Dissertations / Theses on the topic 'Cellular convection'

Le séchage des dispersions colloïdales a été et demeure très étudié en raison de son extrême complexité et de son utilisation dans de nombreuses applications. Dans cette thèse, nous avons développé une simulation, d'abord unidirectionnelle, basée sur le principe des automates cellulaires, qui traite la problématique du séchage horizontal et vertical. Ce travail permet de prédire, par calcul numérique, la distribution des particules et la position des fronts de séchage dans les dépôts de dispersions sous forme de films minces. Nos résultats ont montré que la pression existant dans le fluide est la somme des pressions de Laplace et hydrostatique. Par rapport aux modèles existants, cela modifie la convection des particules dans la partie fluide de la dispersion. La diffusion collective des particules chargées a été étudiée également. Contrairement aux prédictions théoriques antérieures, nous avons pu montrer que la diffusion collective des particules chargées pouvait jouer un rôle majeur, y compris dans le cadre de l’approximation de lubrification. Finalement, la simulation 1D a été étendue en 2D, ce qui a permis de comprendre la raison pour laquelle deux fronts dans deux directions perpendiculaire (cas d’une géométrie rectangulaire) avancent à des vitesses différentes. Une comparaison entre les données expérimentales et le calcul numérique sur le profil du film et la vitesse des fronts de séchage pour une dispersion de silice montre un bon accord
Drying of colloidal dispersions, given their uses in several fields in everyday life, has been the subject of many studies for a long time. In this thesis, we first developed an unidirectional simulation, based on the principle of the cellular automaton, which deals with the problem of horizontal and vertical drying. This work makes it possible to predict, by numerical calculation, the distribution of the particles and the position of drying fronts in deposits in form of thin films.The profile of the film in the liquid part was studied. Our results have shown that the pressure in the fluid is the sum of the Laplace and hydrostatic pressures. This result affects the dynamics of particles in the fluid part of the dispersion, in particular convection. The collective diffusion of charged particles has also been studied. Contrary to what was predicted in previous theoretical models, we were able to show that the collective diffusion of the charged particles could be important even within the lubrication approximation. Finally, the 1D simulation was extended to 2D in order to understand the reason why two fronts in perpendicular directions (case of a rectangular geometry) advance at different speeds. A comparison between the experimental data for the drying of a silica dispersion and the numerical calculation shows good agreement

La partie inférieure de la bande de les ondes millimétriques (OMM, c'est-à-dire 20–100 GHz) constitue une alternative attrayante pour le traitement thermique non invasif du mélanome. Le chauffage pulsé induit électromagnétiquement peut entraîner des dommages plus importants dans les cellules par rapport au chauffage continu traditionnel. Dans ce travail, nous étudions les modifications induites au niveau cellulaire dans les cellules de mélanome à la suite d'une exposition au chauffage induit par en onde continue (CW) et ou en régime modulé (PWM) avec avec la même élévation de température moyenne, à 58.4 GHz. Premièrement, l’impact de la convection thermique sur la dynamique de la température dans des modèles représentant des conditions d’exposition in vitro typiques lors du chauffage par CW et PWM est étudié expérimentalement. Deuxièmement, la réponse au choc thermique, médiée par la phosphorylation d'une protéine de choc thermique (HSP27) et l'activation de Caspase-3, indicateur de l'apoptose cellulaire, est quantifiée pour surveiller la réponse biologique en utilisant une approche expérimentale basée sur la microscopie à fluorescence. Deux durées d'impulsion (1.5 s et 6 s) sont considérées. Nos résultats démontrent que les impulsions thermiques sont capables d'induire une réponse cellulaire plus forte dans les cellules de mélanome à la fois en termes de choc thermique et de mortalité cellulaire par rapport à celle induite en CW. Plus la durée de l'impulsion est courte, plus la réponse cellulaire est grande
The lower part of the millimeter wave (MMW) band (i.e., 20–100 GHz) is an attractive alternative for non-invasive thermal treatment of melanoma. Besides, pulsed electromagneticallyinduced heating can lead to stronger damage in cells compared to traditional continuous heating. In in-vitro experiments, continuous-wave (CW) or pulsed-wave (PW) amplitude-modulated MMW can be efficiently used to locally heat cell monolayers with a typical thickness ranging between 3 μm and 10 μm. In this work we investigate the modifications induced at the cellular level in melanoma cells following exposure to CW and PW MMW-induced heating with the same average temperature rise, at 58.4 GHz. First, the impact of thermal convection on temperature dynamics in models representing typical in vitro exposure conditions during CW and PW-induced heating is experimentally investigated. Second, the heat shock response, mediated by phosphorylation of a small heat shock protein (HSP27) and activation of Caspase-3, indicator of cellular apoptosis, are quantified to monitor the biological response using an experimental approach based on fluorescence microscopy. Two pulse durations (1.5 s and 6 s) are considered. Our results demonstrate that thermal pulses are able to induce a stronger cellular response in melanoma cells both in terms of heat shock and cellular mortality compared to the one induced by CW. The shorter the pulse duration, the greater the cellular response

