Letteratura scientifica selezionata sul tema "Mécaniques des fluides expérimentales"

La suite d’évènements menant à l’apparition de métastases est appelée « cascade métastatique ». L’étude récente de la composante biomécanique de cette cascade a révélé le rôle central des liquides biologiques dans la dissémination métastatique. Tout en participant au transport des cellules tumorales circulantes et des facteurs qu’elles sécrètent, ces liquides circulants influencent cette cascade par les forces mécaniques qu’ils génèrent. Les propriétés hémodynamiques et les contraintes topologiques de l’architecture vasculaire contrôlent la formation de niches métastatiques et le potentiel métastatique des cellules tumorales.

Les vésicules extracellulaires (VE) suscitent un intérêt croissant lié à leur capacité à transférer du contenu biologique entre cellules. Les VE, émises dans l’espace extracellulaire, circulent via les différents fluides de l’organisme et modulent localement ou à distance les réponses des cellules avec lesquelles elles ont interagi. Des données cliniques et expérimentales étayent leur rôle dans les maladies liées au syndrome métabolique. Les VE bousculent la vision traditionnelle de la communication intercellulaire et représentent ainsi un mode de communication alternatif et versatile, qui ouvre la porte à de nouveaux concepts et opportunités tant biologiques que thérapeutiques.

La propriété associative des réseaux neurologiques artificiels et de leur capacité inhérente d’apprendre et identifier des rapports fortement non linéaires et complexes, les trouve idéalement convenus à une étendue des applications large dans le domaine du froid direct et indirect. Cet article traite les applications potentielles des réseaux neurones artificiels dans la particularité des problèmes thermiques soulevés par l’utilisation des fluides frigoporteurs diphasiques, tels que les coulis de glace (mélange de solutions binaires aqueuses et de cristaux de glace) dans les installations de distribution du froid. L’utilisation de ce type d’installation permet de diminuer, les quantités des fluides frigorigènes traditionnels, ainsi que les problèmes qu’ils engendrent, de réduire les volumes de stockage et les consommations d’électricité. La stratégie d’obtention du RN s'articule sur l'élaboration d'un programme sur MATLAB, comportant plusieurs boucles où on fait varier les algorithmes d’apprentissages, les fonctions d’activations, le nombre de couches cachées et le nombre de neurones dans chaque couche, afin de minimiser la fonction du coût sous contrainte d’une erreur relative fixée. Le modèle neuronal conçu a permis d’une part de reproduire avec une très bonne précision les données expérimentales tirées directement de littérature et d’autre part une estimation meilleure et plus précise des valeurs calculées par rapport aux modèles classiques (basé sur la formulation générale de la méthode enthalpique) des transferts thermiques dans le cas des solutions binaires dispersées sous forme d’émulsions ou de mini-émulsions subissant un changement de phase tirées directement de littérature.

La technologie des géostructures énergétiques consiste à adapter les structures géotechniques, comme les pieux de fondation, les parois moulées ou les tunnels, afin de les transformer en échangeurs de chaleur avec le sol. De fait, ce sont des systèmes géothermiques à basse enthalpie, avec le gros avantage de réduire les coûts initiaux d’installation grâce à l’utilisation des structures géotechniques qui seraient réalisées dans tous les cas. Les échanges de chaleur entre la géostructure et le sol induisent des variations de température cycliques sur les deux, et l’efficacité du système doit répondre à la fois à des critères énergétiques (bonne production de chaleur ou de froid) et géotechniques-structurels (analyse des contraintes et déformations thermiques du sol et de la structure en béton), qui dépendent fortement des conditions locales du site accueillant la construction. Il s’agit donc d’un système complexe avec un comportement dépendant de différents phénomènes thermiques, hydrauliques et mécaniques, éventuellement couplés, à la fois dans le sol et dans la structure. Dans un premier temps, une vue globale des différents aspects qui jouent un rôle important dans le comportement géotechnique et énergétique des géostructures thermoactives est présentée, depuis l’échelle de l’élément de sol jusqu’à celle de l’ouvrage. Ensuite, un cas récent d’application de la technologie aux parois moulées de la gare Jules Ferry de Rennes, en France, est décrit et analysé. D’abord, les premières mesures des Tests de Réponse Thermique Opérationnels (T.R.T.O.) réalisés sur le site d’étude sont discutées. Ensuite, l’analyse porte sur les résultats de la modélisation thermo-hydraulique (TH) par éléments finis du cas d’étude et la comparaison avec les mesures in situ. Le modèle numérique permet de reproduire correctement les données expérimentales quand un écoulement souterrain est pris en compte. Les résultats montrent une bonne efficacité énergétique de la technologie qui se confirme très prometteuse.

