Academic literature on the topic 'Interfaces solide-liquide – Modèles mathématiques'

Les zones méditerranéennes et semi - arides sont caractérisées par des régimes pluviométriques irréguliers dans le temps et dans l'espace. L'érosion hydrique des bassins versants et la sédimentation des cours d'eau constituent des phénomènes complexes très répandus qui posent de nombreux problèmes aux ingénieurs chargés des projets de mise en valeur. En raison de son ampleur, cette érosion constitue une contrainte majeure au développement de l'agriculture et à la promotion des activités rurales en Algérie. Une approche statistique de quantification des apports solides est développée dans cette étude. Les données utilisées sont recueillies au niveau de cinq sous-bassins du bassin versant de l'Oued Mina drainés par les stations hydrométriques, en amont du barrage de Sidi M'hamed Ben Aouda. La période d'observation s'étale sur 22 ans (1973 à 1995). Il existe une grande variabilité inter-annuelle et intrannuelle des apports liquides et solides. En plus de cette variation temporelle, il a été remarqué une variabilité spatiale des apports solides et liquides. Les valeurs maximales du transport solide sont enregistrées au début d'automne et à la fin du printemps. Le transport solide d'automne reste le plus élevé, dépassant significativement les autres saisons. Cette variabilité trouve son explication dans la pauvreté du couvert végétal durant cette saison et la nature agressive des pluies d'automne. La charge spécifique du bassin versant de l'oued Haddad est de l'ordre de 212 t/km2/an. Le bassin versant de l'oued Taht a une charge spécifique inférieure à celle du bassin de l'oued Haddad (Ds=191 t/km2/an). Les bassins versants de l'oued el Abd présentent des charges spécifiques de l'ordre de 117 t/km2/an à Ain El Hamara et de 65 t/km2/an à Takhmaret. La charge spécifique de l'oued Mina au barrage de Sidi M'hamed Ben Aouda est de 160 t/km2/an. Des modèles mathématiques liant l'apport solide au coefficient d'écoulement ont été proposés pour les cinq sous-bassins drainés par les stations hydrométriques.

Ce travail s'inscrit dans le cadre d'une recherche pluridisciplinaire, à la fois fondamentale et expérimentale, et se situe au carrefour de la physico-chimie des interfaces et de la mécanique des fluides. Une goutte de liquide déposée sur une surface solide peut, selon les propriétés de l'interface solide/liquide, s'étaler de façon très variée. La compréhension du phénomène de l'étalement devient indispensable lorsqu'on cherche à optimiser de nombreux processus technologiques. Dans un premier temps, on étudie de façon expérimentale les différentes phases d'étalement d'une goutte de liquide déposée sur une surface horizontale et rugueuse. L'originalité de la modélisation proposée repose sur l'intégration dans un système d'équations d'un coefficient matriciel qui prend en compte la topographie de la surface mouillée. Dans un second temps, la modification des propriétés de mouillage des surfaces métalliques par des traitements mécanochimiques spécifiques a permis de quantifier son impact sur la physico-chimie des interfaces solide/liquide. Il a été démontré qu'un des paramètres de mouillages (l'angle au retrait) s'avère être une mesure pertinente pour contrôler l'homogénéité du traitement de surfaces. De plus, des corrélations ont pu être déterminées, au moyen de techniques chimiométriques d'analyses de données, entre les caractéristiques de l'abrasif contenu dans la formulation mécanochimique (taille, forme, dureté), la morphologie finale de la surface traitée (paramètre topographique 3 D) et la fonctionnalité de la surface traitée. Enfin, les études de différentes formulations ont permis, grâce à des analyses spectroscopiques infrarouges, de rechercher les corrélations entre la composition des formulations initiales et celles des dépôts. Les valeurs des énergies de surface, mesurées à l'aide des angles de contact avec les différents liquides sondent ont permis d'évaluer la polarité finale des surfaces métalliques issues du traitement mécanochimiques étudié.

