Search

Multiphase flows and interfacial phenomena are widely involved in the natural world, our daily life, and numerous industrial processes. By employing three different techniques including a high-speed camera, an ultra-high-speed Direct Current (DC) electrical device, and a high-speed micro-Particle Image Velocimetry (micro-PIV), the multiphase flows and interfacial phenomena at multiscale were investigated experimentally by both passive and active methods. The flow behaviors of the elastic non-Newtonian two-phase flow in both T-junction and flow-focusing devices were investigated. The fluid elasticity affected the dynamics of droplet formation, stretching and breakup. During the droplet formation, the peculiar beads-on-string flow was observed. The influences of the fluid elasticity on the minimum neck width, the maximum length of the dispersed thread and the droplet size were studied. The predicting models for the droplet size were optimized by introducing the dimensionless parameters to characterize the fluid elasticity. For the stretching and breakup of elastic droplets, the influences of elasticity on the transition from droplet stretching to breakup, the dynamics of droplet stretching and breakup as well as the size ratio of the daughter droplets were also investigated. The power-law models were proposed to predict the maximum stretching length. Subsequently, the initial coalescence of a pendant drop at a liquid surface and the initial spreading on a solid surface were investigated. The ultra-high-speed DC electrical device with the sampling speed of 1.25×106 Hz allows to monitoring the dynamics of coalescence and spreading within 10 µs. The coalescing width expands linearly with time in the inertially limited viscous regime and follows a power law in the inertial regime. The evolutions of the velocity fields during the initial coalescence and spreading were measured and computed by the high-speed micro-PIV with a capturing rate up to 5000 velocity fields per second, revealing the transformation of surface energy to kinetic energy. Besides, the consecutive electrical peaks with a regular interval of 20 ms were observed during the filament thinning of the polymer liquid neck. In addition, the active manipulation of the ferrofluid drop was realized by introducing an external magnetic field. Evident deformations of both the pendant ferrofluid drop and the bulk surface were observed prior to the contact even in the absence of a magnetic field. The exponential laws were proposed to predict the increasing coalescing width with time and the decreasing maximum coalescing width with the magnetic field. A high-speed micro-PIV technique was employed with a transparent model fluid to reveal the flow fields during the ferrofluid drop coalescence. The self-sustained coalescence-breakup cycles of ferrofluid drops were observed for the first time. The exponential model was proposed to predict the increasing periodic frequency with the applied magnetic field.; Les écoulements polyphasiques couplés aux phénomènes interfaciaux sont largement impliqués dans la nature, notre vie quotidienne et de nombreux procédés industriels. A l’aide des trois techniques différentes, dont une caméra à grande vitesse, un appareil électrique à courant continu ultra-rapide et une micro-vélocimétrie par image des particules à grande vitesse, les écoulements polyphasiques et les phénomènes interfaciaux à différentes échelles ont été étudiés expérimentalement par des approches passives et actives. Les écoulements diphasiques comprenant une phase viscoélastique dans les dispositifs microfluidiques ont été étudiés. Au cours de la formation des gouttelettes, l’écoulement sous forme d’un fil de perles est observé. L’effet de l'élasticité du fluide sur la largeur minimale du col, la longueur maximale du filament et la taille des gouttelettes a été quantifié. Les corrélations prédictives de la taille des gouttelettes ont été optimisées en introduisant les nombres adimensionnels pour caractériser l'élasticité du fluide. Pour l'étirement et la rupture des gouttelettes élastiques, l’influence de l'élasticité sur la transition de l'étirement des gouttelettes à la rupture, la dynamique de l'étirement et de la rupture des gouttelettes ainsi que le rapport de taille des gouttelettes filles a également été étudiée. Une loi de puissance a été proposée pour décrire la longueur maximale d'étirement. Par la suite, la coalescence initiale d'une goutte pendante à une surface liquide de la même nature et l'étalement initial sur une surface solide ont été étudiés. L'appareil électrique ultra-rapide à courant continu avec une vitesse d'échantillonnage de 1,25 × 106 Hz permet de suivre la dynamique de coalescence et d'étalement sur une période aussi courte que 10 µs. La largeur de coalescence croit linéairement avec le temps dans le régime visqueux à inertie limitée et suit une loi de puissance dans le régime inertiel. Les évolutions des champs de vitesse ont été mesurées et calculées par le micro-PIV à grande vitesse avec une cadence jusqu'à 5000 champs de vitesse par seconde, révélant la transformation de l'énergie de surface en énergie cinématique. Par ailleurs, des pics électriques consécutifs avec un intervalle régulier de 20 ms ont été observés lors de l'amincissement et la rupture des filaments des liquides polymères. Enfin, la manipulation active de la goutte de ferrofluide a été réalisée en introduisant un champ magnétique. Des déformations évidentes de la goutte pendante de ferrofluide et de la surface initialement plate du même ferrofluide ont été observées avant le contact, même en l'absence de champ magnétique. Les lois exponentielles ont été proposées pour prédire l'augmentation de la largeur de coalescence avec le temps et la diminution de la largeur de coalescence maximale avec le champ magnétique. Le micro-PIV à grande vitesse a été utilisé avec un fluide modèle transparent pour révéler les champs d'écoulement pendant la coalescence des gouttes de ferrofluide. Les cycles de rupture et de coalescence auto-entretenus des gouttes de ferrofluide ont été observés pour la première fois. Un modèle exponentiel a été proposé pour prédire l'augmentation de la fréquence périodique avec le champ magnétique.