Ce travail consiste à l’étude expérimentale et théorique d’un capteur solaire plan à air. Ce capteur a était conçu et réalisé au sein du laboratoire de génie mécanique à l’université de Biskra. La nécessité d’améliorer les performances thermiques du capteur solaire à air, pour des besoins spécifiques, nous a encouragé à effectuer cette étude. Pour cela, nous proposons un modèle de rugosités artificielles placées dans la veine d’air mobile pour créer un écoulement de plus en plus turbulent entre l’absorbeur et la plaque inférieure. Le fluide passe entre les rugosités artificielles dans la même rangée, ce qui permet une bonne distribution du fluide et réduit ainsi les zones mortes. Nous présentons également les résultats issus de l’analyse théorique, du capteur avec chicanes. Les résultats sont comparés à ceux obtenus avec un capteur solaire à air sans chicanes.

Le circuit primaire des centrales nucléaires françaises comporte un grand nombre de soudures entre composants. Elles subissent en service des contraintes thermiques et mécaniques. De ce fait, la surveillance par examen non destructif (END) de ces soudures représente un enjeu majeur pour la sûreté des installations. Cette présentation traite du contrôle ultrasonore d’une soudure de forte épaisseur en acier inoxydable austénitique entre deux composants en acier inoxydable austéno-ferritique moulé caractérisé par une structure métallurgique à gros grains. L’ensemble soudure et métal de base présente une structure fortement anisotrope et hétérogène susceptible de dégrader les performances du procédé de contrôle par des phénomènes physiques qui perturbent les faisceaux ultrasonores (déviation et division des faisceaux, important bruit de structure, forte variation de l’atténuation …). En collaboration avec EDF, Omexom NDT E&S a qualifié un procédé de contrôle par ultrasons automatisés composé de différents capteurs permettant de s’adapter aux contraintes structurelles de ces matériaux complexes. Les impacts métallurgiques induits par la structure contrôlée ont été étudiés et pris en considération dans les performances du procédé grâce notamment à une comparaison entre mesures expérimentales et simulations numériques avec les logiciels CIVA et ATHENA. Nous présenterons dans cette étude la méthodologie retenue pour modéliser les différents matériaux dans les codes de simulation. L’impact du matériau sur les performances du procédé qualifié et sur les gestes opératoires de la procédure sera également abordé.

Cette synthèse porte sur plusieurs thématiques de mécanique des fluides et s'articule autour d'une approche par des méthodes expérimentales instationnaires. Les domaines successivement abordés sont la turbulence, l'aérodynamique compressible, les machines tournantes, l'hydrodynamique et les instabilités, tandis que les techniques expérimentales mises en œuvre comprennent les sondes directionnelles de pression, l'anémométrie fil/film chaud, la vélocimétrie laser Doppler, la visualisation par injection de traceur et la vélocimétrie par images de particules. Dans la plupart des cas, on développe des techniques multi-composantes, afin d'obtenir les trois composantes du champ de vitesse. Lorsqu'un phénomène périodique est présent dans l'écoulement, des traitements par moyennes de phase permettent de reconstruire, à partir d'un maillage de mesures ponctuelles, une information globale dans un plan ou dans un volume, et son évolution temporelle moyenne. Il est aussi possible de reconstituer une dynamique en fonction du temps à partir d'une mesure dans un plan, non résolue en temps, synchronisée avec une mesure ponctuelle, résolue en temps. L'ensemble des configurations étudiées par ces méthodes expérimentales constitue des bases de données, utiles notamment pour une comparaison avec des résultats de simulations numériques.