Cette étude est consacrée aux modélisations analytique et numérique du phénomène de contact thermique périodique entre deux surfaces solide-solide. En particulier, nous utilisons la notion de quadripôle thermique pour résoudre le transfert conductif dans un contact plan-plan monodimensionnel périodique ainsi que dans le cas d'un macro-contact périodique avec constriction. La modélisation est effectuée par un développement en séries de Fourier des variables périodiques en temps. Cette méthode quadripolaire nous permet d'une part, de prédire le comportement thermique du contact de l'interface périodique dans des conditions quelconques et d'autre part, d'analyser l'influence de divers paramètres sur la résistance apparente dans un domaine étendu de fréquence. Les résultats sont alors compares avec ceux des autres modèles, analytiques ou numériques. L’étude bidimensionnelle montre que le modèle monodimensionnel reste valable pour les périodes longues, mais qu'il est nécessaire d'introduire la notion de temps d'établissement de la constriction thermique pour expliquer le comportement du contact pour les périodes courtes et moyennes. Nous étudions analytiquement l'établissement de la constriction dans un cas simple et son influence sur le transfert de chaleur dans le macro-contact. Des représentations simplifiées de la résistance apparente sont données pour les trois cas limites (courtes, moyennes et longues périodes). Une expérimentation monodimensionnelle est mise en place. Les résultats sont compares aux solutions des modèles précédents.

L’objectif de ce travail, qui s'inscrit dans le cadre d'une équipe de modélisation mathématique, consiste à caractériser les paramètres susceptibles de définir les propriétés de mouillabilité d'un liquide (environné d'un autre fluide) sur la surface d'un solide. Cette étude, essentiellement expérimentale, s'est concentrée sur le cas d'une goutte sessile posée. Elle s'est attachée à déterminer une relation entre l'aire de base d'une telle goutte et de son volume, lorsque l'on fait évoluer ce dernier dans une situation quasi-statique, engendrant ainsi un hystérésis. Pour cela, nous décrivons dans un premier temps la mise au point d'un banc de mesure sophistiqué. Après avoir testé différentes conjectures et corrélations, nous mettons à jour une loi mixte très prometteuse, et en étudions l'intérêt théorique, permettant l'établissement d'une liaison phénoménologique entre trois paramètres. Enfin, nous abordons une interprétation énergétique de la loi obtenue.

La modélisation d'écoulements diphasiques solide-liquide dans une conduite cylindrique présentée dans cette thèse est caractérisée par les phénomènes non locaux introduits par la non homogénéité spatiale de la suspension (rapport de tailles caractéristiques particules/tube élevé). En première partie, une modélisation macroscopique du chauffage ohmique de suspensions est réalisée. Pour un critère de stérilisation fixé, le thermoconditionnement par chauffage interne de particules sphériques est étudié. L'étude de la génération électrique de chaleur dans des systèmes de particules permet d'obtenir des corrélations en fonction des conductivités électriques des deux phases et de la concen-tration. Le modèle "à glissement de phase" est proposé pour simuler le chauffage ohmique des suspensions suivi d'une étude paramétrique. En seconde partie, un modèle local de type "deux-fluides" est développé sur la base d'une prise de moyenne d'ensemble et de l'application de la théorie cinétique. Les contributions non locales additionnelles sont explicitées et calculées à l'aide de méthodes spécifiques, notamment l'approximation de "vitesse faiblement non homo-gène", Les lois constitutives sont corrigées pour des régîmes particulaires non inertiels. Des méthodes de calcul des moyennes phasiques, des concentrations maximales et une forme adaptée de la fonction de distribution radiale sont proposées. Les conditions aux limites en vitesse et en pseudo-température de la phase particulaire sont développées par application de bilans d'énergie mécanique, thermique et totale. Une forme heuristique de la force de friction à la paroi y est notamment présentée. L'algorithme original développé sur une base SIMPLE (méthodes des volumes finis) fournit des résultats en bonne adéquation avec les expérimentations disponibles en littérature et prédit des comportements caractéristiques tels que migration radiale, fluctuation radiale des concentrations et pseudo-diffusion thermique.