Multiphase flows and interfacial phenomena are widely involved in the natural world, our daily life, and numerous industrial processes. By employing three different techniques including a high-speed camera, an ultra-high-speed Direct Current (DC) electrical device, and a high-speed micro-Particle Image Velocimetry (micro-PIV), the multiphase flows and interfacial phenomena at multiscale were investigated experimentally by both passive and active methods. The flow behaviors of the elastic non-Newtonian two-phase flow in both T-junction and flow-focusing devices were investigated. The fluid elasticity affected the dynamics of droplet formation, stretching and breakup. During the droplet formation, the peculiar beads-on-string flow was observed. The influences of the fluid elasticity on the minimum neck width, the maximum length of the dispersed thread and the droplet size were studied. The predicting models for the droplet size were optimized by introducing the dimensionless parameters to characterize the fluid elasticity. For the stretching and breakup of elastic droplets, the influences of elasticity on the transition from droplet stretching to breakup, the dynamics of droplet stretching and breakup as well as the size ratio of the daughter droplets were also investigated. The power-law models were proposed to predict the maximum stretching length. Subsequently, the initial coalescence of a pendant drop at a liquid surface and the initial spreading on a solid surface were investigated. The ultra-high-speed DC electrical device with the sampling speed of 1.25×106 Hz allows to monitoring the dynamics of coalescence and spreading within 10 µs. The coalescing width expands linearly with time in the inertially limited viscous regime and follows a power law in the inertial regime. The evolutions of the velocity fields during the initial coalescence and spreading were measured and computed by the high-speed micro-PIV with a capturing rate up to 5000 velocity fields per second, revealing the transformation of surface energy to kinetic energy. Besides, the consecutive electrical peaks with a regular interval of 20 ms were observed during the filament thinning of the polymer liquid neck. In addition, the active manipulation of the ferrofluid drop was realized by introducing an external magnetic field. Evident deformations of both the pendant ferrofluid drop and the bulk surface were observed prior to the contact even in the absence of a magnetic field. The exponential laws were proposed to predict the increasing coalescing width with time and the decreasing maximum coalescing width with the magnetic field. A high-speed micro-PIV technique was employed with a transparent model fluid to reveal the flow fields during the ferrofluid drop coalescence. The self-sustained coalescence-breakup cycles of ferrofluid drops were observed for the first time. The exponential model was proposed to predict the increasing periodic frequency with the applied magnetic field., Les écoulements polyphasiques couplés aux phénomènes interfaciaux sont largement impliqués dans la nature, notre vie quotidienne et de nombreux procédés industriels. A l’aide des trois techniques différentes, dont une caméra à grande vitesse, un appareil électrique à courant continu ultra-rapide et une micro-vélocimétrie par image des particules à grande vitesse, les écoulements polyphasiques et les phénomènes interfaciaux à différentes échelles ont été étudiés expérimentalement par des approches passives et actives. Les écoulements diphasiques comprenant une phase viscoélastique dans les dispositifs microfluidiques ont été étudiés. Au cours de la formation des gouttelettes, l’écoulement sous forme d’un fil de perles est observé. L’effet de l'élasticité du fluide sur la largeur minimale du col, la longueur maximale du filament et la taille des gouttelettes a été quantifié. Les corrélations prédictives de la taille des gouttelettes ont été optimisées en introduisant les nombres adimensionnels pour caractériser l'élasticité du fluide. Pour l'étirement et la rupture des gouttelettes élastiques, l’influence de l'élasticité sur la transition de l'étirement des gouttelettes à la rupture, la dynamique de l'étirement et de la rupture des gouttelettes ainsi que le rapport de taille des gouttelettes filles a également été étudiée. Une loi de puissance a été proposée pour décrire la longueur maximale d'étirement. Par la suite, la coalescence initiale d'une goutte pendante à une surface liquide de la même nature et l'étalement initial sur une surface solide ont été étudiés. L'appareil électrique ultra-rapide à courant continu avec une vitesse d'échantillonnage de 1,25 × 106 Hz permet de suivre la dynamique de coalescence et d'étalement sur une période aussi courte que 10 µs. La largeur de coalescence croit linéairement avec le temps dans le régime visqueux à inertie limitée et suit une loi de puissance dans le régime inertiel. Les évolutions des champs de vitesse ont été mesurées et calculées par le micro-PIV à grande vitesse avec une cadence jusqu'à 5000 champs de vitesse par seconde, révélant la transformation de l'énergie de surface en énergie cinématique. Par ailleurs, des pics électriques consécutifs avec un intervalle régulier de 20 ms ont été observés lors de l'amincissement et la rupture des filaments des liquides polymères. Enfin, la manipulation active de la goutte de ferrofluide a été réalisée en introduisant un champ magnétique. Des déformations évidentes de la goutte pendante de ferrofluide et de la surface initialement plate du même ferrofluide ont été observées avant le contact, même en l'absence de champ magnétique. Les lois exponentielles ont été proposées pour prédire l'augmentation de la largeur de coalescence avec le temps et la diminution de la largeur de coalescence maximale avec le champ magnétique. Le micro-PIV à grande vitesse a été utilisé avec un fluide modèle transparent pour révéler les champs d'écoulement pendant la coalescence des gouttes de ferrofluide. Les cycles de rupture et de coalescence auto-entretenus des gouttes de ferrofluide ont été observés pour la première fois. Un modèle exponentiel a été proposé pour prédire l'augmentation de la fréquence périodique avec le champ magnétique.

