discuss the behavior of the cell in three different configurations: an equivalent of the 4-roll mill device obtained with a suitable arrangement of micro-channels joining at right angle, an isolated contraction and a periodic network in which the cell goes through several successive contractions. The results shed light on the differences of the cell behaviors obtained with the various models. The introduction of a viscoelastic fluid in the cytoplasm decreases the effective viscosity of the cell and increases its deformability, allowing an easier entrance in a contraction, whereas the membrane affects the cell shape and decreases its deformation.

Le travail de cette thèse aborde le sujet de l’influence des particules non-pesantes et de taille macroscopique sur les écoulements en canal dans des conditions proches du seuil de la transition laminaire-turbulent. Les suspensions sont faiblement concentrées (fraction volumique φ = 5%). Le couplage hydrodynamique existant entre la phase dispersée et la phase continue est résolu numériquement par la Force-Coupling Method, et les particules sont suivies d’une façon lagrangienne. Dans un écoulement laminaire de Couette ou de Poiseuille plan, nous montrons que les contraintes induites par la phase solide augmentent avec l’inertie, et l’influence de la concentration est plus faible qu’en régime de Stokes. Les particules avancent avec un retard dans la direction de l’écoulement et migrent à travers les lignes de courant (effet Segré-Silberberg en Poiseuille). Les vitesses de migration et de glissement s’amplifient avec l’inertie et sont du même ordre de grandeur quand Rep = O(1). Quand les particules sont lâchées librement dans un écoulement de Poiseuille plan en-deça du seuil critique de transition à la turbulence, la suspension initiale- ment homogène (φ = 5%) devient stratifiée, après un temps d’écoulement de plusieurs dizaines d’unités de temps (rapport de la hauteur du canal sur la vitesse moyenne de l’écoulement). Après une centaine d’unités de temps, nous observons le développement d’une instabilité à l’interface entre la zone chargée en particules et la zone de fluide pur. Des motifs dunaires prennent place dans la direction de la vorticité. Ces motifs sont soutenus par des écoulements secondaires d’intensités faibles mais non-nulles. Dans un écoulement au-dessus du seuil de transition, nous avons étudié les profils des phases continues et dispersées et réalisé des visualisations 3D afin de comprendre pourquoi les particules macroscopiques diminuent le nombre de Reynolds critique de relaminarisation de l’écoulement. Nous observons que les particules provoquent une augmentation significative des fluctuations de vitesses dans les directions transverses et qu’elles modifient les structures rotationnelles de l’écoulement, qui deviennent plus petites, plus nombreuses et plus énergétiques (plus grandes vitesses de rotation). Le coefficient de frottement pariétal de l’écoulement de suspension en régime de transition est supérieur à celui de l’écoulement monophasique. Quand le nombre de Reynolds est diminué et que l’écoulement devient finalement laminaire, le coefficient de frottement pariétal rejoint la loi laminaire d’un écoulement monophasique, à condition de substituer la viscosité effective de la suspension à la viscosité du fluide dans l’expression du nombre de Reynolds. D’après nos résultats, la turbulence de l’écoulement de suspension est conservée jusqu’à des nombres de Reynolds bien inférieurs à celui de l’écoulement monophasique en canal, en accord avec les observations ex- périmentales de Matas, Morris et Guazzelli (PRL, 2003) pour une géométrie cylindrique. Par ailleurs, nous montrons que selon le sens de la transition, laminaire → turbulent ou turbulent → laminaire, le nombre de Reynolds critique de transition d’un régime à l’autre n’est pas le même. Nous n’avons pas observé d’influence significative de la concentration en ce qui concerne la valeur du nombre de Reynolds critique de relaminarisation pour les deux concentrations étudiées (φ = 2.5% et 5%). / This PhD addresses the influence of macroscopic and neutrally buoyant particles on the channel flows close to the laminar-turbulent transition regime. The suspension flow is moderately concentrated (solid volumetric concentration _ = 5%). The hydrodynamic coupling between the dispersed and carrier fluid is numerically resolved using the Force-Coupling Method approach. Particle trajectories are obtained by lagrangian tracking. In laminar wall-bounded flows, we show that the stress induced by the solid phase increases with inertia, and that the effect of the concentration is weaker than in the Stokes regime. The particles lag the flow and they migrate across the streamlines (Segré-Silberberg effect in Poiseuille flow). The migration and slip velocities are of the same