A well-represented description of convection in weather and climate models is essential since convective clouds strongly influence the climate system. Convective processes interact with radiation, redistribute sensible and latent heat and momentum, and impact hydrological processes through precipitation. Depending on the models’ horizontal resolution, the representation of convection may look very different. However, the convective scales not resolved by the model are traditionally parameterized by an ensemble of non-interacting convective plumes within some area of uniform forcing, representing the “large scale”. A bulk representation of the mass-flux associated with the individual plumes in the defined area provide the statistical effect of moist convection on the atmosphere. Studying the characteristics of the ECMWF ensemble prediction system it is found that the control forecast of the ensemble system is not variable enough in order to yield a sufficient spread using an initial perturbation technique alone. Such insufficient variability may be addressed in the parameterizations of, for instance, cumulus convection where the sub-grid variability in space and time is traditionally neglected. Furthermore, horizontal transport due to gravity waves can act to organize deep convection into larger scale structures which can contribute to an upscale energy cascade. However, horizontal advection and numerical diffusion are the only ways through which adjacent model grid-boxes interact in the models. The impact of flow dependent horizontal diffusion on resolved deep convection is studied, and the organization of convective clusters is found very sensitive to the method of imposing horizontal diffusion. However, using numerical diffusion in order to represent lateral effects is undesirable. To address the above issues, a scheme using cellular automata in order to introduce lateral communication, memory and a stochastic representation of the statistical effects of cumulus convection is implemented in two numerical weather models. The behaviour of the scheme is studied in cases of organized convective squall-lines, and initial model runs show promising improvements.

At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 4: Submitted. 

Nous proposons une étude numérique bidimensionnelle des écoulements laminaires de convection mixte en conduite rectangulaire horizontale chauffée par le bas (encore appelés "écoulements de Poiseuille-Rayleigh-Bénard"). La méthode de résolution est de type volumes finis; elle est basée sur la méthode du Lagrangien augmenté. Nous présentons une revue bibliographique, historique et complète, des travaux effectués sur ce sujet. Nous rapportons de manière détaillée les résultats de trois thèses, analysant la stabilité linéaire de l'écoulement de Poiseuille et la stabilité faiblement non-linéaire des rouleaux thermoconvectifs transverses à l'axe de la conduite, et fournissant des mesures expérimentales très fines des champs de vitesse dans les domaines linéaires et non-linéaires. L'objectif de ce travail est d'étudier dans quelle mesure les simulations numériques s'accordent avec théories et expériences en effectuant des comparaisons quantitatives systématiques avec ces trois thèses. Nous étudions l'influence des conditions aux limites ouvertes et périodiques sur la stabilité et sur le développement spatial et temporel des rouleaux transversaux, en prenant en compte le caractère convectif ou absolu de l'instabilité. Cinq sortes de conditions aux limites ouvertes sont testées. On montre que l'amplitude de la perturbation en amont de la frontière de sortie peut considérablement varier d'une condition à l'autre, alors que la longueur de la zone perturbée varie très peu, et que la structure de l'écoulement en dehors de la zone perturbée se conserve. Avec les conditions aux limites périodiques, les rouleaux transversaux transitent vers l'écoulement de Poiseuille au passage du seuil entre instabilité convective et stabilité linéaire. Avec les conditions aux limites ouvertes, cette transition a lieu près du seuil entre instabilité absolue et instabilité convective. Tous les résultats de la stabilité faiblement non-linéaire sont reproduits par la simulation 2D, et certains résultats expérimentaux 3D sont retrouvés avec une grande précision. On montre que les points de désaccord qui sont mis en évidence résultent d'effets purement tridimensionnels et qu'ils ne pourront donc être traités que par la simulation numérique 3D.

La stabilite de la convection cellulaire en milieu stratifie a ete etudiee dans l'approximation anelastique a l'aide d'un code modal. On montre que les interactions non lineaires developpent de la vorticite verticale a faible nombre de rayleigh. La vorticite verticale joue un role important dans les echanges d'energie et le developpement d'instabilites secondaires. Des solutions a trois modes instationnaires, periodiques ou quasi periodiques ont ete obtenues

Ce mémoire analyse le phénomène de convection turbulente dans diverses cellules de Rayleigh-Bénard remplies d'hélium gazeux et liquide. Une des spécificités de cette étude est sa mise en oeuvre en environnement cryogénique, afin de bénéficier de conditions expérimentales optimales, tant en terme de contrôle thermique qu'en terme de plage de variation des paramètres de contrôle : les Nombres de Prandtl (Pr) et de Rayleigh. Ce dernier est en particulier exploré sur plus de 11 décades. Trois contributions principales se dégagent de cette étude. Tout d'abord, la mise en évidence d'un effet de conduction déterminant dû à la paroi latérale. Négligé dans les travaux antérieurs, cet effet est étudié expérimentalement puis modélisé. Il permet de lever certaines incohérences apparues dans des publications de références. En outre, le ré-examen de publications antérieures conforte l'idée que le Nombre de Nusselt (Nu) dépend du Nombre de Rayleigh suivant une loi de puissance d'exposant supérieur à 0,3, plutôt que 2/7 par exemple. La deuxième contribution porte sur l'influence du Nombre de Prandtl, analysée sur une décade et demie (0,7