Ce travail est consacré à l'étude expérimentale des écoulements à bulles de type contacteur gaz-liquide. Nous avons réalisé un tel écoulement dans une conduite rectangulaire verticale, à faibles vitesses liquides (U1= 1Ocm/s) et importants taux de vide ( [alpha] [supérieur ou égal à] 10% ). Dans un premier temps, nous avons qualifié l'écoulement monophasique en utilisant la vélocimétrie à ultrasons et la vélocimétrie à images et particules. En écoulement diphasique, nous avons obtenu le taux de vide, la taille des bulles et la vitesse des bulles par mesures de sonde optique double. Nous avons aussi mesuré les vitesses de la phase liquide par vélocimétrie à film chaud. Les résultats se comparent relativement bien à ceux de la littérature. Dans un second temps, nous avons étudié le frottement pariétal en écoulement à bulles. Par méthode polarographique, nous avons obtenu des mesures de frottement moyen et fluctuant, des mesures d'échelle de frottement moyen et fluctuant, des mesures d'échelle intégrale de longueur, des mesures des temps de cohérence spatio-temporelle et des mesures de vitesse de convection. Ces données nous ont permis d'estimer quelques caractéristiques intéressantes en turbulence de paroi, telles que la validité de la loi logarithmique, l'énergie cinétique turbulente ou la dissipation turbulente.

Cette thèse vise à une meilleure compréhension de la dynamique du voilier et à la validation des outils numériques de prédiction de performances et d'optimisation par l'étude expérimentale in situ du problème aéro-élastique d'un gréement. Une instrumentation est développée sur un voilier de 8m de type J80 pour la mesure dynamique des efforts dans le gréement, de la forme des voiles en navigation, du vent et des attitudes du bateau. Un effort particulier est apporté à la mesure des caractéristiques géométriques et mécaniques des éléments du gréement, la calibration des capteurs et au système d'acquisition des données. Les principaux résultats montrent que le voilier instrumenté est un outil adapté pour les mesures instationnaires et soulignent l'amplitude de variation d'effort rencontrée en mer (20 à 50% de l'effort moyen dans une houle modérée). En outre, les variations du signal d'effort sont déphasées avec l'angle d'assiette, créant un phénomène d'hystérésis. Le comportement dynamique d'un voilier en mouvement diffère ainsi de l'approche quasi-statique. Les simulations numériques proviennent du code ARAVANTI, couplage implicite d'un code structure éléments finis ARA et d'un code fluide parfait, limitant son domaine de validité aux allures de près Les résultats de simulation sont très proches des cas stationnaires et concordent bien avec les mesures en instationnaire dans une houle de face. L'expérimentation numérique d'un gréement soumis à des oscillations harmoniques en tangage souligne l'importance de l'approche Interaction Fluide Structure (IFS) et montre que l'énergie échangée par le système avec la houle est reliée à la fréquence réduite et l'amplitude du mouvement. Certaines informations n'étant pas disponibles sur le voilier instrumenté, une expérience contrôlée en laboratoire est développée. Elle consiste en un carré de tissu tenu par deux lattes en oscillation forcée. Les mesures sur cette " voile oscillante " permettent d'étudier les phénomènes IFS avec décollement et sont utilisées pour la validation du couplage ARA-ISIS entre un code fluide Navier-Stokes (RANS) et le même code structure.

