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This thesis is an experimental work on gravity induced flows through an orifice.The first part of this manuscript deals with flows of Newtonian fluids. A recent study showed that for flows of low-viscosity fluids through an orifice the size of which is close to the capillary length, the effect of wetting is significant. Wetting conditions impact both flow rate and jet shape. During this thesis, an original method has been developed using a photosensitive resin as surface coating to vary the wetting conditions of the outer surface of the tank bottom plate continuously. Thanks to this method, it was shown that most likely the parameter monitoring the output flow rate is the static contact angle that the outgoing fluid forms on the material of this surface. It was established the conditions for the existence of a jet deformation and showed that this disturbance originates from the coupling between wetting and generation of turbulence within the orifice related to the phenomenon of vena contracta.The second part of this manuscript deals with flows of viscoelastic fluids. Drainage experiments carried out with these solutions reveal that they exhibit oscillating flow rate showing a very rich dynamic. Contrary to Newtonian fluids, in this case flows are controlled by the behaviour of the complex fluid inside the tank, and not at the outlet orifice. Two methods of visualization, flow- induced birefringence and PIV, were developed to explore the flow dynamics of wormlike micelle solutions inside the tank. These experiments show shear localisation within the wormlike micelle solutions. It is also observed that this shear zone moves inside the tank throughout the drainage process. The velocity field within the tank was measured as well, it demonstrates the complexity of the dynamics of these solutions, showing recirculation around the shear zone.; Cette thèse est une étude expérimentale des écoulements forcés de fluides sous leur propre poids à travers un orifice. La première partie traite des écoulements de fluides newtoniens. Une étude récente a montré que pour un écoulement de fluide peu visqueux à travers un orifice de taille comparable à la longueur capillaire, l'effet du mouillage était important. Il impacte le débit et la forme du jet. Nous avons développé une méthode originale utilisant d'une résine photosensible comme revêtement de surface afin de varier de façon continue les conditions de mouillage de la surface extérieure de la plaque de fond du réservoir. Ainsi, nous avons montré que le paramètre contrôlant du débit est très probablement l'angle de contact statique formé par le fluide sur le matériau constituant cette surface. Nous avons établi les conditions d'existence de la déformation du jet et montré que cette perturbation est induite par un couplage entre le mouillage et la génération de turbulence à l'intérieur de l'orifice, liée au phénomène de vena contracta. La seconde partie de cette thèse porte sur les écoulements de fluides viscoélastiques. Les expériences menées révèlent que ces solutions présentent un débit oscillant dévoilant ainsi une dynamique très riche. Contrairement aux fluides newtoniens, l'écoulement est piloté par le comportement du fluide complexe à l'intérieur de la cuve, et non au niveau de l'orifice. Deux méthodes de visualisation : par biréfringence sous écoulement et par PIV, ont été mises au point pour explorer la dynamique des écoulements de solutions de micelles géantes à l'intérieur de la cuve. Ces expériences ont permis de montrer que le cisaillement du fluide dans la cuve était très localisé et que la zone de cisaillement se déplace tout au long de la vidange. Nous avons également pu mesurer le champ de vitesse au sein de la cuve. Ces mesures ont pu démontrer la complexité de la dynamique du fluide, qui présente notamment des recirculations autour de la zone de cisaillement.

This thesis is an experimental work on gravity induced flows through an orifice.The first part of this manuscript deals with flows of Newtonian fluids. A recent study showed that for flows of low-viscosity fluids through an orifice the size of which is close to the capillary length, the effect of wetting is significant. Wetting conditions impact both flow rate and jet shape. During this thesis, an original method has been developed using a photosensitive resin as surface coating to vary the wetting conditions of the outer surface of the tank bottom plate continuously. Thanks to this method, it was shown that most likely the parameter monitoring the output flow rate is the static contact angle that the outgoing fluid forms on the material of this surface. It was established the conditions for the existence of a jet deformation and showed that this disturbance originates from the coupling between wetting and generation of turbulence within the orifice related to the phenomenon of vena contracta.The second part of this manuscript deals with flows of viscoelastic fluids. Drainage experiments carried out with these solutions reveal that they exhibit oscillating flow rate showing a very rich dynamic. Contrary to Newtonian fluids, in this case flows are controlled by the behaviour of the complex fluid inside the tank, and not at the outlet orifice. Two methods of visualization, flow- induced birefringence and PIV, were developed to explore the flow dynamics of wormlike micelle solutions inside the tank. These experiments show shear localisation within the wormlike micelle solutions. It is also observed that this shear zone moves inside the tank throughout the drainage process. The velocity field within the tank was measured as well, it demonstrates