Ce travail a pour but une approche numérique de la convection mixte due à l(action d'un jet d'air anisotherme dans une cellule d'habitation. Après avoir rappelé les lois et les équations gouvernant la convection, dans notre cas, nous exposons le traitement numérique pas différences finies que nous avons appliqué à ces équations ainsi qu'une première validation e notre modèle numérique effectuée pour le régime de convection naturelle laminaire. Nous faisons ensuite une approche de la convection mixte bidimensionnelle laminaire et mettons en évidence différents types d'écoulement pour les cas d'injection à co-courant et à contre-courant. Une étude complémentaire est menée pour prendre en compte les cavités à géométrie complexes : parois intérieures, frontières libres. Nous présentons ensuite le traitement des écoulements turbulents par un modèles k-epsilon sans fonction de paroi, et une comparaison est effectuée pour la convection naturelle turbulente. Enfin, le dernier chapitre est consacré aux résultats expérimentaux en convection mixte obtenus sur une échelle de taille réelle et à nos premières simulations numériques de la convection mixte turbulente bidimensionnelle
The aim of this work is a numerical and experimental approach of mixed convection induced by ab air injection into a dwelling cell. We first present physic laws and governing equations of the flows inside the cell, and then the numerical treatment using finite differences. Results for laminar natural convection are compared with existing works. Then an approach of two-dimensional mixed convection allows us to find characteristic flow regimes for aiding or opposing flow of natural convection. Cavities with complex geometries such as inside boundaries and free boundaries are also studied. Afterwards, we present turbulence modelling using a k-epsilon model and no wall function. Comparison with other works is done about turbulent natural convection. In the last chapter, we show experimental results relative to mixed convection within a real scale cell and first numerical simulation of two-dimensional turbulent mixed convection

Cette thèse est consacrée à l'étude de la convection turbulente pour des nombres de Rayleigh (Ra) pouvant atteindre 10^14 grâce à l'utilisation de l'hélium cryogénique. Nous nous intéressons plus particulièrement au régime de convection apparaissant pour Ra≈10^12. Ce régime a été observé et interprété à Grenoble il y a une dizaine d'années, comme la transition vers le Régime Ultime de la convection prédit par R. Kraichnan en 1962. Deux signatures de ce régime avaient alors été observées : une augmentation du nombre de Nusselt (Nu) ainsi qu'un changement qualitatif sur les fluctuations de température dans le cœur de la cellule, cette dernière signature ayant été contestée en invoquant un effet de taille de capteurs. Dans un premier temps, nous confirmons la transition déjà observée sur les mesures locales de température, à partir de mesures réalisées avec un thermomètre dix fois plus petit. Ce résultat est complété par une étude de l'influence de la taille des thermomètres sur les mesures. Des thermomètres dont la taille varie de 17 microns à 2 mm ont été fabriqués dans ce but. Ensuite, nous observons indirectement une instabilité de la couche limite thermique, en accord avec les prédictions sur le Régime Ultime. Cette observation est réalisée à partir de mesures des fluctuations de température de la plaque inférieure de la cellule. Cette transition et celle sur Nu interviennent pour le même Ra. Enfin, nous écartons l'hypothèse selon laquelle la transition observée sur le transfert thermique serait associée à une transition de l'écoulement à grande échelle dans la cellule, grâce à une caractérisation de cet écoulement avant et après la transition
This thesis deals with turbulent Rayleigh-Bénard convection for Rayleigh numbers (Ra) up to 10^14, thanks to the use of cryogenic helium. We focused on the convection regime appearing at Ra≈10^12. This regime has been observed and interpreted 10 years ago in Grenoble, as the transition to the R. Kraichnan Ultimate Regime of convection (1962). Two signatures of this regime had been reported : an increase of the Nusselt number (Nu) and a qualitative change of the temperature fluctuations in the bulk of the cell. This last signature has been questionned by invoking a size effect of the sensors. First, we confirm the transition previously observed, with local temperature measurements, using a thermometer ten times smaller. This work is complemented with a study of the probe size effect on the temperature measurement. Thermometers, whose size ranges from 17 microns to 2 mm, were designed for this purpose. Then we indirectly observe an instability of the thermal boundary layer, which is in agreement with predictions on the Ultimate Regime. This observation is based on temperature fluctuations measurements of the bottom plate of the cell. This transition and the one observed on the heat transfer occur at the same Ra. Finally, we exclude the hypothesis that the transition observed on the heat transfer is due to a transition of the large scale circulation in the cell, thanks to the characterization of this circulation before and after the transition

