Dans ce travail de thèse différents outils théoriques, numériques et expérimentaux, ont été développés afin d´étudier les conditions de stabilité d'un procédé de fibrage du verre-E. Un interféromètre phase Doppler et un diffractomètre haute résolution ont été mis au point pour mesurer, en temps réel, l'évolution du diamètre d'une fibre (D = 5−42µm) en sortie de filière (vitesses : Vf = 5 − 65ms-1). L'interféromètre permet également de mesurer la tension de fibrage. Les résolutions obtenues avec ces systèmes (respectivement de 0.35µm et 0.02µm) l'ont été grâce au développement d'un modèle rigoureux de diffusion de la lumière par une cylindre multicouche et en prenant en compte des effets optiques propres à ce procédé : biréfringence uni-axe induite par la tension de fibrage, dépendance de l'indice de réfraction avec les conditions de refroidissement, fibres creuses... Le procédé de fibrage a été modélisé par l'étirage d'un jet visqueux à haute température, 1D et axisymétrique. Ce modèle hydrodynamique, physique, permet notamment de prédire l'évolution du profil axiale de température du jet, son profil de contraction... pour des régimes stationnaires et non stationnaires. Les travaux expérimentaux réalisés sur une filière mono téton ont montré que la stabilité du procédé est maximale pour des températures de fibrage de T0 = 1145− 1175°C et des fibres dont le diamètre est inférieur à D ≈ 15µm. Cependant, même dans ces conditions, le diamètre de la fibre produite fluctue périodiquement avec une amplitude moyenne de l'ordre de σD/D ≈ 1.8%. La fréquence de ces oscillations croît avec la température de fibrage : νosc = 0.5 → 0.9Hz pour T0 = 1145 → 1250˚C. Le taux moyen des fluctuations du diamètre est de l'ordre de dσD/dt ≈ 1.9µms-1 et dσD/dL ≈ 0.07µm-1 (pour Vf = 20m/s).

Ce travail de thèse de doctorat étudie la diffusion de la lumière par des nuages de bulles au voisinage de l'angle de diffusion critique. Les bulles sont définies comme des particules dont l'indice de réfraction relatif est inférieur à l'unité. Dans l'hypothèse d'un régime de diffusion simple, le diagramme de diffusion critique produit par un ensemble de bulles peut être modélisé à l'aide de la théorie de Lorenz-Mie et d'une intégrale de Fredholm du premier type. Fondamentalement, ces diagrammes sont composés d'arcs (ou franges circulaires) qui présentent de grandes similarités avec ceux observés dans la zone de diffraction vers l'avant ou la région de l'angle d'arc-en-ciel. Il existe un lien clair entre l'étalement angulaire, la visibilité et la position globale de ces arcs avec le diamètre moyen, la dispersion et l'indice de réfraction (c.-à-d. composition) des bulles diffusantes. Différents effets particuliers ont été étudiés, comme ceux liés au profil d'intensité gaussien du faisceau laser incident, les effets de filtrage spatial de l'optique de Fourier, la non sphéricité des bulles, la possibilité de produire l'équivalent d'un arc-en-ciel sous-marin. Des simulations numériques, ainsi que la mise au point de différentes méthodes d'inversion et expériences ont permis de démontrer la validité et la fiabilité de ce que nous avons appelé la « Critical-Angle Refractometry and Sizing (CARS) technique ». Au delà des aspects fondamentaux, cette nouvelle méthode optique de caractérisation de particules s'avère prometteuse pour l'étude des écoulements à bulles et plus particulièrement quand la composition des bulles est recherchée.

Le diagnostic par une méthode optique telle que l'anémométrie phase Doppler, des particules présentes dans les milieux diphasiques, nécessite l'emploi de faisceaux laser focalisés. La compréhension et l'élimination des effets engendrés sur les mesures de taille, par les gradients d'éclairage ou les « effets de trajectoire », est au centre de la première partie de cette thèse. Différentes solutions, testées numériquement et expérimentalement, sont proposées pour éliminer les biais constatés. L'extension de l'anémométrie phase Doppler à la mesure de la partie réelle et complexe (absorption) de l'indice de réfraction des particules est ensuite considérée. Les méthodes originales proposées autorisent, en plus des mesures de taille et de vitesse, la reconnaissance des particules par leur indice, l'étude de la coalescence de gouttes (liquides transparents ou absorbants) ou la détection des fortes variations de température de particules. La dernière partie de ce travail propose diverses solutions pour étendre l'anémomètrie phase Doppler à la mesure de particules cylindriques (fibres, jets liquides), ovoïdes (oblates/problates), sphériques non­homogènes (multicouches, à coeur, hétérogènes: diphasiques ou non) et irrégulières. Le cas des particules multicouches est particulièrement détaillé, à partir de simulations basées sur le travail théorique effectué pour étendre la théorie de Lorenz-­Mie généralisée à ce type de particules.