the complexity of the dynamics of these solutions, showing recirculation around the shear zone.; Cette thèse est une étude expérimentale des écoulements forcés de fluides sous leur propre poids à travers un orifice. La première partie traite des écoulements de fluides newtoniens. Une étude récente a montré que pour un écoulement de fluide peu visqueux à travers un orifice de taille comparable à la longueur capillaire, l'effet du mouillage était important. Il impacte le débit et la forme du jet. Nous avons développé une méthode originale utilisant d'une résine photosensible comme revêtement de surface afin de varier de façon continue les conditions de mouillage de la surface extérieure de la plaque de fond du réservoir. Ainsi, nous avons montré que le paramètre contrôlant du débit est très probablement l'angle de contact statique formé par le fluide sur le matériau constituant cette surface. Nous avons établi les conditions d'existence de la déformation du jet et montré que cette perturbation est induite par un couplage entre le mouillage et la génération de turbulence à l'intérieur de l'orifice, liée au phénomène de vena contracta. La seconde partie de cette thèse porte sur les écoulements de fluides viscoélastiques. Les expériences menées révèlent que ces solutions présentent un débit oscillant dévoilant ainsi une dynamique très riche. Contrairement aux fluides newtoniens, l'écoulement est piloté par le comportement du fluide complexe à l'intérieur de la cuve, et non au niveau de l'orifice. Deux méthodes de visualisation : par biréfringence sous écoulement et par PIV, ont été mises au point pour explorer la dynamique des écoulements de solutions de micelles géantes à l'intérieur de la cuve. Ces expériences ont permis de montrer que le cisaillement du fluide dans la cuve était très localisé et que la zone de cisaillement se déplace tout au long de la vidange. Nous avons également pu mesurer le champ de vitesse au sein de la cuve. Ces mesures ont pu démontrer la complexité de la dynamique du fluide, qui présente notamment des recirculations autour de la zone de cisaillement.

Giant micelle solutions are used in several industrial domains to increase the viscosity of solution. Their viscoelastic characteristic is beneficial for hydraulic fracturing of oil rocks because these solutions are able to transport sand and to keep it in suspension. This thesis examines the rheological properties of a commercial solution, designed for hydraulic fracturing. This solution is particularly difficult to characterize because its flows seem to be always unstable. We have developed a methodology to characterize it in the laminar regime and we have shown that this regime exists at room temperature only for very low shear rate values. Usually, the rheological behavior of this type of solution, in the linear regime, is predicted by the Maxwell model. We prove that the rheological behavior of the studied solution doesn’t match this model. We have designed a viscoelastic model that is compatible with experimental data.The origin of flow instabilities of these solutions is elastic. This phenomenon is widely studied in the literature. The rheological behavior in the nonlinear regime has characteristics specific to these solutions. In particular, the appearance of a stress plateau in the flow curve, preceded by a linear increase of stress with shear. The beginning of this plateau match the onset of instabilities at a critical shear rate. The feature of this solution is the low value of the stress plateau as well as the critical shear rate value. They are consistent with the value of rheological parameters obtained in laminar flow regimes. The effect of some physico-chemical parameters on rheology is also explored.; Les solutions de micelles géantes sont utilisées dans plusieurs domaines industriels pour augmenter la viscosité d'une solution. Elles présentent un caractère viscoélastique bénéfique pour la fracturation hydraulique des roches pétrolifères car elles permettent de transporter le sable et de le maintenir en suspension. Cette thèse étudie les propriétés rhéologiques d’une solution commerciale destinée à la fracturation hydraulique. Cette solution est particulièrement délicate à caractériser car ses écoulements semblent être toujours instables. Nous avons mis au point une méthodologie permettant de la caractériser en régime laminaire, et avons montré que ce régime n’existe à température ambiante que pour des très faibles valeurs de taux de cisaillement. Habituellement, le comportement rhéologique dans le régime linéaire de ce type de solution est prédit par le modèle de Maxwell. Nous mettons en évidence que le comportement rhéologique de la solution étudiée ne correspond pas à ce modèle. Nous avons établi un modèle viscoélastique compatible avec les données expérimentales.Les instabilités d’écoulement de ces solutions sont d’origine élastique. Ce phénomène est largement étudié dans la littérature. Le comportement rhéologique dans le domaine non linéaire possède des caractéristiques propres à ces solutions. Notamment l’apparition d’un plateau de contrainte dans la courbe d’écoulement, précédé par une augmentation linéaire de la contrainte avec le cisaillement. Le début de ce plateau coïncide avec le déclenchement des instabilités, on parle de taux de cisaillement critique. La particularité de cette solution est la valeur faible de la contrainte plateau ainsi que du taux de cisaillement critique. Les valeurs observées sont cohérentes avec la valeur des paramètres rhéologiques obtenus dans les régimes d’écoulement laminaire. L’effet de certains paramètres physico-chimiques sur la rhéologie est également exploré.

