Par rapport à un fluide Newtonien, les suspensions denses de particules présentent des propriétés rhéologiques différentes. Des comportements rhéofluidifiants ou rhéoépaississants liés à des phénomènes de migration de particules peuvent apparaitre. Pour des suspensions, le taux de cisaillement, la concentration et la taille des particules ont une grande influence sur ce comportement rhéologique (Denn et Morris 2014). Pour observer l'influence de ces facteurs, l'un des meilleurs moyens est de disposer d’un système simple dans lequel tous les facteurs mentionnés ci-dessus sont bien contrôlés. Ceci peut être réalisé par le développement d'une plate-forme expérimentale, sur laquelle les comportements d'écoulement de suspension (profil de vitesse et concentration locale de particules) à des vitesses de cisaillement et des concentrations de particules bien contrôlées peuvent être étudiés. Dans l'étude actuelle, 4 tâches ont été réalisées :1) Le développement d'une nouvelle formulation pour la préparation d’une suspension adaptée en indice de réfraction et en densité basée sur des particules de PMMA. 2) Le développement d'un dispositif expérimental consacré à l'étude des flux de suspension dense sous une large gamme de taux de cisaillement constant. 3) La caractérisation des profils de vitesse des flux de suspension dense sous un dispositif cône-plan utilisant des techniques de micro-PIV. 4) Une mesure préliminaire de la concentration locale de particules de la suspension sous écoulement cône-plan en utilisant des méthodes de traitement d'image. / Compared to general Newtonian fluids, highly concentrated mixtures of particles and fluid, so called dense suspensions, have different rheological properties and fluid dynamic behaviors. Such as, shear-thinning or shear-thickening effect, and apparent slip and particle migration behaviors under certain shear flow conditions. These properties are related to the application of suspension flow in real systems, for example, the blood.For suspensions, shear rate, particle concentration and particle size have a big influence of on their rheological behaviors (Denn and Morris 2014). To observe the influence of these factors, one of the best ways is to start the research from a simple case in which all the above mentioned factors are well controlled. This can be realized by developing such an experimental platform, on which the suspension flow behaviors (velocity profile and local particle concentration) at different shear rates and particle concentrations can be investigated.In the current study, 4 tasks were achieved:1) The development of a new recipe for the preparation of density and refractive index matched suspension with PMMA particles. 2) The development of an experimental set-up devoted to the investigation of dense suspension flow under a large range of constant shear rate. 3) The characterization of the velocity profiles of dense suspension flows under a cone-plate device by using micro-PIV techniques.4) A preliminary measurement of the local particle concentration of the suspension flow by using image processing techniques.

En raison du développement croissant des MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), l'étude des écoulements de liquide ou de gaz et des transferts thermiques dans des conduites, chauffées ou non, dont le diamètre hydraulique est de l'ordre de quelques microns, a suscité un nombre considérable de travaux au cours des vingt dernières années. À cette échelle, le nombre de Knudsen peut être important (Kn>0,01), ce qui donne naissance à des phénomènes de glissement, de saut de température et de pompage thermique qui s'ajoutent aux effets de compressibilité, telles que la puissance due aux forces de pression et à la puissance des contraintes visqueuses et aux variations des propriétés du fluide avec la température. Dans les modélisations de la littérature, ces phénomènes sont rarement pris en compte simultanément et sont souvent partiellement négligés, sans justification. Notre démarche consiste à proposer une modélisation des micro-écoulements gazeux se rapprochant au mieux de la réalité en prenant en compte tous les phénomènes et à étudier les effets de chacun d'entre eux. L'étude est, en premier lieu, menée en utilisant un code commercial, résolvant les équations de conservation par la méthode des volumes finis et adapté par le biais de sous-programmes développés au cours de cette thèse. Des validations ont été effectuées pour des problèmes allant des plus simples (incompressibles, non glissants) aux plus complexes (compressibles, glissants). Cette étude a permis de mettre en évidence les problèmes liés à la modélisation quand les nombres de Péclet des écoulements sont inférieurs à l'unité (Pe < 1). Dans ce cas, les effets de diffusion inverse sont dominants et l'utilisation d'extensions à l'amont de la conduite devient incontournable. Les