Le phénomène de transport de particules dans un fluide se rencontre dans de nombreux domaines d’application : énergétique, agroalimentaire… Nous avons entrepris la modélisation et la simulation numérique de l’ascension d’une particule fondante pour un régime de nombre de Reynolds modéré. Nous vérifions dans un premier temps la validité du code de calcul. Puis, l’étude de l’ascension d’une particule indéformable (sans fusion) froide évoluant dans un fluide chaud permet de constater l’influence des échanges de chaleur entre la particule et le fluide à la fois sur la vitesse et l’établissement du champ de température. L’analyse du processus d’ascension d’une particule fondante permet de mieux comprendre l’hydrodynamique, les échanges thermiques liquide-solide et le phénomène de fusion dans le cas d’une ascension
Flows of melting particles are involved in a wide field of industrial applications such as energetics, agroalimentary… We undertook the modeling and the numerical simulation of the rise of a single melting particle for a mode of moderate Reynolds number. We initially check the validity of the computer code. Then, the study of the rise of an indeformable particle (without fusion) cold moving in a hot fluid makes it possible to note the influence of the heat transfers between the particle and the fluid at the same time on the speed and the establishment of temperature field. The analysis of the process of rise of a single melting particle makes it possible to better understand the hydrodynamics, heat exchange liquid-solid and the phenomenon of fusion in the case of a rise

Cette thèse, financée par l'ANR SLIMCAT (Solid-Liquid Interface at Molecular Scale for Catalysis), a pour but de caractériser la structure des interfaces alumine/eau liquide, tant du point de vue du solide que du liquide en contact. Au-delà des propriétés structurales, nous apportons des informations supplémentaires sur la chimie se produisant à l'interface, et tentons de comprendre/démontrer dans quelles mesures les modèles de surfaces d'α-alumine sont pertinents pour les surfaces de γ-alumine qui sont utilisés expérimentalement dans la catalyse hétérogène. La DFT-MD (Dynamique Moléculaire basée sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité) a été utilisée pour les simulations, plusieurs codes informatiques ont été développés afin de calculer toutes les propriétés structurales et spectroscopiques pertinentes à partir des données de simulations. La spectroscopie SFG (Sum Frequency Generation) a été aussi utilisée dans nos calculs théoriques pour attribuer de façon définitive la composition, la spéciation et la structure des surfaces aqueuses α-(0001)-C et α-(1102)-R. Plusieurs surfaces ont été présentées dans la littérature comme étant la plus stables pour l'orientation (1102)-R de l'α-alumine. En simulant toutes ces surfaces par DFT-MD, nous avons démontré que seule la surface C1 est stable au contact de l'eau liquide, et l'interface aqueuse possède un spectre SFG qui coïncide exactement avec le spectre expérimental. Cependant, la surface (1102)-R-C2 est connue comme étant la plus stable au contact de l'air. Afin de réconcilier ces deux informations, nous avons démontré que la calcination de l'interface aqueuse (1102)-R-C1 à haute température (~1000 K) conduit à sa conversion vers la surface (1102)-R-C2, dorénavant au contact de l'air, tandis que la surface (1102)-R-C2 se reconstruit vers la surface (1102)-R-C1 une fois mise au contact de l'eau. Nous avons aussi résolu les controverses de la littérature sur l'interface α-(0001)-C/eau liquide. Il a donc été démontré qu'il existe une organisation particulière de l'eau liquide, consistant en un réseau 2D de liaisons hydrogène formé dans la couche d'eau au contact du solide par le biais de liaisons-H eau-eau orientées parallèlement à la surface. Cette structure est identique au réseau 2D de liaisons-H formé par l'eau à l'interface avec le milieu hydrophobe ultime, i.e. le vide. Quand des électrolytes (1.0M KCl) sont placés à cette interface aqueuse, nous avons montré que leur présence n'affecte pas l'organisation du réseau 2D de liaisons hydrogène. Les interfaces gamma-alumine/eau liquide γ-(110) et γ-(100) ont aussi été simulées. Nous avons montré que l'interface γ-(110)/eau liquide en particulier partage de nombreux points communs avec les interfaces aqueuses d'α-alumine, ce qui démontre que les modèles-α sont pertinents pour fournir des informations sur la structure de la γ-alumine aqueuse effectivement utilisée en catalyse hétérogène
This PhD thesis, funded by ANR SLIMCAT (Solid-Liquid Interface at Molecular Scale for Catalysis), has for goal to characterize the structure of alumina/liquid water interfaces, both from the point of view of the solid and liquid in contact. Beyond structural properties, we aim to provide some details on the chemistry occurring at the interface, and also to understand to what extent α-alumina surfaces models are relevant for γ-alumina surfaces effectively used in experiments in heterogeneous catalysis. DFT-MD (Density Functional Theory based Molecular Dynamics) was used for the simulations, multiple codes were developed to compute all relevant structural and spectroscopic properties from the simulations data. SFG (Sum Frequency Generation) spectroscopy was also employed in the theory to definitely assign the composition, speciation and structure of the aqueous α-(0001)-C and α-(1102)-R alumina surfaces. Multiple surfaces have been presented in the literature as being the most stable for the (1102)-R orientation of α-alumina. By investigating all of them by DFT-MD, we have shown that, when placed in contact with liquid water, only the C1 surface is stable and simultaneously provide a SFG spectrum consistent with the experimental one. However, the (1102)-R-C2 surface is known to be the most stable in contact with the air. To reconcile these two observations, we demonstrated that the calcination of the (1102)-R-C1/liquid water interface at high temperature (~1000 K) leads to the conversion to the (1102)-R-C2 surface, now in contact with the air, while the (1102)-R-C2 recontructs towards the (1102)-R-C1 surface once put in contact with water. We have also resolved the controversies in literature on the α-(0001)-C/liquid water interface. A particular organization of liquid water has hence been shown to exist, consisting of a 2D-HBond-network formed in the topmost interfacial water layer via water-water H-bonds oriented parallel to the surface. This structure is reminiscent of the 2D-HBond-Network formed by water at the interface with the ultimate hydrophobic medium, i.e. vacuum. When electrolytes (1.0M KCl) were placed at this interface, their presence was found not to affect the organization of the 2D-Hbond-network. The γ-(110) and γ-(100) gamma-alumina/liquid water interfaces were also investigated. We find that the γ-(110)/liquid water interface especially shares many common points with α-alumina aqueous interfaces, which shows that α-models are relevant to provide information for the structure of the aqueous γ-alumina employed in catalysis