In EU, sludge production is increasing every year and is becoming a real challenge for the waste water treatment plants (WWTP). To reduce volumes and facilitate the reuse of organic matter, thermal drying is one of the most commonly used operations in large WWTP. Optimisation of the paddle dryer energy consumption can be obtained by an accurate control of the operating parameters, among which the residence time which is directly connected to the flow velocity in the dryer. Controlling the residence time implies the knowledge of the rheological parameters of sludge for total solid contents (TS) higher than 20 wt.% and their temperature dependency during drying. However, rheological measurements are difficult to perform at high TS as uncontrolled effects such as fractures and evaporation appear. Consequently, the obtained rheological measurements are not fully representative of a controlled state of the sludge.In this work, we show how to correct fractures impact with a well-controlled procedure allowing the exact determination of the surface really sheared in the range of strain 0-200 %, and so, of intrinsic rheological parameters. Moreover, we show how to control the evaporation of water at high temperatures, up to 80 °C, during at least 2 h of rheological measurements. These procedures are suitable for sludge having a pasty/plastic consistency and are compatible with any commercial rotational rheometer. Furthermore, above the plasticity limit TSP=43 wt.%, the studied sludge looks like a divided material that we characterize using a powder rheometer. The use of a powder rheometer, based on the Jenike principle and conventionally used in granular media, has been validated for the highest concentrations, in particular by means of a comparison with a conventional rheometer. Then, based on these procedures, the impact of concentration on the nature of sludge rheological behaviour has been investigated. We show the existence of 4 different regimes in the 2 48 wt.% TS range. Under 6 wt.% TS, the sludge is defined as a diluted suspension and the rheological behaviour is governed by viscous forces (physico-chemical and/or hydrodynamic interactions). When the TS content is higher than 14 but lower than 43 wt.%, the sludge looks like a pasty/plastic material and the behaviour is governed by frictional forces which manifested by the appearance of dilatancy. In the intermediate range of TS, that is 6-14 wt.%, the rheological behaviour is governed by a competition between viscous and frictional forces. Above 43 wt.%, the divided granular-like sludge behaves like a cohesive powder. We demonstrate that the relation between solid-like parameters (such as the yield stress) and the TS content can be modelled using a model combining a power and an Eilers laws. The power law dominates in the viscous regime, the Eilers law in the frictional regime and neither is dominant in the transitional regime. All of these results allowed us to propose a rheophysical scheme that links the rheological behaviour of the sludge to its consistency.; La production des boues résiduaires au niveau de l’Union Européenne ne cesse d’augmenter et devient un défi sociétal majeur. Pour réduire les volumes et faciliter la réutilisation de la matière organique, le séchage thermique est l’une des opérations les plus couramment mises en œuvre dans les stations d’épuration de grande capacité. Cependant le procédé reste énergivore : maîtriser la facture énergétique implique de contrôler les paramètres opératoires, parmi lesquels le temps de séjour, et donc la vitesse d’écoulement dans le sécheur. Contrôler le temps de séjour implique donc de connaître l’évolution des propriétés rhéologiques des boues au cours du séchage. Or, la littérature scientifique s’est avérée très peu documentée sur la caractérisation rhéologique des boues fortement concentrées, principalement en raison de difficultés techniques rencontrées pour effectuer les mesures telles que les fractures et l’évaporation lorsque les boues sont chauffées. Pour tenir compte de ces phénomènes perturbateurs, nous avons développé deux procédures expérimentales compatibles avec tous les rhéomètres rotatifs conventionnels. La première procédure dont le principe est basé sur la détermination de la surface réellement cisaillée, permet de corriger l’impact des fractures sur une gamme de déformations allant de 0 à 200 %. La deuxième procédure a pour objectif de limiter efficacement l’évaporation de l’eau jusqu’à 80 °C pendant au moins 2 h d’expérience. De plus, au-dessus de la limite de plasticité SiP =43 %, la boue étudiée devient un matériau granulaire-divisé. L’utilisation d’un rhéomètre à poudres, basée sur le principe de Jenike et classiquement utilisé dans les milieux granulaires, a ainsi été validée pour les plus fortes concentrations, notamment par la comparaison avec un rhéomètre classique. Ensuite, l’impact de la concentration sur la nature du comportement rhéologique a été évalué. Nous montrons qu’il existe 4 différents régimes dans la gamme de siccité allant de 2 à 48 %. Pour des siccités inférieures à 6 %, la boue est définie comme une suspension très diluée et son comportement rhéologique est dominé par les forces visqueuses (interactions physico-chimique et/ou hydrodynamique). Lorsque la siccité est dans la gamme 14-43 %, la boue ressemble à un matériau pâteux/plastique dont le comportement est régi par des forces frictionnelles qui se manifestent par l’apparition de la dilatance. Dans la gamme intermédiaire de siccité, 6-14 %, le comportement rhéologique de la boue est gouverné par une compétition entre les forces visqueuses et les forces de frictionnelles. Au delà de 43 %, la boue déshydratée de consistance granulaire se comporte comme une poudre cohésive. Nous démontrons que la relation entre les paramètres de type solide (comme la contrainte seuil) et la siccité peut être modélisée par un modèle composé d’une loi de puissance et d’une loi d’Eilers. La première composante domine dans le régime visqueux, la deuxième dans le régime frictionnel et aucune des deux composantes n’est dominante dans le régime intermédiaire. L'ensemble de ces résultats nous permet de construire un diagramme rhéophysique qui relie le comportement rhéologique de la boue à sa consistance.