L'écoulement d'un fluide au-dessus d'un lit granulaire peut provoquer son érosion lorsque la contrainte exercée dépasse une valeur seuil. La présence d'un obstacle immergé dans l'écoulement induit une perturbation, entraînant une survitesse locale du fluide et une plus grande contrainte. L'érosion est alors localement renforcée, phénomène également appelé affouillement. Dans ce travail, nous étudions expérimentalement cette situation d'érosion complexe à l'échelle du laboratoire. Nous nous intéressons en particulier à la question du seuil d'affouillement, c'est-à-dire la vitesse d'approche du fluide minimale nécessaire à l'apparition de l'érosion au voisinage de l'obstacle. Ce faisant, nous observons que deux motifs d'érosion différents peuvent se développer au voisinage d'un obstacle : si le classique affouillement en fer à cheval au pied de l’obstacle domine aux vitesses d'écoulement élevées, on observe pour des vitesses plus faibles un nouveau motif en aval, que nous appelons affouillement en oreilles de lapin. Les seuils d'apparition de ces deux motifs d'érosion sont mesurés visuellement pour différents grains et obstacles. En complément de ces observations, nous utilisons une technique de relevé topographique par profilométrie laser. Le suivi temporel de la topographie du lit au cours du processus d'affouillement nous permet de caractériser la morphologie des deux types de motifs, et de comprendre la compétition entre leurs dynamiques d'apparition par la mesure des temps caractéristiques de formation. L'affouillement en oreilles de lapin est dans la plupart des cas perturbé dans son développement par la formation plus rapide de l'affouillement en fer à cheval. L'étude de l'écoulement, s'appuyant notamment sur des mesures de vélocimétrie par image de particules (PIV), nous renseigne sur les contraintes exercées par le fluide sur les grains, avec ou sans obstacle. Nous pouvons ainsi expliquer les valeurs de seuil d'apparition mesurées pour les deux motifs d'affouillement, qui sont associés à différentes structures de l'écoulement
Erosion occurs when a fluid flowing over a granular bed exerts a large enough shear stress. When the fluid encounters an obstacle, the modification of the flow leads to a local over speed, and thus on an increase of the shear stress in the vicinity of the obstacle. As a result, the erosion is locally enhanced and is called scouring. In this work, we investigate this complicated situation experimentally at the laboratory scale. In particular, we address the question of the scouring threshold, i.e., the minimum critical approach velocity of the fluid leading to erosion in the vicinity of the obstacle. We report the existence of two different scouring patterns: the traditional horseshoe scour at the base of the obstacle, which dominates at large flow velocities, and we also highlight another scouring pattern downstream, which is called rabbit ear scour, at moderate speeds. We determine the onset of both erosion patterns visually using different grains and obstacles. Besides, we measure the bed topography over time using a laser profilometer. By monitoring the bed topography during the scouring process, we characterize the morphology of both scouring patterns and rationalize their competitive dynamics by measuring their formation timescale. In most cases, the rabbit ear scour development is inhibited by the faster horseshoe scour growth. The characterization of the flow using Particles Image Velocimetry (PIV), provides information on the shear stress exerted by the fluid flow on the grains, with and without obstacle. We can thus rationalize the threshold values for both scouring patterns, associated with different flow structures

Les conditions de fonctionnement de plus en plus sévères des lignes d’arbre (vitesses de rotations élevées, gradients de pression importants) imposent de connaître de façon très précise le comportement statique et dynamique de chaque élément. Ceci concerne en particulier l’influence des éléments fluides supports de la ligne d’arbre et des éléments chargés de l’étanchéité. En effet, ces zones de fluide sont le lieu d’écoulements très sévères, fortement turbulents et avec des effets d’inertie du fluide importants. La plus part des résultats des recherches dans ce domaine proviennent de simulations numériques car il est très difficile de recréer expérimentalement les conditions réelles. Ces seules simulations numériques sont insuffisantes, c’est pourquoi le LMS et ses partenaires industriels (ALSTOM, CNES, EDF, SNECMA) ont décidé, il y a une dizaine d’années de concevoir un dispositif expérimental permettant d’identifier le comportement statique et dynamique des lames fluides. C’est le projet BALAFRE (BAnc d’essais à LAmes Fluides à haut Reynolds). Le travail de thèse présenté dans ce mémoire se décompose en trois parties principales. La première partie décrit le fonctionnement du banc Balafre, la deuxième partie concerne le dimensionnement d’un diaphragme de décharge utilisé dans les paliers hydrostatiques support de la ligne d’arbre du banc. Il s’agit de caractériser la loi de comportement d’un injecteur de type orifice à paroi mince. Un banc de mesures a été conçu et une simulation numérique a été réalisée, les deux résultats concordent et donnent un coefficient de décharge différent de ce qui est donné dans la littérature. La troisième partie de ce travail porte sur le développement d’une méthode originale d’identification des coefficients dynamiques, caractérisant le comportement dynamique d’un joint. La plupart des méthodes utilisées travaillent dans le domaine fréquentiel après transformée de Fourier, alors que cette nouvelle méthode reste dans le domaine temporel. Une validation numérique a été réalisée, elle prouve que la méthode et robuste même avec des mesures fortement bruitées. Par ailleurs, ce travail est complété par un nouveau chapitre de thèse développé dans le cadre de l’Association Bernard Grégory, il s’agit de valoriser les compétences acquises au cours de cette thèse, à travers la recherche purement scientifique mais également à travers le suivi du projet Balafre
In many industrials applications, mechanisms such as turbines or pumps function under sever operating conditions: high speed of rotation, high pressures and high Reynolds number. The dynamic behavior of the shaft strongly depends on shaft surroundings elements like journal bearing or annular seals. Many studies use numerical simulations to recreate real operating conditions, but it is necessary to compare theses results with those coming from an experimental test facility. That is why the LMS and its industrial partnerrs (ALSTOM, EDF, CNES, SNECMA) decided ten years ago to design a specific test apparatus for studying annular seals. The functioning of the machine is completely described in this document. In parallel with the project, the behavior law of a thin-walled orifice is studied; the both numerical and numerical studies give the same result for the discharge coefficient. It does not, in this case, correspond to the value from literature. Finally, the last part of the research deals with the development of a specific method to identify the dynamic force coefficients characterizing the behavior of a seal. Many methods use Fourier transformations to work in frequency domain, whereas this methods stay in time domain. Numerical simulations were carried out, but even if the noise is high, results are good. The algorithm is robust, and the main parameters are identified