Reactive Rotational molding (RRM) is a process for manufacturing hollow plastic products with no weld lines, in virtually any shape, size, color and configuration, using biaxial rotation and high temperature. Understanding and modelling of physical phenomena provide a great contribution for process control that is the purpose of a more general program.Firstly, a characterization and the kinetic modeling of the thermoset polyurethane are performed in anisothermal conditions followed by rheological measurements in order to establish rheokinetik model and the the viscoelastic behavior of the reactive system according with RRM conditions.Afterwards, to simulate the RRM, Smoothed Particles Hydrodynamics (SPH) method is applied which is suited method to simulate the fluid flow with free surface such as occurs at RRM. This solver is developed by our team. Modelling and simulating reactive system flow depend on different parameters; the physical phenomena involved are: surface tension force and non-newtonian fluid behavior.The surface tension method has been successfully applied to simulate RRM using SPH solver taking into account free surface tension force. Surface tension force is given explicitly in the current model. After detecting the boundary particles, the interface is locally fitted by using Lagrangian interpolation polynomial or fitting circle in 2D and by using fitting sphere in 3D, respectively. To study the non-newtonian fluid flow during RRM, a power law describes the evolution of the viscosity versus shear rate was adopted to describe the viscoelastic nature of the reactive fluid during its shaping.The implementation of surface tension and viscoelasticity allows us to present the wettability of internal surface of the mold and the spreading of different polymers layers.Keywords : Reactive rotational molding, thermoset polyurethane, rheokinetik, Smoothed Particle Hydrodynamics, surface tension, non-newtonian fluid, simulation., Le procédé du rotomoulage réactif est une technologie de fabrication de pièces creuses de taille et géométrie très variés. Une compréhension et une modélisation des phénomènes physiques qui interviennent dans les différentes étapes de la fabrication apportent une contribution importante à la maîtrise de ce procédé. Les travaux abordés dans cette thèse se situent dans le cadre d'un programme plus général visant le contrôle et le pilotage du rotomoulage réactif.Tout d'abord, une caractérisation et modélisation de la cinétique du polyuréthane thermodurcissable en mode dynamique est réalisé suivie par des mesures rhéologiques afin d'établir des lois rhéocinétique ainsi que des lois du comportement viscoélastiques du système réactionnel. Ces lois de comportement sont établies conformément aux conditions réelles de la mise en œuvre du matériau.Ensuite, nous simulons le procédé du rotomoulage en utilisant un code de calcul basé sur la méthode « Smoothed Particle Hydrodynamics » (SPH), développé par notre équipe, en implémentant des nouveaux paramètres physiques: le caractère non-newtonien du mélange réactionnel et les effets de tension superficielle.Le modèle de tension de surface en 2 et 3D développé dans cette thèse permet la détection explicite de l'interface séparant le fluide réactif de l'air. Puis, nous utilisons l'interpolation lagrangienne ou la régression circulaire pour construire la courbe d'interface en 2D et la surface d'interface en 3D sera reconstruite via la régression sphérique. Quant à la modélisation de l'écoulement du fluide non-newtonien, une loi de puissance décrivant l'évolution de la viscosité en fonction du taux de cisaillement a été intégrée dans le solveur pour décrire le caractère non-newtonien du mélange réactionnel durant sa mise en œuvre. Ces paramètres physiques implémentés dans le code ont été validé par une série de cas de tests en 2 et 3D.L'intégration des effets de tension de surface et la prise en compte du caractère non-newtonien du fluide réactif nous ont permis de mieux présenter la mouillabilité de la surface interne du moule et l'étalement des différentes couches du polymères.Mots clés : rotomoulage réactif, polyuréthane thermodurcissable, rhéocinétique, Smoothed Particle Hydrodynamics, tension de surface, fluide non-newtonien, simulation.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les résultats de simulation numérique directe en turbulence homogène isotrope pour un fluide Newtonien et pour un fluide visco-élastique (basé sur le modèle FENE-P), montrent que la visco-élasticité modifie qualitativement le comportement des plus petites échelles : nous observons une loi en κ-6 dans la zone dissipative du spectre d'énergie cinétique. Nous montrons que c'est une caractéristique robuste quasiment indépendante de la dynamique des grandes échelles. Nous montrons plus loin que la réduction de traînée dans un tel écoulement, mesurée par la différences de la dissipation d'énergie entre fluide Newtonien et un fluide visco-élastique, dépend fortement de la condition initiale.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; L'objectif du présent travail est de fournir des simulations numériques tridimensionnelles étudiant l'influence du comportement rhéologique (indice de comportement) ainsi que la forme et le rapport d'aspect sur le coefficient de frottement d'un fluide en écoulement autour d'un obstacle horizontal à nombre de Reynolds compris entre (1-60). Les résultats obtenus ont été validés avec les données expérimentales obtenues par Amir Nejat et al. (2011). L'investigation de l'écoulement permet de donner une évaluation numérique analysant les champs de l'écoulement et les vecteurs des vitesses pour différents indices de comportement (n=0.5-1.6). Les résultats obtenus montrent que l'indice structurel a une grande influence sur la structure de l'écoulement ainsi que sur coefficient de frottement en mécanique des fluides dans les conduites