effets de compressibilité qui se traduisent par des détentes du gaz près de la sortie de la conduite (accélération + refroidissement) ont été analysés. Enfin, des comparaisons ont été effectuées avec des solutions analytiques d'écoulements compressibles et glissants, supposés isothermes en imposant de faibles variations de pression. Nous avons pu montrer que ces solutions restent valables, même lorsque les variations de pression sont importantes parce que les détentes ne sont localisées que près de la sortie de la conduite et n'influencent donc pas les propriétés globales de l'écoulement. La suite du travail a été réalisée à l'aide d'un code de calcul développé au laboratoire et validé pour les écoulements à grandes échelles. Des conditions aux limites de glissement ont été introduites afin de l'adapter à la problématique de ce travail de thèse. Compte-tenu de ses performances (précision et rapidité des calculs en particulier), ce code a permis de réaliser une étude paramétrique sur une large gamme de pressions d'entrée et de sortie, de telle sorte à balayer tous les types d'écoulements : de peu à très compressibles et de peu à très glissants. Les résultats sont d'abord présentés pour des écoulements quasi-isothermes puis comparés aux solutions analytiques afin de tester ces dernières sur une plus large gamme de pression. Enfin, de nouveaux résultats ont été obtenus pour des écoulements chauffés. Des corrélations, en fonction des paramètres adimensionnels caractéristiques de ces écoulements, ont été obtenues pour les modèles complets à l'aide d'un logiciel de statistiques et de plans d'expériences. Des comparaisons à des modèles simplifiés ont été effectuées pour évaluer les erreurs commises lorsque certains termes sont négligés / These phenomena are rarely taken into account all at once, at least one of them is neglected and often without justification. Our approach is to get as close as possible to reality by taking into account all the phenomena that appear at once and then to study the effect of the phenomena most often overlooked. First, the study is conducted using a commercial code for solving the conservation equations by the finite volume method. Validations were performed for problems ranging from the simplest (incompressible, non-slip flow) to the more complex (compressible, slip flow). This study highlighted the problems associated with simulations when the flows Peclet numbers are less than unity (Pe <1). In this case, the inverse diffusion effects are dominant and the use of extensions at the upstream becomes unavoidable. In addition, compressibility effects were identified; they have resulted in expansions of the gas near the exit of the pipe (acceleration + cooling). Finally, comparisons were made with analytical solutions of compressible slip flows assumed isothermal by imposing small variations of pressure. We showed that these solutions remain valid even if the pressure variations are important because the detents are located only near the exit of the pipe. In this case, they do not affect the properties of the flow. Further works were carried out using an in-house computer code, previously developed and validated in the laboratory for flows with large scales and for which slipping limits conditions have been added so that it can properly resolve slip flows. In view of its accuracy and performances in terms of CPU-time, the code allowed us to achieve a parametric study on a wide range of input and output pressures, so as to sweep all runoff from few to very compressible and few to very slip flow. The results were first presented for quasi-isothermal flow, which subsequently were compared to analytical solutions to test these ones on a wider range of pressure. Finally, the results were made for heated flows. Correlations have been obtained for a complete model using a statistical based software and design of experiments. Comparisons to simplified models were performed to assess the inaccuracies linked to the omission of terms often overlooked in the literature

L’objectif de cette thèse est d’approfondir la connaissance sur la génération et la propagation des ondes à travers l’interface de contact afin de contrôler leurs effets sur le frottement, contrôler les instabilités et réduire les phénomènes d'usure. Le travail est organisé en deux parties principales. La première partie est axée sur une analyse non-linéaire par éléments finis en grandes transformations; la rupture dynamique à l’interface de contact avec frottement, qui sépare deux corps (isotropes et élastiques) en condition de pré-charge statique, est simulée. On définit comme étant une rupture une zone, initialement en adhérence, qui change son état en devenant glissante. Les propriétés des ruptures sont analysées pour une surface plane entre deux matériaux différents en fonction de l’énergie de nucléation; l’effet de la rugosité de surface