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L'ingénierie tissulaire comme domaine multidisciplinaire combine les principes et les méthodes de l'ingénierie et des sciences de la vie pour résoudre les problèmes biomédicaux dans des applications cliniques. Toutefois, le défi majeur consiste à trouver une manière de faire passer le produit d'une échelle de recherche à une plus grande échelle de production, en permettant que les tissus fonctionnels construits soient reproductibles, sécuritaires et économiquement compétitifs. Pour résoudre ces problèmes, les bioréacteurs ont été mentionnés comme essentiels afin d'améliorer l'ingénierie des tissus vivants in vitro. Pour ces raisons, l'objectif général de cette thèse est le développement d'un bioréacteur avancé et des méthodes numériques et de visualisation étant deux précieux outils pour mieux concevoir ce bioréacteur et ainsi comprendre les mécanismes. Ces mécanismes incluent les processus ainsi physiques, chimiques et biologiques dans un environnement trois dimensions (3-D), conduisant à faciliter la production, à grande échelle, de tissus fonctionnels in vitro. Pour atteindre ces objectifs, la présente thèse comprend une étude expérimentale et une étude de modélisation numérique, qui se déroulent en quatre étapes distinctes : 1) La conception et la construction d'un bioréacteur, ainsi que l'évaluation et le contrôle de son hydrodynamique. 2) la visualisation de la perfusion de l'écoulement du fluide dans le bioréacteur à membrane à fibres creuses (HFMB) en utilisant la technique d'imagerie biomédicale noninvasive (i.e. la tomographie par émission de positrons (TEP)). 3) le développement d'un modèle mathématique pour l'analyse du bioréacteur à membrane à fibres creuses hybride (hHFMB) et 4) le développement d'un modèle dynamique et TWO-POROUS-MEDIA pour analyser le HFMB à l'aide de la dynamique des fluides computationnels (CFD), spécifiquement pour les applications en ingénierie des tissus osseux. La partie expérimentale comprend l'étape 1 et 2. Dans l'étape 1, le, This present thesis comprise two major parts both experimental and numerical study which have been conducted in four distinct steps as following: (1) Design, construction, and evaluation of control and hydrodynamic of a bioreactor system. (2) Visualization of fluid flow perfusion in the hollow fibre membrane bioreactor (HFMB) using a biomedical noninvasive imaging technique, i.e. positron emission tomography (PET). (3) Development of a mathematical model for analyzing a hybrid hollow fibre membrane bioreactor (hHFMB) and (4) Development of a dynamic and two-porous media model for analyzing the HFMB with the aid of computational fluid dynamics (CFD), specifically for bone tissue engineering application. The experimental part includes the steps 1 and 2. In the step 1, the flow perfusion bioreactor system has been designed and constructed. The experimental evaluations of hydrodynamic, and control were performed. In this system, mean pressure, mean flow rate, frequency and waveform of the pulsatile pressure and flow rate can be modulated and controlled over the time to simulate both physiological and non-physiological conditions. The temperature, dissolved oxygen, and pH can be controlled.This bioreactor system can be applied to a variety of scaffold configurations, geometries, and sizes as the cell/tissue culture chamber is adjustable in length.This system is autoclavable, and compatible with noninvasive medical imaging techniques. Designing of the inlet and outlet manifold of the bioreactor were performed according to data obtained from CFD simulation of the flow distribution to achieve high efficiencies in the uniformity of flow perfusion. In the second step, PET was proposed for the very first time and a small animal PET system was used to obtain new information about steady and pulsatile flow patterns in the HFMB for tissue engineering applications. The non-homogeneous tracer distribution, as found with PET imaging, implies the occurrence of non-efficien

Le transfert thermique en convection mixte (convection forcée et libre) pour l'air ascendant dans un tube vertical à bas nombre de Reynolds a été étudié numériquement et expérimentalement. La recherche a été concentrée sur l'étude de l'évolution axiale et radiale des paramètres hydrodynamiques et thermiques de l'écoulement à Re<2000 ; particulièrement, l'étude des phénomènes de transitions du champ d'écoulement à bas nombre de Reynolds. Par conséquent, on a proposé une formulation spéciale permettent de prévoir le régime laminaire aussi bien que le turbulent. La forme elliptique des équations gouvernantes a été également employée pour déterminer les paramètres de développement de l'écoulement. La capacité de la formulation et du procédé numérique de prévoir les caractéristiques de champ d'écoulement a été démontrée en comparant avec les résultats de mesure. Les résultats du calcul ont été comparés aux valeurs expérimentales trouvées dans le littérature pour un bas nombre de Reynolds (Re=380) et pour un nombre de Reynolds élève (Re=5000). Cependant, pour les nombres de Reynolds intermédiaires nous avons comparés nos résultats numériques avec nos valeurs mesurées. Les calculs ont déterminé deux nombres de Grashof critique pour lesquels des transitions se produisent (les transitions n'ont pas effectues pour Re=430). Pour le premier point (à Gr9xl06 pour Re=lOOO et à Gr2xl06 pour Re=l500), le régime d'écoulement change de laminaire en turbulent. Pour deuxième point critique (à Gr5x107 pour Re=lOOO et à Gr9xl07 pour Re=1500), le régime d'écoulement revient laminaire en raison de l'effet de laminarisation de la chaleur. Deux types d'inversion d'écoulement ont été prévus et discutés. Le premier s'est produit autour de la région de ligne centrale et le second autour de l'axe du tube et prés de parois. Malgré la solution analytique donnée par Hallman (1956) qui confirme le second cas, dans la littérature personne n'a prédit numériquement les résultats avant nos travaux. Un a, Combined forced and free convection (mixed convection) heat transfer for upward airflow through a vertical tube at relatively low Reynolds numbers was studied numerically and experimentally. The research focused on the axial and radial evolutions of hydrodynamic and thermal parameters of the flow field at Re < 2000, particularly on flow field transitions at such low Reynolds numbers. Therefore, a formulation based on Launder and Sharma Low Re [kappa]-[epsilon] turbulent model was proposed. Its main advantage is that it can predict laminar as well as turbulent flow fields. The elliptical form of the governing equations was also used in order to predict developing flow field parameters. The ability of the formulation and numerical procedure to predict the flow field characteristics was shown by comparison with experimental results. The calculated results were compared with experimental measurements that were found in the literature for very low Reynolds number (Re = 380) and high Reynolds number (Re = 5000). They were also compared with our experimental results at relatively low Reynolds number (Re = 1588). The calculated results for Re = 430, 1000 and 1500 established two critical Grashof numbers for which transitions occur (these transitions did not appear for Re = 430). At the first one (Gr [approximate] 9 × 10[superscript 6] for Re = 1000 and Gr [approximate] 2 × 10[superscript 6] for Re = 1500), the flow regime changes from laminar to turbulent. At the second critical point (Gr [approximate] 5 × 10[superscript]7 for Re = 1000 and Gr [approximate] 9 × 10[superscript 7] for Re = 1500), the flow regime comes back to laminar because of the accelerating effect of heating. Two flow reversal patterns were predicted and discussed. The first one includes the centerline while the second one occurs between the tube axis and the wall. In spite of the analytical solution by Hallman (1956), which confirms the existence of the second one, it had not been predicted num