Nous presentons les resultats d'une serie d'experiences de convection naturelle en cavite style piece d'habitation en site reel. Apres un bref rappel des travaux numeriques et experimentaux disponibles dans la litterature sur ce theme nous decrivons l'environnement experimental (cellule experimentale, metrologie) mis au point. Celui-ci nous a permis de realiser des investigations sur six types de condition aux limites c'est-a-dire, pour six ecarts de temperatures moyennes entre les faces verticales chaude et froide en vis-a-vis de la cavite. Des cartographies de temperature et de vitesse ont ete obtenues a l'aide de thermocouples et d'un thermoanemometre a impulsions muni de sondes thermoresistives que nous avons prealablement etalonnes au laboratoire. L'exploitation de l'ensemble des resultats nous permet de connaitre les repartitions de densites de flux et la nature des ecoulements de convection naturelle au voisinage des faces actives et dans le plan median. Ces resultats a grands nombres de rayleigh sont par la suite compares a ceux obtenus par d'autres laboratoires travaillant soit a echelle un, soit a echelle reduite sur maquettes remplies par forane r12b1, respectant des criteres de similitude geometrique, thermique et cinematique. Ils sont d'autre part confrontes aux resultats theoriques relatifs a la plaque plane verticale isotherme, pour ce qui concerne les parois actives. Cette etude met en evidence que l'ecoulement le long de la paroi est du type couche limite. Sur les deux tiers inferieurs de la hauteur de cette face, des conclusions similaires au cas de la plaque plane ont pu etre tirees. Au-dela, des instabilites ont pu etre notees. De plus, elle permet de conclure que les criteres de similitude predefinis par les differentes equipes de l'a. R. C. S'averent satisfaisants

La contribution du travail realise dans cette etude concerne les nappes tourbillonnaires formant un enroulement tres serre comme par exemple celles generees par des ailes en fleche a forte incidence et a grand nombre de reynolds. Un calcul bidimensionnel de type fluide parfait a d'abord ete developpe par une methode de singularites dans le cas d'un ecoulement instationnaire incompressible cree par un profil place a forte incidence avec demarrage impulsionnel. La methode retenue consiste a coupler une emission tourbillonnaire et une convection cellulaire fondee sur une distribution de la vorticite aux nuds d'un maillage triangulaire fixe, a l'aide d'une loi de ponderation analytique. Les inconvenients observes lors de l'utilisation d'autres methodes initialement developpees ont ainsi pu etre en grande partie elimines. Dans un second temps nous avons propose l'extension de cette methode au cas tridimensionnel. Les tourbillons ponctuels sont alors remplaces par des cellules volumiques porteuses d'un vecteur tourbillon et le mode de convection cellulaire constitue le prolongement de la methode bidimensionnelle. L'application numerique tridimensionnelle fera l'objet de travaux ulterieurs

Les objectifs principaux de cette étude consistent à contrôler la convection thermique dans un fluide, et à analyser l'instabilité interfaciale pour 2 fluides non miscibles dans un repère tournant non galiléen. Le (s) fluide(s) est (sont) confiné(s) dans une cellule de Helew-Shaw annulaire et horizontale (simulant un milieu poreux), tournant autour de l'axe verticale. L'accent est mis sur les effets des forces de Coriolis, de la tension superficielle, et les effets de modulation de la vitesse de rotation [oméga] sur le seuil d'instabilité et l'organisation des cellules. Dans un premier temps, la méthode de l'analyse linéaire a été utilisée afin de trouver le seuil de l'instabilité convective pour un fluide soumis à un gradient thermique. Dans cette configuration les forces centrifuges jouent le même le rôle que les forces gravitationnelles en Rayleigh-Bénard. En second lieu, nous examinons le comportement d'une interface entre dewc fluides non miscibles confinés dans une cellule de Hele-Shaw placée dans un repère en rotation. Une analyse asymptotique montre que l'approximation de Hele-Shaw mène à deux formulations linéaires selon l'ordre de grandeur du nombre d'Ekman. Pour ces deux cas, le nombre de Bond critique et le nombre d'onde critique sont déterminés au seuil de l'instabilité. Des expériences ont été effectuées sur une cellule de Hele-Shaw et les résultats expérimentaux sont en accord avec la théorie.