est ensuite analysée. En outre, la rupture "cumulatives" dans les aspérités et les conditions pour le couplage ou le non-couplage entre les ondes qui se propagent dans les deux corps sont étudiées. Dans la deuxième partie, l'amorçage du glissement entre deux corps en contact constitués de matériaux différents et séparés par une interface avec frottement, est simulée. L’évolution, en fonction du temps, des forces globales (normale et tangentielle) a été mise en relation avec les phénomènes locaux qui se déroulent à l’interface. L'analyse montre comment les micro-slips à l'interface, en agissant comme ruptures localisées, déclenchent les macro-slips entre les deux corps. L'interaction entre les dynamiques locale du contact et globale du système a été aussi étudiée. Enfin, une analyse paramétrique est menée en fonction de plusieurs paramètres (loi de contact, coefficient de frottement, amortissement matériau, charge normale, etc.). Les résultats mettent en avant le rôle-clé des micro-slips et des précurseurs (propagations d'ondes détectables qui ont lieu pour des valeurs de la force tangentielle globale inférieures à la valeur prévue par la loi de frottement) dans l'amorçage du macro-slip entre les deux corps. En fonction de leur distribution et de leur intensité, l'évolution des forces de contact change en passant d'un comportement de type stick-slip à un glissement continu. La dynamique locale au contact (propagation des ondes et ruptures) a été reliée au comportement global du système (stick-slip, glissement continu, vibrations induites); l'effet des paramètres du contact et du système sur le transfert d'énergie vibrationnelle entre le contact glissant et le système a également été examinée: en fonction de leurs valeurs, on peut avoir différentes modalités d'excitation du système (par une distribution de micro-slips ou par des macro-slips) et différentes processus de propagation et dissipation d'énergie. Les résultats numériques obtenus dans les deux parties de la thèse sont cohérents avec les résultats expérimentaux de la littérature. / This thesis is addressed to the understanding of the mechanisms at the origin of the contact wave fields at frictional interfaces and its relationship with the local characteristics of the surfaces in contact, as well as with the global dynamics and macroscopic frictional behaviour of the system. The aim of this work is to provide insights on the generation and propagation of the waves through the contact both to avoid instabilities and to control their effect on friction. The work is organized in two main parts. The first part presents the development of a non-linear finite element analysis in large transformations of the dynamic rupture at the interface with contact friction separating two bodies (isotropic and elastic) without relative motion. A rupture is considered when an initially sticking zone shifts in sliding state. The properties of the obtained ruptures are analyzed for a flat interface between dissimilar materials in function of the nucleation energy; then the effect of the interface roughness is analyzed. The differentiated rupture inside the asperities and the conditions for coupling and uncoupling between the waves radiating in the two bodies have been also investigated. In the second part, the analysis deals with the sliding onset between two bodies in contact. The sliding between two bodies made of different isotropic elastic materials and separated by a frictional interface is simulated. The evolution along the time of the global normal and tangential forces is analyzed, relating it to the local phenomena occurring at the interface. This part tries to investigate how micro-slips at the interface, acting as distributed ruptures, trigger the macro-slips between the two bodies. The interaction between local and global dynamics is also studied. Finally a numerical parameter space study is carried out, as a function of several system parameters (contact law, friction coefficient, material damping, normal load, translational velocity and regularization time). The results show the key role of the micro-slips and precursors (detectable wave propagations that occur at tangential global force well below the critical value expected by the friction law) in triggering the macro-slip between the two bodies. Depending on their distribution and magnitude the evolution of the contact forces passes from stick-slip-like behaviour to continuous sliding. The local dynamics at the contact (wave and rupture propagation) is linked to the global behaviour of the system (stick-slip, continuous sliding, induced vibrations); the effect of the contact and system parameters on the transfer of vibrational energy between the sliding contact and the system is investigated. The numerical results obtained by the two parts of the work show a good agreement with experimental results in literature.