order of magnitude for Rep = O(1). When the particles are freely suspended in a Poiseuille flow below the transition threshold, the initially homogeneous suspension (_ = 5%) becomes stratified after several ten time units (channel height/average flow velocity). After a hundred time units, the different rheological properties of the suspension segregated parts induce an instability yielding the formation of dune-like patterns, sustained by weak but finite secondary flows. In the fluctuating flow regime, we studied the profiles of the continuous and dispersed phase and realized 3D visualizations in order to understand why finite size particles delay the relaminarization threshold. The particles induce a significant increase of the velocity fluctuations in the transverse directions and they modify the rotational flow structures, which become smaller, more numerous and more energetic (larger rotation velocity). The wall-friction coefficient of the suspension flow in the transition regime is larger than the single-phase flow case. When the Reynolds number is decreased and the flow becomes laminar, the friction coefficient recovers the laminar law of a single phase flow provided that the fluid viscosity is replaced by the effective suspension viscosity in the Reynolds number definition. Our results clearly show that the two-phase channel flow turbulence is conserved down to a threshold well below the single phase flow limit, in agreement with the observations of Matas, Morris et Guazzelli (PRL, 2003) for a cylindrical geometry. In addition, we show that according to the transition direction, i.e. laminar 7! turbulent or turbulent 7! laminar, the switch from a regime to another does not occur at the same critical Reynolds number. Finally, in the limit of moderately concentrated (_ = 2.5−5%) suspension flow in a channel, the concentration has no significant influence on the critical Reynolds number.

Les réacteurs structurés de type monolithe apparaissent comme une alternative intéressante aux réacteurs triphasiques conventionnels (à lit fixe ruisselant ou à suspension), car ils offrent dans leurs canaux millimétriques, dans une large gamme de débits, un écoulement bien défini, consistant en une succession de bulles et bouchons liquides (écoulement dit de Taylor). Celui-ci, proche de l'écoulement idéal " piston ", permet également une intensification du transfert gaz-liquide, notamment grâce à l'existence d'un film mince de liquide séparant les bulles de la paroi catalytique. Par ailleurs, les dernières technologies de fabrication additive offrent de nouvelles possibilités de réalisation de ce type de réacteur, sous la forme d'une structure métallique conductrice alternant canaux catalytiques et canaux dédiés au fluide caloporteur. Cette configuration efficace de réacteur-échangeur autorise à considérer le monolithe comme uniforme en température et à réduire sa modélisation à celle d'un canal unique isotherme. C'est la stratégie de modélisation adoptée dans ce travail de thèse, qui cherche à représenter chacun des phénomènes avec seulement le niveau de complexité nécessaire, en progressant de l'échelle locale à l'échelle du réacteur. L'outil choisi ici est le logiciel COMSOL Multiphysics pour sa capacité à traiter des problèmes multi-physiques et multi-échelles. Une approche classique pour les écoulements de Taylor est appliquée, construite autour d'une " cellule unitaire " qui se déplace à la vitesse diphasique le long du canal. Le champ hydrodynamique calculé sert alors de support au calcul du transfert de masse entre les phases. Le premier cas d'étude traité - transfert d'oxygène dans l'eau avec réaction de consommation de l'oxygène en paroi - sert à poser les bases du modèle, en examinant le bien-fondé de différentes hypothèses simplificatrices, concernant le nombre de phases modélisées, les conditions aux limites du domaine pour les équations résolues, ou encore la forme de bulle. Ce travail préliminaire a montré que la résolution de la phase liquide uniquement, autour d'une bulle de forme simplifiée, peut assurer une représentation satisfaisante des profils de vitesse dans les bouchons et dans le film de lubrification par rapport à des calculs diphasiques. Il a aussi permis d'évaluer de façon séparée les contributions au transfert gaz-liquide de chacune des zones d'interface (film, nez ou arrière de la bulle) et de quantifier l'influence sur l'efficacité du transfert de la fréquence de bullage, qui modifie à la fois l'aire interfaciale et l'intensité de recirculation dans les bouchons. La démarche est ensuite appliquée au cas de l'hydrogénation de l'alpha-pinène, et validée par une campagne d'essais réalisés pour un tube catalytique de 2 mm de diamètre et de 40 cm de longueur, fonctionnant sous 21 bar et entre 100°C et 160°C. Le modèle utilise pour la couche catalytique en