Les déplacements cellulaires, collectifs ou individuels, sont essentiels pour assurer des fonctions fondamentales de l'organisme (réponse immunitaire, morphogenèse), mais jouent également un rôle crucial dans le développement de certaines pathologies (invasion métastatique).Les processus cellulaires à l'origine du déplacement forment une activité complexe, auto-organisée et fortement multi-échelle en temps mais aussi en espace. Mettre en évidence des principes généraux de la migration est donc un enjeu majeur. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la construction de modèles de migration individuelle qui prennent en compte ce caractère multi-échelle de manière minimale.Dans une première partie, nous nous intéressons à des modèles particulaires. Nous décrivons des processus intracellulaires clés de la migration de manière discrète au moyen de processus de population. Puis, par une renormalisation en grand nombre d'individus, taille infinitésimale et dynamique accélérée, nous obtenons des équations de dynamique continue et stochastique, permettant de faire le lien entre la dynamique intracellulaire et le déplacement macroscopique.Nous nous confrontons d'abord à la situation d'un leucocyte se déplaçant dans une artère, et développant des liaisons de différentes natures avec les molécules de la paroi, jusqu'à éventuellement s'arrêter. La dynamique de formation de liaisons est décrite par un processus stochastique de type Naissance et Mort avec Immigration. Ces liaisons correspondent à des forces de résistance au mouvement. Nous obtenons explicitement le temps d'arrêt moyen de la cellule.Puis, nous nous intéressons à la reptation cellulaire, qui se produit grâce à la formation d'excroissances au bord de la cellule, appelées protrusions, qui avancent sur le substrat et exercent des forces de traction. Nous modélisons cette dynamique au moyen d'un processus de population structurée par l'orientation de la protrusion. Le modèle continu limite obtenu peut être étudié pour la migration 1D, et donne lieu à une équation de Fokker-Planck sur la distribution de probabilité de la population de protrusion. L'étude d'une configuration stationnaire permet de mettre en avant une dichotomie entre un état non motile et un état de déplacement directionnel.Dans une seconde partie, nous construisons un modèle déterministe minimal de migration dans un domaine discoïdal non déformable. Nous nous basons sur l'idée selon laquelle les structures responsables de la migration renforcent la polarisation de la cellule, ce qui favorise en retour un déplacement directionnel. Cette boucle positive passe par le transport d'un marqueur moléculaire dont la répartition inhomogène caractérise un état polarisé.Le modèle comporte un problème de convection-diffusion sur la concentration en marqueur, où le champs d'advection correspond à la vitesse d'un fluide de Darcy modélisant le cytosquelette. Son caractère actif est porté par des termes de bord, ce qui fait l'originalité du modèle.Du point de vue analytique, le modèle 1D présente une dichotomie face à une masse critique. Dans les cas sous-critique et critique, il est possible de montrer l'existence globale de solutions faibles, ainsi que la convergence à taux explicite vers l'unique état stationnaire correspondant à un état non polarisé. Au delà de la masse critique et pour des masses intermédiaires, nous mettons en évidence deux états stationnaires supplémentaires correspondant à des profils polarisés. De plus, pour des conditions initiales assez asymétrique, nous démontrons l'apparition d'un blow-up en temps fini.Du point de vue numérique, des tests numériques en 2D sont effectués en volumes finis (Matlab) et éléments finis (FreeFem++). Ils permettent de mettre en évidence à nouveau des états motiles et non motiles. L'effet de perturbations stochastiques est étudié, permettant d'aborder des cas de réponse à des signaux extérieurs chimique (chimiotactisme) ou mécanique (obstacle)
Collective or individual cell displacements are essential in fundamental physiological processes (immune response, embryogenesis) as well as in pathological developments (tumor metastasis). The intracellular processes responsible for cell motion have a complex self-organized activity spanning different time and space scales. Highlighting general principles of migration is therefore a challenging task.In a first part, we build stochastic particular models of migration. To do so, we describe key intracellular processes as discrete in space by using stochastic population models. Then, by a renormalization in large population, infinitesimal size and accelerated dynamics, we obtain continuous stochastic equations for the dynamics of interest, allowing a relation between the intracellular dynamics and the macroscopic displacement.First, we study the case of a leukocyte carried by the blood flow and developing adhesive bonds with the artery wall, until an eventual stop. The binding dynamics is described by a stochastic Birth and Death with Immigration process. These bonds correspond to resistive forces to the motion. We obtain explicitly the mean stopping time of the cell.Then, we study the case of cell crawling, that happens by the formation of protrusions on the cell edge, that grow on the substrate and exert traction forces. We describe this dynamics by a structured population process, where the structure comes from the protrusions' orientations. The limiting continuous model can be analytically studied in the 1D migration case, and gives rise to a Fokker-Planck equation on the probability distribution for the protrusion density. For a stationary profile, we can show the existence of a dichotomy between a non motile state and a directional displacement state.In a second part, we build a deterministic minimal migration model in a discoïdal cell domain. We base our work on the idea such that the structures responsible for migration also reinforce cell polarisation, which favors in return a directional displacement. This positive feedback loop involves the convection of a molecular marker, whose inhomogeneous spatial repartition is characteristic of a polarised state.The model writes as a convection-diffusion problem for the marker's concentration, where the advection field is the velocity field of the Darcy fluid that describes the cytoskeleton. Its active character is carried by boundary terms, which makes the originality of the model.From the analytical point of vue, the 1D model shows a dichotomy depending on a critical mass for the marker. In the subcritical and critical cases, it is possible to show global existence of weak solutions, as well as a rate-explicit convergence of the solution towards the unique stationary profile, corresponding to a non-motile state. Above the critical mass, for intermediate values, we show the existence of two additional stationary solutions corresponding to polarised motile profiles. Moreover, for asymmetric enough initial profiles, we show the finite time apparition of a blowup.Studying a more complex model involving activation of the marker at the cell membrane permits to get rid of this singularity.From the numerical point of vue, numerical experiments are led in 2D either in finite volumes (Matlab) or finite elements (FreeFem++) discretizations. They allow to show both motile and non motile profiles. The effect of stochastic fluctuations in time and space are studied, leading to numerical simulations of cases of responses to an external signal, either chemical (chemotaxis) or mechanical (obstacles)