/ Ce mémoire d'HDR présente une synthèse de mes travaux et résultats ayant trait, au sens large, à la modélisation des écoulements à surface libre de fluides complexes. Je m'intéresse essentiellement au cas de coulées gravitaires de fluides à seuil, qui peuvent représenter génériquement des laves torrentielles, des coulées de boue ou certains types d'avalanches de neige. Je discute les différentes approches permettant de modéliser la propagation de ces écoulements, et présente les études que nous avons initiées pour tester et évaluer la pertinence de ces modèles.

Cette thèse est composée de deux parties indépendantes. La première est consacrée à l’étude de quelques problèmes elliptiques de type de Kirchhoff de la forme suivante : -M 2 Δ = f où , 0 1 2, f une fonction de Carathéodory et M une fonction strictement positive et continue sur . Dans le cas où la fonction f est asymptotiquement linéaire à l’infini par rapport à l’inconnue u, on montre, en combinant une technique de troncature et la méthode variationnelle, que le problème admet au moins une solution positive quand la fonction M est non décroissante. Et si un paramètre réel et g une fonction de classe ! et changeant de signe sur ", alors sous certaines hypothèses sur M, il existe deux réels positifs $ et $tels que le problème admet des solutions positives si % % $ et n’admet pas de solutions positives si & $ Dans la deuxième partie, on étudie deux problèmes soulevés en dynamique des fluides. Le premier est une généralisation d’un modèle décrivant la propagation unidirectionnelle dispersive des ondes longues dans un milieu à deux fluides. En écrivant le problème sous la forme d’une équation de point fixe, on montre l’existence d’au moins une solution positive. On montre ensuite sa symétrie et son unicité. Le deuxième problème consiste à prouver l’existence de la vitesse, la pression et la température d’un fluide non newtonien, incompressible et non isotherme, occupant un domaine borné, en prenant en compte un terme de convection. L’originalité dans ce travail est que la viscosité du fluide ne dépend pas seulement de la vitesse mais aussi de la température et du module du tenseur des taux de déformation. En se basant sur la notion des opérateurs pseudo-monotones, le théorème de De Rham et celui de point fixe de Schauder, l’existence du triplet, (vitesse, pression, température) est démontrée.Abstract: This thesis consists of two independent parts. The first is devoted to the study of some elliptic problems of Kirchhoff-type in the following form: -M 2 Δ = f where , 0 1 2,, f a Carathéodory function and M is a strictly positive and continuous function on . In the case where the function f is asymptotically linear at infinity with respect to the unknown , we show, by combining a truncation technique and the variational method, the problem admits a positive solution when the function M is nondecreasing. And if , where p> 0, λ a real parameter and g is a function of class ! and changes the sign in ", then under some assumptions on M, there exist two positive real $ and $such that the problem admits positive solutions if % % $ and no positive solutions if & $ In the second part, we study two problems arising in fluid dynamics. The first is a generalization of a model describing the unidirectional dispersive propagation of long waves in medium with two fluids. By writing the problem as a fixed point equation, we prove the existence of at least one positive solution. We then show its symmetry and uniqueness. The second problem is to prove the existence of the velocity, pressure and temperature of a non-Newtonian fluid, incompressible and isothermal, occupying a bounded domain, taking into account a convection term. The originality in this work is that the fluid viscosity depends not only on speed but also on temperature and modulus of deformation rate tensor. Based on the notion of pseudo-monotone operators, the De Rham theorem and the Schauder fixed point, the existence of the triplet, (speed, pressure, temperature) is shown.