Ce manuscrit d'habitation à diriger des recherches porte sur la caractérisation optique des écoulements multiphasiques. Il rassemble trois types de contributions. La première, traite de la modélisation des propriétés de diffusion de la lumière des particules rencontrées dans ces milieux : gouttes, bulles et fibres homogènes ; particules sphériques, fibres et jets à gradient radial d'indice, à coeur ; particules ellipsoïdales, hétérogènes ou irrégulières. Ces développements théoriques et numériques sont basés sur la théorie de Lorenz- Mie ou des modèles asymptotiques : modèle statistique, optique physique et géométrique. La deuxième partie de ce manuscrit, introduit le principe de techniques optiques originales pour la caractérisation simultanée de la vitesse, de la taille et du matériau de particules en écoulement : technique Dual Burst, Dual Mode, Interférométrie phase Doppler à 3 faisceaux cohérents, diffractométrie haute résolution, diffusion critique et arc-en-ciel. La troisième partie présente différents travaux réalisés dans le cadre de collaborations universitaires ou industrielles, sur des sujets aussi variés que la caractérisation des propriétés optiques de globules rouges, la caractérisation de système en combustion, les instabilités de jets capillaires homogènes ou à coeur ; le fibrage du verre à haute température ; les fibres optiques ; l'étude expérimentale d'instabilités thermo-solutales et de l'hydrodynamique d'écoulements gaz-solides en lit fluidisé circulant. Ce manuscrit comprend également un résumé de mes activités d'enseignement, de valorisation et de management de la recherche, ainsi que les reproductions de dix articles.

Dans ce mémoire, je propose une nouvelle technique optique de mesure de positions relatives 3D, tailles et indices de réfraction d'un ensemble de particules, éclairées par un faisceau laser plan pulsé : l'imagerie interférométrique de Fourier (FII). Dans le cadre de ce travail, les particules sont sphériques, homogènes transparentes et isotropes. Lorsque ces particules sont éclairées, elles se comportent comme des sources d'ondes lumineuses sphériques qui interférent entre elles. L'enregistrement des franges d'interférences et leur analyse par transformation de Fourier peut permettre d'accéder aux caractéristiques des particules. Dans ce mémoire, je décris l'influence des caractéristiques de particules sur les représentations spectrales des franges d'interférences crées par les couples de particules éclairées dans l'espace de Fourier 2D. Les franges d'interférences sont simulées numériquement en utilisant la théorie de Lorenz-Mie. Puis j'aborde le problème inverse en montrant comment il est possible de retrouver les caractéristiques des particules, en me servant de l'optique géométrique et du filtrage spatial par transformation de Fourier.

Dans ce mémoire, je propose une nouvelle technique optique de mesure de positions relatives 3D, tailles et indices de réfraction d’un ensemble de particules, éclairées par un faisceau laser plan pulsé : l’imagerie interférométrique de Fourier (FII). Dans le cadre de ce travail, les particules sont sphériques, homogènes transparentes et isotropes. Lorsque ces particules sont éclairées, elles se comportent comme des sources d’ondes lumineuses sphériques qui interférent entre elles. L’enregistrement des franges d’interférences et leur analyse par transformation de Fourier peut permettre d’accéder aux caractéristiques des particules. Dans ce mémoire, je décris l’influence des caractéristiques de particules sur les représentations spectrales des franges d’interférences crées par les couples de particules éclairées dans l’espace de Fourier 2D. Les franges d’interférences sont simulées numériquement en utilisant la théorie de Lorenz-Mie. Puis j’aborde le problème inverse en montrant comment il est possible de retrouver les caractéristiques des particules, en me servant de l’optique géométrique et du filtrage spatial par transformation de Fourier. / In this thesis, I propose a new optical technique for measuring 3D relative positions, sizes and refractive indices of a set of particles, which are illuminated by a plane and pulsed laser beam. In this work, the particles are spherical, transparent, homogeneous and isotropic. When these particles are illuminated, they have the behavior of sources of spherical light waves which interfere. The recording of interference fringes and analysisby Fourier transform can measure the characteristics of the particles. I describe the influence of particle characteristics on spectral representations of the interference fringes created by the pairs of particles illuminated in 2D Fourier space. The interference fringes are simulated numerically using the Lorenz-Mietheory. The inverse problem is approached by showing how it is possible to measure the characteristics of particles with geometrical optics and spatial filtering by Fourier transformation.