Modele en site reel avec une paroi chauffee et cinq autres quasi-isothermes. Description des mesures; resultats sur la repartition des flux surfaciques, les deloits massignes dans les couches limites, les ecoulements en convection naturelle du voisinage de la paroi chauffee et dans le plan median

Cette thèse concerne l'amélioration d'un procédé d'encapsulation à base d'hydrogels pour la culture cellulaire tridimensionnelle. Des capsules submillimétriques sont formées via la co-extrusion à haute vitesse de solutions de macromolécules, formant ainsi un jet composé. Les gouttes résultant de la fragmentation du jet possèdent une géométrie de type cœur/coque dont l'enveloppe est composée d'alginate qui est ensuite solidifiée après immersion dans un bain de gélification. L'utilisation de matériaux biologiques a nécessité la mise en place d'un système d'injection séquentiel afin de manipuler de faibles volumes, inférieurs au mL. Cette approche est alors accompagnée d'une variation longitudinale de la concentration de particules en suspension lors de leur écoulement dans le tube d’injection. Cette dispersion peut être inhibée en ajoutant une bulle à chaque extrémité de l'échantillon afin de le compartimenter. Une déstabilisation de la suspension initialement homogène est observée lorsque l’inertie du fluide porteur rentre en jeu à l’échelle des particules. Ces particules micrométriques induisent un battement et des fluctuations de vitesse du jet entrainant la coalescence des gouttes et ainsi une polydispersité. Enfin, un hydrogel de collagène, mimant la matrice extracellulaire, a été implémenté au cœur des capsules afin de favoriser l'adhésion des cellules épithéliales de l’intestin et des canaux biliaires. Les cellules forment alors au sein de ces matrices un épithélium polarisé et fonctionnel. La formation de ces capsules a nécessité la formulation de la solution de collagène compatible avec le procédé et aux conditions physiologiques des cellules
This thesis concerns the improvement of a hydrogel encapsulation process for three-dimensional cell culture. Submillimetric capsules are formed via high speed co-extrusion of macromolecules solutions, thereby forming a compound jet. The drops resulting from the fragmentation of the jet have a core/ shell type geometry where shell is composed of alginate. This layer is then solidified after immersion in a gelling bath. The use of biological materials required the implementation of a sequential injection system to manipulate small volumes, less than 1 mL. This approach is then accompanied by a longitudinal variation of the concentration of the suspended particles flowing in the injection tube. This dispersion can be inhibited by adding air bubbles at each end of the sample to segment it. A destabilization of the suspension initially homogeneous is observed when liquid inertia comes into play at the particle’s scale. These micrometric particles induce a flapping motion and jet speed fluctuations causing the coalescence of the drops and thus a size polydispersity. Finally, a collagen hydrogel, which mimics an extracellular matrix, has been implemented in the capsule’s core to promote adhesion of epithelial cells forming intestine and bile ducts. Within this matrix, the cells form a polarized and functional epithelium. The formation of these collagen capsules required the formulaiton of the collagen solution compatible with the process and the physiological conditions of the cells

Ce travail de thèse présente l'étude expérimentale de l'instabilité de Kelvin-Helmholtz entre un gaz et une huile visqueuse en écoulement parallèle en cellule de Hele-Shaw. Le fort cisaillement entraîne la déstabilisation de l'interface et l'apparition d'ondes propagatives. L'étude expérimentale du seuil de l'instabilité montre une origine inertielle alors que la vitesse de phase linéaire est purement visqueuse. Une analyse bi-dimensionnelle associant la dissipation visqueuse aux parois et les effets inertiels (théorie non visqueuse de Kelvin-Helmholtz) confirme ces résultats expérimentaux. Par ailleurs, la bifurcation de l'état stable à l'état instable est de nature sous-critique. Les différents paramètres de l'instabilité comme le seuil, la vitesse de phase ou la longueur d'onde augmentent fortement avec l'épaisseur de la cellule. Notre écoulement étant ouvert, l'étude est ensuite complétée par la détermination, à la fois expérimentale et théorique, d'une transition convectif/absolu non-linéaire. Ensuite une caractérisation de la dynamique d'évolution des ondes dans le régime non-linéaire est menée à travers une équation complexe d'ordre cinq de Ginzburg-Landau dont l'ensemble des coefficients est déterminé expérimentalement et confronté avantangeusement à la théorie. À partir de cette étude, une instabilité secondaire du type Eckhaus-Benjamin-Feir est mise en évidence. Enfin l'analyse précise de la forme des ondes non-linéaires saturées et surtout de leur mode d'interaction permet de relever des similarités avec des solitons issus d'une équation de Korteweg de Vries. L'étude de l'asymétrie atypique amont--aval des ondes est aussi initiée par la réalisation d'une expérience annexe de dynamique de mouillage du ménisque.