paroi une loi cinétique intrinsèque, identifiée en réacteur autoclave agité (pour le même catalyseur de Pd/Al2O3, mais sous forme de poudre). Il suit par un calcul instationnaire la progression de la cellule unitaire jusqu'à la sortie du réacteur. Outre les effets des paramètres clés mis en évidence précédemment, ceux de la consommation de gaz le long du réacteur et des conditions " initiales " de saturation du liquide sont examinés. Le fonctionnement du monolithe peut être reproduit dans son intégralité à partir de ce modèle, par association de canaux recevant des débits individuels de gaz et de liquide représentatifs de la distribution des fluides observée expérimentalement, et en lui incorporant un module de mélange des fluides issus de chacun des canaux en sortie de réacteur. Ce modèle sert aussi de référence pour l'évaluation d'un outil de dimensionnement plus direct, basé sur une hydrodynamique simplifiée et des coefficients d'échange globaux évalués à partir de corrélations ou des simulations numériques dédiées. / Structured reactors of monolith type arise as an interesting alternative to conventional three-phase reactors (trickle-bed or slurry reactors), because they offer, in a wide range of flow rates, a welldefined flow structure in their millimetric channels, consisting of an intermittent series of gas bubbles and liquid slugs (i.e. Taylor flow). This flow regime, close to the ideal “plug flow” behavior, enables the improvement of gas-liquid mass transfer, thanks to the thin liquid film laying between the bubbles and the catalytic wall. Moreover, recent additive manufacturing technologies offer new possibilities for producing such a reactor, in the form of a metal heat-conducting block alternating catalytic channels and channels dedicated to the coolant. This efficient reactor/heat exchanger configuration allows the monolith to be considered as uniform in temperature and to reduce its modeling to that of a single isothermal channel. This is the modeling strategy adopted in this thesis, which aims to represent each phenomenon with the required level of complexity only, progressing from the bubble/slug scale to the reactor scale. COMSOL Multiphysics® software is selected as the numerical tool for its ability to handle multiphysics and multi-scale problems. The approach classically used for Taylor flows is applied, based upon a "unit cell" (gas bubble associated to a lubricating liquid film and two liquid half-slugs) that travels along the channel at the two-phase velocity. Solved hydrodynamics then serves as a basis for the calculation of gas-liquid mass transfer. The first study case - oxygen transfer into water with consumption at the channel wall – lays the foundations of the model, by examining the merits of various simplifying hypotheses concerning the number of phases to be considered (gas and liquid, or liquid only), the boundary conditions for the solved equations (periodicity, slip conditions at the gas-liquid interface), or the bubble shape (calculated or "simplified"). This preliminary work has shown that the simplest approach, which consists in solving the liquid phase only, as flowing around a bubble of simplified shape, can ensure a satisfactory representation of the velocity profiles in the liquid slugs and in the lubrication film, compared with two-phase flow (semi-analytical or CFD) calculations. This study also allows to evaluate separate contributions from different parts of the bubble surface (film, and front or back cap) to gas-liquid mass transfer, and to quantify the influence on transfer efficiency of bubble frequency, which affects both the interfacial area and the recirculation intensity in the slugs. The modelling approach is then applied to the hydrogenation of alpha-pinene and validated by an experimental tests carried out in a catalytic tube of 2 mm diameter and 40 cm length, operating at 20 bar and between 100°C and 160°C. The model uses an intrinsic kinetic law for the reaction occurring in the catalytic washcoat, identified in a stirred autoclave reactor (for the same Pd/Al2O3 catalyst, but in powdered form). Transient calculation follows the progression of the unit cell until the reactor exit. In addition to the effects of the key parameters previously identified, those of gas consumption along the reactor (hydrogen being here the limiting reactant) and "initial" saturation conditions of the liquid are examined. The behavior of the entire monolith can be mimicked from this model by combining, in a mixing module, the outflows of channels whose individual gas and liquid flow rates match a measured fluid distribution. This model also serves as a reference for evaluating a more direct reactor sizing tool, based on simplified hydrodynamics and overall exchange coefficients evaluated from correlations or dedicated numerical simulations.