L'objectif de cette étude est la modélisation d'écoulements turbulents diphasiques gaz-solides présentant une granulométrie étendue de la phase dispersée, dans le cadre de l'approche eulérienne. En effet, parmi les nombreux facteurs pouvant influencer le comportement de ce type d'écoulements, l'existence d'une distribution de taille des particules est loin d'être négligeable. Nous nous attachons ici à en caractériser les effets. La première idée pour prendre en compte la granulométrie étendue des particules est de diviser la phase dispersée en plusieurs classes de tailles, pour lesquelles on utilise les modèles monodispersés, et de moyenner les résultats obtenus pour reconstruire la phase dispersée complète. Pour différents cas de validation (jets d'air chargé en particules polydispersées), on compare ces premiers résultats à ceux donnés par la méthode la plus répandue en pratique, consistant à représenter la phase dispersée par un diamètre moyen équivalent. Ceci permet de mesurer exactement l'influence de la polydispersion sur les grandeurs moyennes du mélange et de fournir une meilleure compréhension des écoulements turbulents diphasiques à inclusions dispersées. La méthode des classes étant assez coûteuse en temps de calcul, nous proposons également une méthode plus simple de modélisation de la granulométrie. La démarche consiste à compléter le système d'équations actuellement résolu pour le calcul des grandeurs macroscopiques de la phase dispersée par des équations de transport sur la concentration en particules par classe de diamètre. La vitesse de glissement d'une classe de particules par rapport à la vitesse moyenne de l'ensemble est approchée par un modèle algébrique tiré des équations de quantité de mouvement correspondantes