Dans cette thèse nous étudions l'influence de l'environnement sur le comportement d'une cellule dans deux situations différentes. Dans chacune de ces deux situations, apparaît un couplage non-linéaire sur le champ d'advection lié à un terme non-local provenant du bord du domaine. Dans une première partie, nous modélisons la polarisation cellulaire durant la conjugaison de la cellule de levure. Nous utilisons un modèle de type convection-diffusion avec un terme de convection non-linéaire et non-local. Ce modèle présente des similarités avec le modèle de Keller-Segel, la source du potentiel attractif étant sur le bord du domaine. Nous étudions le cas de la dimension un en utilisant des inégalités de Sobolev logarithmiques et HWI. En nous appuyant sur un raisonnement heuristique, nous ramenons l'étude de notre modèle en dimension deux au bord du domaine. Nous validons le modèle à l'aide des résultats expérimentaux obtenus par M. Piel en utilisant un bruit dynamique dans nos simulations numériques. Nous étudions ensuite le problème du dialogue cellulaire entre cellules de levure de sexe opposé. Dans une seconde partie, nous étudions la réaction immunitaire durant l'athérosclérose. Nous construisons puis développons un modèle structuré en âge pour décrire l'inflammation. Pour des paramètres particuliers, nous déterminons le comportement en temps long de notre système en utilisant une fonctionnelle de Lyapunov
We investigate the influence of the environment on the behaviour of a cell in two different situations. In each of these situations, there is a non-linear coupling of the drift due to a non-local term coming from the boundary of the domain.The first part focuses on the modeling of cell polarisation during the mating of yeast. We use a convection-diffusion model with a non-linear and non-local drift. This model is similar to the Keller-Segel model, the source of the attractive potential comes from the boundary of the domain. We study the long time behaviour of the one-dimensional case by using logarithmic Sobolev and HWI inequalities.By relying on a heuristic, we reduce the study of our model in the two-dimensional case to the boundary of the domain. We validate the model with data provided by M. Piel. This validation requires adding a dynamical noise in our numerical simulations. We study then the cell discussion between yeast of opposite gender. In the second part we study the immune response in atherosclerosis. We build and then develop an age structured model in order to describe the inflammation. For specific parameters, we investigate the long time behaviour of our system by using a Lyapunov functional

Ce manuscrit décrit analytiquement et numériquement les instabilités d'un fluide magnétique dans une cellule de Hele-Shaw. On considère l'interface entre un fluide magnétique et un autre fluide non magnétique, miscible ou non, soumise à un champ magnétique homogène normal à la cellule ou à l'interface. Le champ démagnétisant est inhomogène à cette interface et génère un mouvement convectif des fluides. Dans la première partie, nous avons utilisé une analyse linéaire de stabilité entre deux liquides miscibles pour une distribution donnée de concentration à l'interface. Les résultats s'appliquent aussi à la stabilité d'un réseau de concentration induit par une expérience de Rayleigh forcé. Nous avons démontré que l'équation de Brinkman décrit mieux la dissipation visqueuse dans une cellule de Hele-Shaw que celle de Darcy. Nous avons trouvé que la viscosité (et non la diffusion massique) donnait à l'écoulement une échelle de longueur de l'ordre de l'épaisseur de la cellule dans le cas des forçages élevés. Dans la seconde partie de notre étude, nous avons modélisé la dynamique non linéaire de l'interface avec une tension superficielle par la méthode des intégrales de frontière. Nous avons décrit la modification des doigts de Saffman–Taylor par les forces magnétostatiques. Nous avons obtenu des structures dendritiques proches de celles observées expérimentalement et analysé quelques aspects de la formation des motifs.

This work is a theoretical contribution to the study of thermo-hydrodynamic instabilities in fluids submitted to surface-tension (Marangoni) and buoyancy (Rayleigh) effects in layered (Benard) configurations. The driving constraint consists in a thermal (or a concentrational) gradient orthogonal to the plane of the layer(s).

Linear, weakly nonlinear as well as strongly nonlinear analyses are carried out, with emphasis on high Prandtl (or Schmidt) number fluids, although some results are also given for low-Prandtl number liquid metals. Attention is mostly devoted to the mechanisms responsible for the onset of complex spatio-temporal behaviours in these systems, as well as to the theoretical explanation of some existing experimental results.

As far as linear stability analyses (of the diffusive reference state) are concerned, a number of different effects are studied, such as Benard convection in two layers coupled at an interface (for which a general classification of instability modes is proposed), surface deformation effects and phase-change effects (non-equilibrium evaporation). Moreover, a number of different monotonous and oscillatory instability modes (leading respectively to patterns and waves in the nonlinear regime) are identified. In the case of oscillatory modes in a liquid layer with deformable interface heated from above, our analysis generalises and clarifies earlier works on the subject. A new Rayleigh-Marangoni oscillatory mode is also described for a liquid layer with an undeformable interface heated from above (coupling between internal and surface waves).