Les matériaux diélectriques sont utilisés dans le domaine de l'aérospatial pour assurer la régulation thermique des engins spatiaux. Ils sont soumis à un environnement chargeant composé de rayonnements ionisants tels que les électrons ou les protons. Un stockage de ces charges se produit dans le volume du matériau et engendre des dégradations et un vieillissement prématuré amenant à une perte de fiabilité globale du système qui doit être anticipée. Le but de ce travail de thèse a été d'évaluer la densité de charges d'espace injectées au sein d'un matériau diélectrique pendant une irradiation électronique afin de recréer partiellement l'environnement radiatif auquel il peut être soumis. Pour mener à bien ce projet, nous avons utilisé un dispositif expérimental basé sur la méthode Electro-Acoustique Pulsée (PEA) couramment utilisé dans le domaine du génie électrique. Nous avons développé une électrode de mesure innovante sans contact et circulaire permettant la mesure pendant irradiation électronique car les dispositifs expérimentaux précédents ne le permettaient pas. Ce type de mesures n'avait jamais été réalisé ailleurs auparavant, ce qui un vrai apport pour ce domaine d'étude car il permet de conserver l'échantillon dans une configuration proche de son utilisation finale. L'électrode est basé sur une ligne de transmission de type microstrip. Dont les caractéristiques géométriques ont été déterminées d'une part avec le logiciel Orcad PCB Editor, mais aussi avec le logiciel COMSOL Multiphysics. La validation expérimentale a été menée et les premières mesures réalisées dans l'enceinte d'irradiation MATSPACE du laboratoire ont permis de mettre en évidence le bon fonctionnement de l'électrode et de valider les résultats de simulation obtenus précédemment. Le traitement du signal a également été adapté pour cette nouvelle configuration. Une étude a ensuite été menée avec différentes énergies cinétiques (comprises entre 50 et 100 keV) et différentes densités de flux électronique (0.5 à 2 nA/cm2) pour la phase d'irradiation suivi d'une phase de relaxation (maintien de l'échantillon sous vide) afin de suivre la dynamique des charges d'espace implantées au sein du diélectrique. La représentation par cartographie de la quantité de charges injectées en volume permet de suivre aisément l'évolution de cette dernière en fonction du temps. Ce travail de thèse a permis d'atteindre les objectifs fixés concernant la réalisation de mesures pendant une irradiation électronique. Ce dispositif de caractérisation peut également être utilisé sur des films polymères issus du domaine du génie électrique, les conditions d'irradiation étant contrôlées. Dans un futur proche, ce prototype d'électrode pourra être associé à un capteur à haute résolution spatiale développé dans l'équipe pour un système encore plus performant. / Dielectric materials are widely used in space industries to ensure the spacecrafts thermal regulation. Spacecrafts are submitted to charging environment made of ionizing rays as electrons and protons. These charges are trapped in the material bulk and cause degradations and premature ageing and a global loss of reliability which had to be anticipated. The aim of this work was to evaluate the injected space charges density in a dielectric material during an electronic irradiation in order to partially reproduce the radiative environment. To lead this study, we used an experimental set up based on Pulsed Electro Acoustic (PEA) Method commonly used in electrical engineering. We have developed a new ring and contactless excitation electrode allowing to perform measurements during an electronic irradiation because the previous experimental setups don't allow to realize measurements during an electronic irradiation. This kind of measurements are performed for the first time ever in scientific research which is a real innovation for this research field because it is possible to keep the dielectric sample under vacuum and to be near the space environment. The new electrode is based on a signal transmission line (microstrip). Its geometric characteristics have been determined with two softwares as Orcad PCB Editor and COMSOL Multiphysics. The experimental validation has been led and the first measurements are performed in the irradiation chamber called MATSPACE allowing to highlight the good working of this new electrode and to validate the simulation results previously obtained. Moreover, the signal treatment has been adapted for this new configuration. A study has been also led with several kinetic energies ( 50 to 10 keV) and with several electronic flux density ( 0.5 to 2 nA/cm2) for the irradiation step followed by a relaxation step ( the sample is kept under vacuum) in order to to follow the injection dynamic of the injected electrons in the sample bulk. The space charge cartography representation allow to easily follow the dynamic injection. This work enabled to reach the differents objectives concerning the realizatiion of the space charges measurements during an electronic irradiation. This characterization setup can be used with several dielectric material used in electrical engineering, irradiation conditions being controlled. In next futur, this electrode prototype could be coupled with a very thin piezoelectric sensor to improve the spatial resolution to lead to a high temporal and spatial measurements system.