Actuellement l'état des connaissances sur l'hydrodynamique et la thermique des écoulements de suspensions newtoniennes et non newtoniennes ne permet pas de bien appréhender les problèmes liés à la stérilisation des écoulements chargés en particules dans l'industrie alimentaire. A ce jour, l'influence de la phase des particules solides sur l'écoulement n'est toujours pas très bien connue et pourtant c'est elle qui détermine la rhéologie du mélange et donc toute la Thermomécanique de ces écoulements. Les objectifs de ce travail expérimental sont de vérifier si les modèles rhéologiques établis pour des suspensions de particules de structure microscopique peuvent s'appliquer à des suspensions de "grosses" particules et d'expliquer les problèmes liés aux mécanismes de transfert de chaleur entre la suspension et la paroi. Les études menées, ont montré que le modèle de milieu effectif est efficace dans l'analyse de la perte de charge pour les fluides newtonien et non newtonien, en régimes laminaire et turbulent en situation isotherme. La migration latérale des particules vers l'axe de la conduite contribue à la modification de la rhéologie du mélange. La sédimentation observée et les interactions entre le fluide porteur et les particules sont à l'origine de la non homogénéité des suspensions en écoulement isotherme. Le transfert thermique est influencé par les particules. Le développement de la couche limite thermique est perturbé par la présence des particules. L'objectif est la maîtrise de la stérilisation en continu, des fluides alimentaires chargés de particules, par procédés thermiques. Le fluide porteur s'organise en anneau monophasique qui entoure la zone des particules au centre du tube. Cette organisation de l'écoulement chargé est néfaste puisqu'il fait émigrer les particules vers la zone froide où la stérilisation est difficile.