Ce travail porte sur le développement d’une nouvelle technique expérimentale dédiée à l’étude de la rhéologie mise en jeux lors du glissement d’une pointe rigide sur une surface de polymère. Ce travail s'est déroulé progressivement de l'échelle mésoscopique vers l'échelle nanométrique. Pour cette dernière, la zone ciblée est la zone interfaciale confinée et cisaillée.Pour mettre en évidence les comportements de la zone cohésive, nous avons étudié un système de réseaux interpénétrés de polymères (RIPs) CR39-PMMA. Grâce à leurs propriétés ajustables, nous pourrons utiliser les RIPs sont utilisés comme substrat pour étudier la zone interfaciale en variant facilement les paramètres rhéologiques.Pour étudier les propriétés de la zone interfaciale, des couches phospholipidiques de DSPC ont été choisies comme matériau modèle. Leurs structures ont été étudiées par la réflectivité spéculaire de neutron. Nous montrons que la structure des couches supportées de DSPC est robuste, et le taux d’humidité́ relative joue un rôle important sur la structure. Les essais de glissement sur des couches de DSPC ont permis de relever les influences des paramètres mécaniques et environnementaux sur la contrainte de cisaillement Le développement du NanoTribo-FRAPP permet de caractériser le cisaillement des couches de DSPC sur une lame de verre, tout en mesurant la vitesse d’écoulement locale des couches moléculaires nanométriques. Nous pouvons ainsi estimer les plans de glissement en fonction de la vitesse. / This work deals with the development of a new experimental technique and its application to study the rheology of a highly confined and sheared interfacial zone involved in the sliding of a rigid tip on a polymer suface. This tribological work has been conducted gradually from the mesoscopic scale to the nanoscale.To highlight the behavior of the cohesive zone, we studied an interpenetrating polymer network system (INPs) CR39-PMMA. Thanks to their adjustable properties, we may use the INPs as a substrate to study the interfacial zone by easily varying the rheological parameters.To study the rheological properties in the interfacial zone, the phospholipid layers of DSPC have been chosen as model material. The structures have been studied by the neutron reflectivity experiments. We show that the structure of supported layers of DSPC is robust, and the relative humidity plays a key role on it. Sliding tests on the DSPC layers reveals the influences of mechanical and environmental parameters on the shear stress. The development of NanoTribo-FRAPP allows to characterize the shear conditions of DSPC layers, with the measurements of local velocity of these of nanoscale molecular layers. This gives us access to estimate the slip planes as a function of imposed velocity.

Nous présentons dans cette thèse une adaptation de la technique de vélocimétrie par marquage moléculaire (MTV) aux micro-écoulements gazeux. Les effets de luminescence de l’acétone gazeuse excitée par un rayonnement UV, mis en jeu dans la MTV, ont été analysés en vue d’une application en vélocimétrie à basse pression. La phosphorescence de l’acétone diminue fortement avec la pression, pour devenir non détectable à des pressions de l’ordre du kPa. En revanche, la fluorescence reste détectable à des pressions de l’ordre de la dizaine de Pa. L’analyse des déplacements de molécules luminescentes au sein de l’écoulement porteur a montré que les effets de la diffusion moléculaire sont importants et augmentent avec la raréfaction du gaz. Une méthode de reconstruction, basée sur l’équation d’advection diffusion, a été développée. Elle permet d’extraire le profil de vitesse à partir de l’analyse du déplacement et de la déformation de la zone marquée, en prenant en compte la diffusion des molécules luminescentes. L’analyse d’un écoulement de Poiseuille dans un canal de section rectangulaire et de dimensions millimétriques, sous des pressions de l’ordre de 100 kPa, a montré la capacité de la MTV à extraire avec précision la vitesse locale en écoulements confinés, lorsque la méthode de reconstruction est appliquée. Une feuille de route pour l’analyse future par MTV des écoulements raréfiés, notamment dans le régime glissant, est finalement proposée. / In the present thesis we present an adaptation of Molecular Tagging Velocimetry (MTV) to gas microflows. The photo-luminescence effects of gaseous acetone excited by UV light, implemented in MTV, have been analyzed in various pressure conditions. The acetone phosphorescence shows a drastic decrease with pressure and becomes non measurable for pressures lower than 1 kPa. On the other hand, fluorescence shows a slower decrease and remains clearly detectible at pressures as low as 10 Pa. The motion of tracer molecules within the carrier flow has been studied. The analysis of the displacement of the tagged molecules has shown the strong influence of molecular diffusion, this influence being increased with the gas rarefaction. A reconstruction method based on the advection-diffusion equation has been developed. It allows to extract the velocity profile from the analysis of the displacement and deformation of the tagged region, taking into account the diffusion of tracer molecules. This reconstruction method has been successfully implemented to analyse a Poiseuille flow in a rectangular millimetric channel, under atmospheric pressure conditions, and the capability of MTV to accurately extract the local velocity in confined gas flows has been demonstrated. Finally, some short term perspectives have been proposed with the aim to help achieving rarefied flows analysis by MTV.