Cette thèse est dédiée à l’étude de l’effet de la configuration des agitateurs (pales planes) et la nature du tensioactif sur la dispersion de gaz dans un liquide en vue d’obtenir un produit foisonné. Cette étude est menée à deux échelles pilote et locale. Le premier chapitre est dédié à une étude à l’échelle pilote. Les résultats ont montré qu’à conditions opératoires fixées, lorsque les agitateurs sont collés et décalés, l’aspect distributif de la dispersion de gaz est amélioré. L’aspect dispersif (taille des bulles), en revanche, reste peu sensible à la configuration des agitateurs. Les protéines sériques« WPI » comme agent tensioactif améliore l’efficacité de la rétention de gaz alors que le Tween 20 la réduit et provoque l’augmentation de la taille des bulles. Le deuxième chapitre concerne une approche locale qualitative (observation optique) et quantitative (détermination de capillaire critique). L’étude qualitative a montré que l’ajout d’un angle de décalage modifie l’écoulement du liquide et les bulles suivent la trajectoire imposée par le liquide. Lorsque les protéines WPI est utilisé comme agent tensioactif, sous l’action de la contrainte de cisaillement, les bulles subissent une déformation qui se termine par une rupture par extrémité. Un système couette a permis de déterminer un nombre capillaire critique correspondant à cette rupture. Par contre, en présence du Tween 20, la déformation ne conduit jamais à une rupture par extrémité. Le troisième chapitre de ce travail est dédié à une étude numérique de l’hydrodynamique de l’écoulement. Cette étude a permis de confirmer les résultats obtenus par l’approche qualitative. A titre d’exemple, un décalage entre deux agitateurs collés conduit à la multiplication des zones de vortex, à l’apparition des élongations supplémentaires et d’effet venturi favorables à l’aspect distributif de la dispersion. L’étude numérique montre également que le gradient maximal et moyen de vitesse reste indépendant de la configuration, ce qui explique pourquoi la taille moyenne est indépendante de la configuration. / Flat-blad impellers configuration coupled with tensioactif agents have been used to study gas dispersion in foaming process. The work has been conducted at pilot and local scales. The first chapter is devoted to a study at the pilot scale. The results showed that under a given operating conditions, a shift between two glued successive impellers promotes distributive aspect of the gas dispersion. However the dispersive aspect (bubble size), remains independent of the impellers configuration. The pilot-scale experiments have also shown that the "WPI" enhance foaming efficiency, while, Tween 20 reduces it and increases the size of the bubbles. The second chapter links with a qualitative (optical observation) and quantitative (determination of critical capillary) at local scale. It has been observed that shifted-impellers modify the flow pattern and promotes the distributive aspect of the mixture. When the WPI is used as a surfactant, shear stress induces bubble deformation until a tip-breakup occurs. Using a Couette system, it has been shown that there exist a critical capillary number corresponding to this rupture. However, the deformation does never induced tip-breakup when using Tween 20. The third chapter of this work is devoted to a numerical study of liquid hydrodynamics under different configuration. It appears that the configuration where the impellers are glued and shifted induces the multiplication of the vortex, the appearance of additional elongations and venturi effect. These effects seem to improve the distributive aspect of mixing in agreement with the results obtained previously. The numerical study also shows that the maximum and average shear gradient is independent of the configuration. This result explains why the mean bubble size remains independent of the configuration.