On présente ici l’étude de la formation et de la maturation d'un anneau tourbillonnaire en fluide rhéofluidifiant. Le dispositif expérimental consiste en un système tube cylindrique-piston dont la partie basse est immergée dans une cuve. Une méthode de vélocimétrie par images de particules (PIV) est utilisée pour analyser l’écoulement. Une première étude a permis de valider le dispositif en fluide newtonien puis d’explorer le domaine des faibles nombres de Reynolds, montrant ainsi l’existence d’un anneau tourbillonnaire pour des Reynolds aussi faibles que 10. Ce travail a été étendu aux fluides non newtoniens et on présente ici les résultats obtenus sur des fluides rhéofluidifiants ayant des indices de comportement compris entre 0.5 et 1. Les résultats obtenus sont analysés en terme de champs de vorticité et de caractéristiques de l’anneau (vitesse de propagation et diamètre) et on examine l’évolution de ces variables en fonction des caractéristiques des fluides. On s’intéresse également au régime d’enroulement/détachement de l’anneau pour les plus grands nombres de Reynolds ainsi qu’à la dynamique plus complexe qui se met en place pour les faibles nombres de Reynolds et on examine l’influence du caractère rhéofluidifiant sur cette dynamique.

The heat transfer coefficient value is necessary to calculate the heat exchange surface when designing an evaporator, as currently used to concentrate liquids in food industry. The boiling heat transfer coefficient on the liquid side (h) is the most uncertain and: it depends on the liquid thermo-physical properties (ηL, σL, λL, ρL , CpL,...) as well as on the process conditions (type of evaporator, φ or Δθ, Γ (δ), P, surface roughness, fouling, etc). Also, h depends on the boiling regime (non- nucleate or nucleate) and on the flow regime (laminar or turbulent) according to the film Reynolds number in falling film evaporators. The objective of our work is to define an economical and robust method to estimate h in a falling film evaporator, which is common in food industry for concentrating fruit juice, milk and sugar solutions. The first section of our study was a bibliographic analysis which revealed the important dispersion among the h values calculated from the formulas cited in literature. The second section was to design and construct a laboratory scale falling film evaporator (pilot) used to estimate h at stationary parameters conditions. The third section was to describe the results and variation laws of h versus the liquid dry matter concentration XMS, the boiling temperature θL, the heat flux φ or temperature gap Δθ and mass flow rate per unit of perimeter length Γ (with describing the critical mass flow for some solutions) noted that the nature of heating surface is kept constant during our work. We described the effect of each variable separately on h, where the other variables being kept constant. Also we studied the transition from non nucleate regime to nucleate regime, which varied with the nature of liquid and the liquid concentration. Finally, we presented the experimental models for h = f (XMS, θL, φ, Γ) for a Newtonian liquid (sugar solution) and non-Newtonian solution (CMC) that may be used for industrial evaporator design after their validation. We have also proposed a method for the simplification of the experimental design.; Le coefficient de transfert de chaleur est nécessaire pour concevoir et dimensionner un évaporateur utilisé pour concentrer un liquide, tel que rencontré couramment dans les industries alimentaires. Le coefficient de transfert de chaleur le plus variable et le plus incertain est du coté produit, entre paroi et liquide, noté « h ». Il varie à la fois avec les propriétés thermo-physiques du liquide traité (ηL, σL, λL, ρL , CpL, ω, ...) et avec les paramètres du procédé (type d'évaporateur, φ ou Δθ, Γ (δ), P, rugosité de la surface, encrassement, etc), ces grandeurs étant définies dans le texte. Mais h est aussi lié au régime d'ébullition (nucléée ou non nucléée), et pour les évaporateurs de type « flot tombant », au régime d'écoulement laminaire ou turbulent, selon le nombre de Reynolds en film Ref. Nous avons étudié le cas des évaporateurs « à flot tombant », très utilisés dans les industries alimentaires pour concentrer le lait et les produits laitiers, les jus sucrés, les jus de fruits et légumes. L'objectif de notre travail était de définir une méthode fiable et économique pour évaluer a priori le coefficient de transfert de chaleur h coté liquide en ébullition, dans un évaporateur flot tombant. La première partie de la thèse a été consacrée à l'analyse bibliographique, qui a révélé une grande incertitude actuelle dans la prévision de h, sur la base des formules de la littérature, et des paramètres descripteurs proposés. La deuxième partie de la thèse a été de concevoir et construire un pilote utilisable pour estimer h, dans des conditions stationnaires connues et reproductibles. Dans la troisième partie, on présente les résultats et commente les lois de variations de h en fonction de la concentration de matière sèche du liquide XMS, de la température d'ébullition de liquide θL (ou P), du flux de chaleur φ ou (Δθ), et du débit massique de liquide par unité de périmètre de tube Γ, pour des propriétés de surface de chauffe fixées (ici, paroi en acier inoxydable poli Rs ≈ 0,8 μm). On commente l'effet sur h de chaque variable isolément, les autres étant maintenues constantes, ce qui confirme l'importance de la transition du régime non-nucléé au régime nucléé, cette transition variant avec la nature du liquide, sa concentration, et le flux de chaleur. On a montré la possibilité de modéliser un produit donné dans l'ensemble du domaine expérimental, où tous les paramètres peuvent varier simultanément, avec peu de coefficients, selon deux types d'équations (polynomiale et puissance). On a comparé le cas d'un liquide Newtonien (jus sucré) et non-Newtonien (solution de CMC dans l'eau). On a aussi observé le débit de mouillage critique Γcri et ses lois de variation. On a aussi démontré la possibilité de simplifier le plan d'expérience, aussi bien pour les liquides Newtoniens que non-Newtoniens, tout en gardant un coefficient de corrélation satisfaisant dans le domaine Γ > Γcri, cette modélisation pouvant servir de base de données produit pour l'ingénierie.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Pour contribuer à la compréhension des interactions hydrodynamiques, à faible nombre de Reynolds, exercées sur une particule par les parois d'un tube où elle est axialement positionnée, les équations du mouvement sont exprimées en formulation fonction de courant et de la vorticité pour être réécrites en coordonnées curvilignes orthogonales. Ces équations sont résolues par la méthode des différences finies. La génération du maillage est effectuée en utilisant la méthode des singularités. La précision des résultats a permis d'évaluer les facteurs de correction de la force totale et de ses composantes de pression et de viscosité. L'analyse des résultats montre, contrairement à ce que l'on obtient en régime dilué, une prédominance des forces de pression sur celles de viscosité évoluant dans un rapport qui ne dépend pas de n en régime de lubrification. Quant au rapport des vitesses de sédimentation en milieu confiné et illimité, celui-ci s'avère ne dépendre que du confinement.