Nous étudions la formation de bulles dans un fluide à seuil (matériaux liquides si la contrainte appliquée est supérieure à la contrainte seuil, et solides autrement) au moyen de géométries milli fluidiques (jonctions en T, “flow focusing“) constituées de canaux axisymétriques, et fabriquées par stéréo lithographie. En tirant partie de la domination des effets capillaires par la contrainte seuil, nous produisons des bulles dans des fluides à seuil simples (émulsions concentrées, gels de carbopol). La formation des bulles est due au pincement du filament de gaz par l'écoulement de fluide à seuil à débit imposé. Il rappelle celui observé pour des fluides Newtoniens dans des géométries de “flow focusing“ 2D. Nous étudions les différents régimes de fonctionnement de ces systèmes lorsque le débit de fluide à seuil et la pression de gaz sont imposés. La production instationnaire de bulles est observée, et expliquée par la rétroaction provenant des variations de résistance hydrodynamique induites par la formation des bulles sur le débit de gaz. La déstabilisation finale se produit lorsque toutes les bulles coalescent. Ceci est dû au transfert de fluides entre les ponts liquides séparant les bulles et les films fins situés près des parois solides. Aussi, nous étudions le dépôt de fluide à seuil dans un tube capillaire avec ou sans glissement aux parois. En effet, ce phénomène est courant lors de l'écoulement de fluide à seuil en milieu confiné sur des surfaces lisses. Les résultats peuvent être décrits par une loi d'échelle (contrainte interne équilibrant le gradient de pression capillaire) lorsqu'il n'y a pas de glissement aux parois. Dans le cas contraire nous montrons qu'il existe trois régimes dépendant de l'état de contrainte du système, et qu'ils fixent les formes de bulle observées en régime instationnaire. Finalement, différentes méthodes de régulations (pression, écoulement pulsés) nous permettent d'obtenir des régimes stationnaires. Ceux-ci sont caractérisés (fraction volumique de gaz, temps de formation de bulles), et permettent l'obtention de mousses de fluides à seuil. Ainsi, ouvrant potentiellement la voie à la production contrôlée de fluides à seuil aérés à grande échelle / We study the formation of bubbles inside yield stress fluids (liquid when the applied stress is above the yield stress, and solid otherwise) using mill fluidic geometries (T-junctions, flow focusing devices) made of axisymmetric channels, and manufactured by stereo lithography. We show that dispersing bubbles in simple yield stress fluids (concentrated emulsions, and carbopol gels) is possible by taking advantage of the yield stress over the capillary stress, and due to the squeezing of the gas thread by the core of the yield stress fluid flow at imposed flow rate. The observed behaviour is reminiscent of the geometrical operating regime in 2D flow-focusing devices for Newtonian fluids. We investigate the different operating regimes that occur when the yield stress fluid flow rate and the gas pressure are imposed. We report that, for these inlet conditions the production is unsteady, which comes from the hydrodynamic feedback induced by the formation of each bubble on the gas flow rate. The regime eventually breaks down when all bubbles coalesce. This is due to the transfer between the liquid plugs separating each bubble and the thin film located on the channel wall. Thus, we study the deposition of yield stress fluid on the wall of capillary tubes. Indeed, this often occurs for yield stress fluids flowing in confined geometries on smooth surfaces. The results with no-slip are well described by a classical scaling law (internal stresses balanced by capillary pressure gradient). When there is wall slip, we show that there are three regimes that depend on the stress state of the system, and set the bubbles' shape observed for unsteady regimes. Finally, different regulation methods (pressure, pulsated flows) allow to obtain steady regimes. They are characterized (gas volume fraction, bubble formation time) and we show that they allow to obtain yield stress fluid foams. Thus, identifying pathways for potential steady-state controlled production of aerated yield stress fluids at large scale

A model for stress and strain accumulation in strike slip earthquake faults is presented in which a finite width cuboidal fault region is embedded between two cuboidal tectonic plates. Elasto-plastic continuum constitutive equations model the gouge in the fault and the tectonic plates are linear elastic solids obeying the generalised Hooke's law. The model predicts a velocity field which is comparable to surface deformations. The plastic behaviour of the fault material allows the velocities in the tectonic plate to increase to values which are independent of the distance from the fault. Both of the non-trivial stress and strain components accumulate most significantly in the vicinity of the fault. The release of these strains during a dynamic earthquake event would produce the most severe deformations at the fault which is consistent with observations and the notion of an epicenter. The accumulations in the model, however, are at depths larger than would be expected. Plastic strains build up most significantly at the base of the fault which is in yield for the longest length of time but additionally is subject to larger temperatures which makes the material more ductile. The speed of propagation of the elasto-plastic boundary is calculated and its acceleration towards the surface of the fault may be indicative of a dynamic earthquake type event.