Weakly nonlinear analyses are then presented, first for monotonous modes in a 3D system. Emphasis is placed on the derivation of amplitude (Ginzburg-Landau) equations, with universal structure determined by the general symmetry properties of the physical system considered. These equations are thus valid outside the context of hydrodynamic instabilities, although they generally depend on a certain number of numerical coefficients which are calculated for the specific convective systems studied. The nonlinear competitions of patterns such as convective rolls, hexagons and squares is studied, showing the preference for hexagons with upflow at the centre in the surface-tension-driven case (and moderate Prandtl number), and of rolls in the buoyancy-induced case.

A transition to square patterns recently observed in experiments is also explained by amplitude equation analysis. The role of several fluid properties and of heat transfer conditions at the free interface is examined, for one-layer and two-layer systems. We also analyse modulation effects (spatial variation of the envelope of the patterns) in hexagonal patterns, leading to the description of secondary instabilities of supercritical hexagons (Busse balloon) in terms of phase diffusion equations, and of pentagon-heptagon defects in the hexagonal structures. In the frame of a general non-variational system of amplitude equations, we show that the pentagon-heptagon defects are generally not motionless, and may even lead to complex spatio-temporal dynamics (via a process of multiplication of defects in hexagonal structures).

The onset of waves is also studied in weakly nonlinear 2D situations. The competition between travelling and standing waves is first analysed in a two-layer Rayleigh-Benard system (competition between thermal and mechanical coupling of the layers), in the vicinity of special values of the parameters for which a multiple (Takens-Bogdanov) bifurcation occurs. The behaviours in the vicinity of this point are numerically explored. Then, the interaction between waves and steady patterns with different wavenumbers is analysed. Spatially quasiperiodic (mixed) states are found to be stable in some range when the interaction between waves and patterns is non-resonant, while several transitions to chaotic dynamics (among which an infinite sequence of homoclinic bifurcations) occur when it is resonant. Some of these results have quite general validity, because they are shown to be entirely determined by quadratic interactions in amplitude equations.

Finally, models of strongly nonlinear surface-tension-driven convection are derived and analysed, which are thought to be representative of the transitions to thermal turbulence occurring at very high driving gradient. The role of the fastest growing modes (intrinsic length scale) is discussed, as well as scalings of steady regimes and their secondary instabilities (due to instability of the thermal boundary layer), leading to chaotic spatio-temporal dynamics whose preliminary analysis (energy spectrum) reveals features characteristic of hydrodynamic turbulence. Some of the (2D and 3D) results presented are in qualitative agreement with experiments (interfacial turbulence).

Doctorat en sciences appliquées
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碩士
國立成功大學
工程科學系碩博士班
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Solidification is a crucial process in casting metal material. The microstructure is formed at this stage. Indeed, this research aims at the flow impact for the growth patterns of a dendrite during the solidification process. This research has adopted the Modified cellular automaton (MCA) model to simulate the effects on dendritic microstructures during the Al-Cu alloy solidification. Based on the macro-model of heat transfer, microscopic nucleation, growth kinetics, and the liquid flow in the solute calculation are considered to predict the growth patterns of a dendrite. This research calculates the velocity of a dentritic tip using the KGT model. In the proposed study, the tip growth velocity and solute distribution are observed to analyze the flow impact, and the differences between the observed locations of the dendrite are further discussed. In addition, the research has predetermined various growth angles and uniform velocities to study the similarities and dissimilarities between dentritic morphologies. Moreover, the study uses the profile of tip growth velocity vs. calculation time to evaluate the convection effect on the growth patterns. It has also brought a deeper discussion regarding to the flow variations influenced by the dentritic growth.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la convection turbulente pour des nombres de Rayleigh (Ra) pouvant atteindre 10^14 grâce à l'utilisation de l'hélium cryogénique. Nous nous intéressons plus particulièrement au régime de convection apparaissant pour Ra≈10^12. Ce régime a été observé et interprété à Grenoble il y a une dizaine d'années, comme la transition vers le Régime Ultime de la convection prédit par R. Kraichnan en 1962. Deux signatures de ce régime avaient alors été observées : une augmentation du nombre de Nusselt (Nu) ainsi qu'un changement qualitatif sur les fluctuations de température dans le cœur de la cellule, cette dernière signature ayant été contestée en invoquant un effet de taille de capteurs. Dans un premier temps, nous confirmons la transition déjà observée sur les mesures locales de température, à partir de mesures réalisées avec un thermomètre dix fois plus petit. Ce résultat est complété par une étude de l'influence de la taille des thermomètres sur les mesures. Des thermomètres dont la taille varie de 17 microns à 2 mm ont été fabriqués dans ce but. Ensuite, nous observons indirectement une instabilité de la couche limite thermique, en accord avec les prédictions sur le Régime Ultime. Cette observation est réalisée à partir de mesures des fluctuations de température de la plaque inférieure de la cellule. Cette transition et celle sur Nu interviennent pour le même Ra. Enfin, nous écartons l'hypothèse selon laquelle la transition observée sur le transfert thermique serait associée à une transition de l'écoulement à grande échelle dans la cellule, grâce à une caractérisation de cet écoulement avant et après la transition.