Not available, L’objectif ultime de ces travaux de recherche est le dimensionnement d'un échangeur électrique (tube à passage de courant), dans lequel la chaleur est générée au sein même du tube traversé par un courant électrique. Ces réchauffeurs sont constitués d'un nombre donne de tubes rectilignes reliés entre eux par des coudes non chauffés. Cette technologie est particulièrement adaptée au traitement thermique des liquides agroalimentaires, qui sont en général non newtoniens, et éventuellement fortement dépendants de la température. Les fluides de travail sont de deux types (rhéofluidifiant et viscoplastique), leur loi de comportement modélisant une classe importante de liquides agroalimentaires. L'étude numérique et expérimentale de l'écoulement de tels fluides en conduite annulaire nous conduit à : - proposer des corrélations décrivant les échanges thermiques et les pertes de charge pour le régime de convection forcée, adaptées au type de liquide, aux conditions aux limites imposées, au régime et à la géométrie de l'écoulement - quantifier les effets de la convection naturelle sur le coefficient d'échange dans le cas de la convection mixte. Parallèlement, une étude expérimentale relative à l'écoulement de fluides non newtoniens en conduite courbe nous permet de caractériser l'influence de cette zone de raccordement sur la structure des champs dynamique et thermique.

Not available, L’écoulement des fluides thixotropes en conduite est très mal connu. Pourtant le nombre de ces fluides est très important ; en particulier dans l'industrie agro-alimentaire. Le but de cette étude de thèse était donc de mettre en place une installation expérimentale permettant l'étude de l'écoulement d'un fluide modèle thixotrope, de caractériser rhéologiquement notre fluide modelé et de donner des éléments de mécanique de ces fluides. Le fluide modèle que nous utilisons est à base d'argile et d'un polymère de cellulose. En ce qui concerne l'installation expérimentale, celle-ci permet de créer un écoulement de fluide à débit contrôlé ; le fluide laisse au repos est en mis en écoulement par déplacement d'un piston, comme pour une seringue. rhéologiquement, nous avons modélisé notre fluide modèle à partir d'une relation contrainte-structure et d'une cinétique d'évolution de la structure. Grâce à ce modèle, nous avons simulé très correctement les cycles d'hystérésis obtenus à vitesse de cisaillement imposée. L’étude de l'évolution des chutes de pression et des profils de vitesse, obtenus par vélocimétrie ultrasonore à effet doppler pulsé, dans le temps mais aussi dans l'espace nous a permis de donner des éléments de mécanique des fluides thixotropes et de mettre en évidence, par exemple, une très nette restructuration du fluide sous écoulement