Ce travail de thèse porte sur différents moyens d’aborder l’écoulement à l’intérieur d’un module d’absorbeur, élément de base d’un récepteur solaire en vue d’améliorer les caractéristiques de ce dernier. En effet, le développement de récepteurs pressurisés dédiés à des cycles gaz fonctionnant à très haute température permettrait la construction de centrales solaires thermodynamiques économiques, à forte efficacité et peu dépendantes aux ressources en eau. Une première approche, fondée sur l’utilisation d’outils de simulation numérique (corrélations puis simulations tridimensionnelles) a permis de définir un module d’absorbeur de référence, à la géométrie interne basique mais fonctionnelle. Ce module a ensuite été testé en conditions réelles. Dans un second temps, des investigations ont été menées sur une géométrie interne optimisée, basée sur le développement et l’utilisation d’une surface texturée constituée de riblets et d’actuateurs. Une étude préliminaire de cette association en soufflerie de couche limite fondée sur l’utilisation de moyens de diagnostic optique laisse présager des ratios coefficient d’échange sur pertes de charge intéressants pour le module d’absorbeur réel. Afin de compléter ce travail préliminaire et de confirmer le diagnostic, une soufflerie de type canal plan, de géométrie proche de celle d’un absorbeur réel et permettant la mesure des pertes de charge a été conçue. L’instrumentation (diagnostic S-PIV) de la cellule de mesure de cette soufflerie a permis de mener à bien la caractérisation de l’écoulement étudié
This PhD work concerns various means of approaching the flow inside a module of absorber, basic element of a solar receiver, in order to improve his characteristics. Indeed, the development of pressurized receivers dedicated to very high temperature gas cycles would allow the construction of economic thermodynamic solar power plants, with a high efficiency and weak water requirements. A first approach, founded on the use of simulation tools (correlations and three-dimensional simulations) made it possible to define a reference module of absorber, with a basic but functional internal geometry. Then, this module was tested in real conditions. In a second time, investigations were carried out on an optimized internal geometry, based on the development and the use of a textured surface made up of riblets and actuators. A preliminary study of this association in a boundary layer wind tunnel founded on the use of optical metrology lets predict an interesting ratio between the heat transfer coefficient and the pressure losses for the real module of absorber. In order to supplement this preliminary work and to confirm this diagnose, a plate channel wind tunnel, whose geometry is close to that of a real absorber and that allows the measurement of pressure losses, was conceived. The instrumentation (S-PIV diagnoses) of the measuring cell of this wind tunnel made it possible to conclude the characterization of the studied flow