This dissertation focuses on the effects of heating on superhydrophobic (SHPo) surfaces. The work is divided into two main categories: heat transfer without mass transfer and heat transfer in conjunction with mass transfer. Numerical methods are used to explore the prior while experimental methods are utilized for the latter. The numerical work explores convective heat transfer in SHPo parallel plate microchannels and is separated into two stand-alone chapters that have been published archivally. The first considers surfaces with a rib/cavity structure and the second considers surfaces patterned with a square lattice of square posts. Laminar, fully developed, steady flow with constant fluid properties is considered where the tops of the ribs and posts are maintained at a constant heat flux boundary condition and the gas/liquid interfaces are assumed to be adiabatic. For both surface configurations the overall convective heat transfer is reduced. Results are presented in the form of average Nusselt number as well as apparent temperature jump length (thermal slip length). The heat transfer reduction is magnified by increasing cavity fraction, decreasing Peclet number, and decreasing channel size relative to the micro-structure spacing. Axial fluid conduction is found to be substantial at high Peclet numbers where it is classically neglected. The parameter regimes where prior analytical works found in the literature are valid are delineated. The experimental work is divided into two stand-alone chapters with one considering channel flow and the other a pool scenario. The channel work considers high aspect ratio microchannels with one heated SHPo wall. If water saturated with dissolved air is used, the air-filled cavities of SHPo surfaces act as nucleation sites for mass transfer. As the water heats it becomes supersaturated and air can effervesce onto the SHPo surface forming bubbles that align to the underlying micro-structure if the cavities are comprised of closed cells. The large bubbles increase drag in the channel and reduce heat transfer. Once the bubbles grow large enough, they are expelled from the channel and the nucleation and growth cycle begins again. The pool work considers submerged, heated SHPo surfaces such that the nucleation behavior can be explored in the absence of forced fluid flow. The surface is maintained at a constant temperature and a range of temperatures (40 - 90 °C) are explored. Similar nucleation behavior to that of the microchannels is observed, however, the bubbles are not expelled. Natural convection coefficients are computed. The surfaces with the greatest amount of nucleation show a significant reduction in convection coefficient, relative to a smooth hydrophilic surface, due to the insulating bubble layer.

Presented master’s thesis describes the design and the implementation of an experimental device used for the study of tribological aspects of wheel-rail contact. In this work, the reader will first learn the fundamentals such as adhesion, slip, traction curve, etc. Subsequently, the work is describing devices that are used for the study of wheel-rail contact around the world. This section is followed by the author proposed solution. The result is a twin disc device in the scale of 1:3. The device allows determining traction characteristics for different environmental conditions (presence of water, sand and oil in contact for different temperatures) and various operating parameters (contact pressure and speed). A part of this work are also the validation experiments and complete design documentation.

Investigation of material behaviour in a squeeze flow geometry provides an impor- tant technique in rheology and it is relevant also from the technological point of view (some types of dampers, compression moulding). To our best knowledge, the sque- eze flow has not been solved for fluids-like materials with pressure-dependent material moduli. In the main scope of the present thesis, an incompressible fluid whose visco- sity strongly depends on the pressure is studied in both the perfect-slip and the no-slip squeeze flow. It is shown that such a material model can provide interesting departures compared to the classical model for viscous (Navier-Stokes) fluid even on the level of analytical solutions, which are obtained using some physically relevant simplificati- ons. Numerical simulation of a free boundary problem for the no-slip squeeze flow is then developed in the thesis using body-fitted curvilinear coordinates and spectral collocation method. An interesting behaviour is expected especially in the corners of the computational domain where the stress singularities are normally located. Unfor- tunately, numerical results reveal some fundamental drawbacks related to the physical model and its possible improvement is discussed at the end of the thesis.