Not available, Dans les procédés gaz-liquide, l'efficacité des transferts de matière et de chaleur est essentiellement contrôlée par la dynamique des bulles dans la phase liquide. L’étude du comportement des bulles de gaz dans un milieu liquide est donc d'un intérêt certain, tant sur le plan fondamental que sur le plan industriel, surtout lorsque le milieu liquide est non-newtonien. Notre étude a révélé que les propriétés rhéologiques de la phase liquide et la fréquence d'injection du gaz dans la colonne ont une influence importante sur la vitesse d'ascension des bulles. Dans les milieux viscoélastiques, des bulles de volume identique coalescent en ligne à partir d'une certaine hauteur de la colonne. Comme le confirme la simulation rhéologique, la coalescence en ligne des bulles est induite par la présence de contraintes résiduelles dans le fluide. L’utilisation des techniques spécifiques à l'analyse des systèmes dynamiques dissipatifs a montré que la coalescence en ligne est de nature chaotique déterministe. Enfin, un modèle de formation de bulle a été élaboré dans le but de prédire le volume et la forme des bulles au moment du détachement pour diverses conditions expérimentales

Not available, Dans les procédés gaz-liquide, l'efficacité des transferts de matière et de chaleur est essentiellement contrôlée par la dynamique des bulles dans la phase liquide. L’étude du comportement des bulles de gaz dans un milieu liquide est donc d'un intérêt certain, tant sur le plan fondamental que sur le plan industriel, surtout lorsque le milieu liquide est non-newtonien. Notre étude a révélé que les propriétés rhéologiques de la phase liquide et la fréquence d'injection du gaz dans la colonne ont une influence importante sur la vitesse d'ascension des bulles. Dans les milieux viscoélastiques, des bulles de volume identique coalescent en ligne à partir d'une certaine hauteur de la colonne. Comme le confirme la simulation rhéologique, la coalescence en ligne des bulles est induite par la présence de contraintes résiduelles dans le fluide. L’utilisation des techniques spécifiques à l'analyse des systèmes dynamiques dissipatifs a montré que la coalescence en ligne est de nature chaotique déterministe. Enfin, un modèle de formation de bulle a été élaboré dans le but de prédire le volume et la forme des bulles au moment du détachement pour diverses conditions expérimentales

Not available, Nous avons étudié le comportement hydrodynamique et thermique d'un canal d'échangeur de chaleur à plaques (ECP) traitant des fluides newtoniens et non newtoniens. Puis dans le cadre du programme européen joule II, nous avons étudié l'encrassement protéique d'échangeurs équipés de plaques à cannelures droites et à chevrons. Les essais expérimentaux ont été réalisés sur des échangeurs de taille pilote. Les caractéristiques rhéologiques des fluides testes furent établies au laboratoire (courbes d'écoulement). La dénaturation thermique de la -lactoglobuline a été mesurée à l'aide d'une méthode d'immunodiffusion. Les résultats de la caractérisation de la partie régulière d'un canal d'ECP sont présentés sous la forme de corrélations entre nombres adimensionnels: facteur de frottement, nombre de Reynolds, nombre de Nusselt et nombre de Prandtl. La viscosité newtonienne ou apparente des fluides fut calculée à la température de film. Dans le cas des fluides pseudoplastiques, nous avons proposé une définition originale du nombre de Reynolds généralisé prenant en compte la complexité de la géométrie d'un canal d'ECP. Concernant l'encrassement, nous avons mis en évidence le lien entre la formation des dépôts sur les surfaces d'échange et la structure fine de l'écoulement. Puis, à partir de calculs et de mesures de la dénaturation de la -lactoglobuline, nous avons proposé un modèle permettant de prédire les masses de dépôt dans les canaux d'ECP après un certain temps de fonctionnement. Enfin, nous avons modélisé la chute des performances thermiques de nos échangeurs

Not available, Le présent travail se propose d'étudier expérimentalement et numériquement les lois de l'écoulement et du transfert de chaleur pour des fluides non-newtoniens thermo-dépendants en écoulement laminaire dans une conduite cylindrique, refroidie à densité de flux de chaleur et à températures de paroi variables. Nous nous intéressons aux fluides pseudoplastiques dont le comportement peut être modifié par la loi de puissance d'Ostwald. On étudie l'incidence d'un champ thermique impose sur la distribution de vitesse et sur les lois de transfert de chaleur qui en résultent. Nous proposons une corrélation qui tient compte de la thermo-dépendance. En outre, nous proposons un modèle de calcul de l'épaisseur de la couche de glace pour les régions ou se produit la congélation