Le mélange de solutés par les écoulements en milieux poreux contrôle les réactions chimiques dans un grand nombre d'applications souterraines, dont le transport et la remédiation des contaminants, le stockage et l'extraction souterrains d'énergie, et la séquestration du CO2. Nous étudions les mécanismes du mélange à l'échelle du pore et plus précisément comment la topologie de l'écoulement est reliée à la dynamique du mélange d'espèces conservatives; en particulier, l'émergence d'un mélange chaotique est-elle possible dans un milieu poreux tridimensionnel (3D) ? Nous calculons donc numériquement ou mesurons expérimentalement les vitesses d'écoulement et l'évolution temporelle des champs de concentration afin de caractériser la déformation et le mélange à l'échelle du pore. Une première étude, expérimentale, permet de caractériser le mélange dans un fluide s’écoulant à travers un milieu poreux bidimensionnel (2D). Nous mesurons les vitesses par suivi de microparticules solides (''PTV''). L’évolution temporelle de la distance séparant deux particules permet de caractériser la dynamique de la déformation lagrangienne. Des mesures de transport conservatif dans le même milieu fournissent l'évolution temporelle du gradient de concentration moyen (une mesure du mélange). À partir de ces résultats expérimentaux nous proposons la première validation expérimentale à l'échelle du pore de la théorie lamellaire du mélange, reliant les propriétés de la déformation du fluide à la dynamique du mélange. Dans une deuxième étude nous examinons les conditions d'apparition du mélange chaotique dans l’écoulement dans des milieux poreux 3D granulaires ordonnés. Nous effectuons des calculs numériques hautement résolus de d'écoulement de Stokes entre des sphères empilées selon une structure cristalline (cubique simple ou cubique centrée), périodique. La déformation lagrangienne, obtenue à partir des champs de vitesse à l'aide d'outils numériques développés spécifiquement, met en lumière une large variété de dynamiques de la déformation dans ces milieux 3D, selon l'orientation de l'écoulement. Quand la direction de l'écoulement n'est pas normale à l'un des plans de symétrie de réflection du cristal, l'évolution temporelle de la déformation est exponentielle, traduisant une advection chaotique. L’émergence (ou non) du chaos est contrôlée par un mécanisme similaire à la ''transformation du boulanger'': les particules fluides se déplaçant autour d'un grain solide se retrouvent séparées par une surface virtuelle (appelée “variété”) qui émerge de la surface du grain. De multiples variétés existent dans l’écoulement, et la façon dont elles s'intersectent contrôle la nature - chaotique ou non - du mélange, et l'intensité du chaos. En particulier, l'exposant de Lyapunov (une mesure du chaos), est contrôlé par la fréquence spatiale des intersections appropriées à la génération du chaos, nommées ''connections hétéroclinines'' entre variétés. L'image conventionnelle, 2D, des mécanismes du mélange, impose des contraintes topologiques qui ne permettent pas le développement de ces mécanismes 3D. Elle pourrait donc être inadaptée aux milieux poreux naturels. La troisième étude a deux objectifs: (i) fournir une preuve expérimentale de la nature chaotique de l'advection, par la visualisation des variétés et par l'obtention d'une mesure de l'exposant de Lyapunov; et (ii), évaluer si nos résultats numériques obtenus pour des milieux granulaires ordonnés peuvent être généralisés à des milieux désordonnés, plus proches des milieux naturels. L’expérience est fondée sur un empilement désordonné de sphères rendu transparent par l'ajustement optique du liquide avec les sphères. La fluorescence induite par laser (''LIF'') permet de détecter les variétés au sein de l'écoulement, et des techniques PTV de mesurer les vitesses d'écoulement et quantifier l'exposant de Lyapunov. Les premiers résultats expérimentaux sont prometteurs
Solute mixing in porous media flows plays a central role in driving chemical reactions in a number of subsurface applications, including contaminant transport and remediation, subsurface energy storage and extraction, and CO2 sequestration. We study the mechanisms of solute mixing, in particular how the pore scale flow topology is related to the mixing dynamics of conservative solutes, with a particular emphasis on the possible emergence of chaotic mixing processes in three-dimensional (3D) porous media. To do so, we perform numerical computations or experimental measurements of the flow velocities and temporal evolution of the concentration fields, and characterize fluid deformation and mixing at the pore scale. This PhD work consists of three main studies. In the first study, we experimentally characterize mixing in a fluid flowing through a two-dimensional (2D) porous medium built by lithography. We measure the velocity distributions from Particle Tracking Velocimetry (PTV). The time evolution of the separation distance between two particles is analyzed to characterize the Lagrangian deformation dynamics. In parallel we perform conservative transport experiments with the same porous media, and quantify the temporal evolution of the mean concentration gradient, which is a measure of the mixing rate. From these experimental results we obtain the first experimental pore scale validation of the lamella mixing theory, which relates the fluid deformation properties to the mixing dynamics. In the second study, we investigate the conditions of emergence of chaotic mixing in the flow through 3D ordered granular porous media. In these periodic cubic crystalline packings (Simple Cubic - SC - and Body-Centered Cubic - BCC) of spheres, we are able to perform highly resolved computations of the 3D Stokes flow. Using custom-developed numerical tools to measure the Lagrangian deformation from the computed velocity fields, we uncover the existence of a rich array of Lagrangian deformation dynamics in these 3D media, depending on the flow orientation. When the flow direction is not normal to one of the reflection symmetry planes of the crystalline lattice, we find that the Lagrangian deformation dynamics follow an exponential law, which indicates chaotic advection. This chaotic behavior is controlled by a mechanism akin to the baker's transformation: fluid particles traveling around a solid grain along different paths end up either separated by, or on the same side of, a virtual surface projecting from the grain surface and called a manifold. Multiple such manifolds exist within the flow, and the way they intersect controls the nature of mixing (that is, either non-chaotic or chaotic), and the strength of chaos. We show in particular that the magnitude of the Lyapunov exponent (a measure of the vigor of chaos) is controlled by the spatial frequency of transverse connections between the manifolds (called heteroclinic intersections). We thus demonstrate that the conventional 2D picture of the mechanisms of mixing may not be adapted for natural porous media because that picture imposes topological constraints which cannot account for these important 3D mechanisms. The third study has two objectives: (i) provide experimental evidence of the chaotic nature of pore scale advection/mixing, both by visualizing the manifolds and by obtaining a quantitative estimate of the Lyapunov exponent; and (ii) assess if the results obtained numerically in ordered packings of spheres extend to random packings, which are closer to natural porous media. The experiment features a random packing of glass beads rendered transparent by optical index-matching between the fluid and solid grains. We use Laser Induced Fluorescence (LIF) to detect the manifolds, and PTV techniques to measure flow velocities and subsequently quantify Lyapunov exponent. The first experimental results are promising