Mathematical and numerical aspects of viscoelastic flows are investigated here. Two simplified mathematical models are considered. They are motivated by a splitting algorithm for solving viscoelastic flows with free surfaces. The first model is a simplified Oldroyd-B model. Existence on a fixed time interval is proved in several Banach spaces provided the data are small enough. Short time existence is also proved for arbitrarily large data in Hölder spaces for the time variable. These results are based on the maximal regularity property of the Stokes operator and on the analycity behavior of the corresponding semi-group. A finite element discretization in space is then proposed. Existence of the numerical solution is proved for small data, as well as a priori error estimates, using an implicit function theorem framework. Then, the extension of these results to a stochastic simplified Hookean dumbbells model is discussed. Because of the presence of the Brownian motion, existence in a fixed time interval, provided the data are small enough, is proved only in some of the Banach spaces considered previously. The dumbbells' elongation is split in two parts, one satisfying a standart stochastic differential equation, the other satisfying a partial differential equation with a stochastic source term. A finite element discretization in space is also proposed. Existence of the numerical solution is proved for small data, as well as a priori error estimates. A numerical algorithm for solving viscoelastic flows with free surfaces is also described. This algorithm is based on a splitting method in time and two different meshes are used for the space discretization. Convergence of the numerical model is checked for the pure extensional flow and the filling of a pipe. Then, numerical results are reported for the stretching of a filament and for jet buckling.

We address the free boundary problem that consists in finding the shape of a three dimensional glacier over a given period and under given climatic conditions. Glacier surface moves by sliding, internal shear and external exchange of mass. Ice is modelled as a non Newtonian fluid. Given the shape of the glacier, the velocity of ice is obtained by solving a stationary non-linear Stokes problem with a sliding law along the bedrock-ice interface. The shape of the glacier is updated by computing a Volume Of Fluid (VOF) function, which satisfies a transport equation. Climatic effects (accumulation and ablation of ice) are taken into account in the source term of this equation. A decoupling algorithm with a two-grid method allows the velocity of ice and the VOF to be computed using different numerical techniques, such that a Finite Element Method (FEM) and a characteristics method. On a theoretical level, we prove the well-posedness of the non-linear Stokes problem. A priori estimates for the convergence of the FEM are established by using a quasi-norm technique. Eventually, convergence of the linearisation schemes, such that a fixed point method and a Newton method, is proved. Several applications demonstrate the potential of the numerical method to simulate the motion of a glacier during a long period. The first one consists in the simulation of Rhone et Aletsch glacier from 1880 to 2100 by using climatic data provided by glaciologists. The glacier reconstructions over the last 120 years are validated against measurements. Afterwards, several different climatic scenarios are investigated in order to predict the shape the glaciers until 2100. A dramatic retreat during the 21st century is anticipated for both glaciers. The second application is an inverse problem. It aims to find a climate parametrization allowing a glacier to fit some of its moraines. Two other aspects of glaciology are also addressed in this thesis. The first one consists in modeling and in simulating ice collapse during the calving process. The previous ice flow model is supplemented by a Damage variable which describes the presence of micro crack in ice. An additional numerical scheme allows the Damage field to be solved and a two dimensional simulation of calving to be performed. The second problem aims to prove the existence of stationary ice sheet when considering shallow ice model and a simplified geometry. Numerical investigation confirms the theoretical result and shows physical properties of the solution.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; La modélisation d'une suspension implique la prise en compte des interactions entre particules. Déjà complexe en fluide newtonien, cette problématique l'est davantage lorsque le fluide est non newtonien. Les interactions entre deux sphères de même diamètre sédimentant en ligne dans un fluide non newtonien sont ici étudiées expérimentalement et numériquement. On attend que le sillage négatif à l'arrière de la sphère de tête inhibe le rapprochement entre les sphères. On observe au contraire que la sphère de queue rattrape la sphère de tête. Une mesure par PIV du champ de vitesse autour des sphères met en évidence que lors du rapprochement, le sillage négatif de la sphère de tête existe, puis disparaît à mesure que la distance entre les sphères diminue. Afin d'expliquer ce phénomène, des simulations numériques ont été réalisées au moyen d'un modèle lattice Boltzmann (LB), couplé à une équation rhéologique. Le mouvement des sphères est déduit d'un bilan de forces, la traînée étant déduite du modèle LB. Un bon accord avec l'expérience a été constaté. L'accélération de la sphère de queue est donc due à une compétition entre les effets rhéofluidifiants et le sillage négatif.