Un jet de fluide soumis à un écoulement transversal génère une dynamique très complexe, dont la description et la prédiction constituent un enjeu tant fondamental qu'industriel. L’étude s'appuie sur une corrélation étroite entre l'approche expérimentale et la simulation numérique de l'écoulement. La configuration étudiée concerne une buse de section rectangulaire ayant un rapport d'aspect de 2. L’écoulement transverse et celui du jet sont turbulents. Les rapports de vitesses Uj/Ut sont compris entre 3 et 6. L’expérimentation est successivement conduite en canal à eau et en souffleries. Les résultats proviennent de l'analyse des visualisations ainsi que de l'exploitation des mesures du champ instantané de vitesse et de température par vélocimétrie à 2 fils chauds croisés et fil froid et par vélocimétrie laser à effet doppler. Les mesures sont pour l'essentiel réalisées dans le plan médian du jet. La notion de ligne centrale du jet est d'abord définie et quantifiée. Ensuite une approche métrologique originale permet de mesurer les grandeurs moyennes et leurs fluctuations dans un repère de Frénet porte par les lignes de courant. L’analyse statistique des fluctuations permet la détermination des échelles de turbulence, des flux turbulents et du nombre de Prandtl associé. L’analyse fréquentielle des données montre le caractère fortement instationnaire de l'écoulement. Une fréquence caractéristique émerge nettement des que la vitesse du jet est suffisante. Elle correspond à un nombre de Strouhal de 0. 1. La simulation numérique en volumes finis est menée selon une approche stationnaire puis instationnaire. La solution stationnaire ne converge pas vers la moyenne des solutions instationnaires qui se révèle seule en très bonne concordance avec l'expérience, tant sur les valeurs moyennes que sur la prédiction des structures spatio-temporelles. L’émission par une buse rectangulaire ne modifie pas qualitativement l'organisation spatiale et temporelle de l'écoulement observé en buse circulaire. En revanche, la synthèse de nos résultats permet d'une part de préciser quantitativement les champs de vitesse et de température dans la configuration étudiée et d'autre part, de compléter la description habituellement admise de l'évolution temporelle des deux vortex contrarotatifs marquant le développement du jet.

La cavité rectangulaire est une géométrie simple qui engendre un écoulement fortement complexe directement lié au rapport d’allongement L/D. Suivant la longueur de la cavité, l’écoulement peut en effet présenter une, deux voire même plusieurs zones recirculées. La mise en place de ces mécanismes dynamiques jouant un rôle premier au niveau des échanges thermiques ou de l’apparition de phénomènes acoustiques, l’étude de la transition d’un écoulement monocellulaire à un écoulement bicellulaire est riche d’enseignements. Ces travaux ont pour objectif d’obtenir une caractérisation complète des différents régimes d’écoulements pouvant se mettre en place au sein d’une cavité rectangulaire et d’analyser les mécanismes de mise en place des zones recirculées inhérents à chaque régime. L’influence du rapport d’allongement L/D à ce niveau est particulièrement observée. Afin d’accéder aux données spécifiques de l’écoulement pour les différentes configurations, de multiples techniques de mesure sont utilisées à chaque stade de la caractérisation. La vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV) et la vélocimétrie par images de particules (PIV) permettent, entre autres, d’obtenir une représentation globale moyenne et instantanée de l’écoulement ainsi qu’une analyse plus fine au niveau instationnaire des détachements tourbillonnaires et de l’évolution des structures cohérentes issues de la couche cisaillée. A cette analyse expérimentale s’ajoute une détermination des paramètres numériques nécessaires à l’obtention des simulations correctes du champs de vitesse moyennes pour de telles configurations. L’ensemble de ces résultats permet d’obtenir une base de données conséquente utilisable pour la validation de codes de calcul couramment mis en défaut dans ce type de configuration.

La résistivité électrique des roches est un paramètre sensible à leur nature, à la composition des fluides présents et à la température. A l’intérieur d’un volcan, elle peut varier dans le temps sous l’effet de différents phénomènes. Cette dynamique interne peut donc être appréhendée avec des mesures, répétées dans le temps, qui permettent d'accéder à la distribution des résistivités électriques en profondeur. Ces approches, décrites dans ce chapitre, restent encore expérimentales, mais elles viennent progressivement enrichir l'arsenal des méthodes de surveillance.