In EU, sludge production is increasing every year and is becoming a real challenge for the waste water treatment plants (WWTP). To reduce volumes and facilitate the reuse of organic matter, thermal drying is one of the most commonly used operations in large WWTP. Optimisation of the paddle dryer energy consumption can be obtained by an accurate control of the operating parameters, among which the residence time which is directly connected to the flow velocity in the dryer. Controlling the residence time implies the knowledge of the rheological parameters of sludge for total solid contents (TS) higher than 20 wt.% and their temperature dependency during drying. However, rheological measurements are difficult to perform at high TS as uncontrolled effects such as fractures and evaporation appear. Consequently, the obtained rheological measurements are not fully representative of a controlled state of the sludge.In this work, we show how to correct fractures impact with a well-controlled procedure allowing the exact determination of the surface really sheared in the range of strain 0-200 %, and so, of intrinsic rheological parameters. Moreover, we show how to control the evaporation of water at high temperatures, up to 80 °C, during at least 2 h of rheological measurements. These procedures are suitable for sludge having a pasty/plastic consistency and are compatible with any commercial rotational rheometer. Furthermore, above the plasticity limit TSP=43 wt.%, the studied sludge looks like a divided material that we characterize using a powder rheometer. The use of a powder rheometer, based on the Jenike principle and conventionally used in granular media, has been validated for the highest concentrations, in particular by means of a comparison with a conventional rheometer. Then, based on these procedures, the impact of concentration on the nature of sludge rheological behaviour has been investigated. We show the existence of 4 different regimes in the 2 48 wt.% TS range. Under 6 wt.% TS, the sludge is defined as a diluted suspension and the rheological behaviour is governed by viscous forces (physico-chemical and/or hydrodynamic interactions). When the TS content is higher than 14 but lower than 43 wt.%, the sludge looks like a pasty/plastic material and the behaviour is governed by frictional forces which manifested by the appearance of dilatancy. In the intermediate range of TS, that is 6-14 wt.%, the rheological behaviour is governed by a competition between viscous and frictional forces. Above 43 wt.%, the divided granular-like sludge behaves like a cohesive powder. We demonstrate that the relation between solid-like parameters (such as the yield stress) and the TS content can be modelled using a model combining a power and an Eilers laws. The power law dominates in the viscous regime, the Eilers law in the frictional regime and neither is dominant in the transitional regime. All of these results allowed us to propose a rheophysical scheme that links the rheological behaviour of the sludge to its consistency.; La production des boues résiduaires au niveau de l’Union Européenne ne cesse d’augmenter et devient un défi sociétal majeur. Pour réduire les volumes et faciliter la réutilisation de la matière organique, le séchage thermique est l’une des opérations les plus couramment mises en œuvre dans les stations d’épuration de grande capacité. Cependant le procédé reste énergivore : maîtriser la facture énergétique implique de contrôler les paramètres opératoires, parmi lesquels le temps de séjour, et donc la vitesse d’écoulement dans le sécheur. Contrôler le temps de séjour implique donc de connaître l’évolution des propriétés rhéologiques des boues au cours du séchage. Or, la littérature scientifique s’est avérée très peu documentée sur la caractérisation rhéologique des boues fortement concentrées, principalement en raison de difficultés techniques rencontrées pour effectuer les mesures telles que les fractures et l’évaporation lorsque les boues sont chauffées. Pour tenir compte de ces phénomènes perturbateurs, nous avons développé deux procédures expérimentales compatibles avec tous les rhéomètres rotatifs conventionnels. La première procédure dont le principe est basé sur la détermination de la surface réellement cisaillée, permet de corriger l’impact des fractures sur une gamme de déformations allant de 0 à 200 %. La deuxième procédure a pour objectif de limiter efficacement l’évaporation de l’eau jusqu’à 80 °C pendant au moins 2 h d’expérience. De plus, au-dessus de la limite de plasticité SiP =43 %, la boue étudiée devient un matériau granulaire-divisé. L’utilisation d’un rhéomètre à poudres, basée sur le principe de Jenike et classiquement utilisé dans les milieux granulaires, a ainsi été validée pour les plus fortes concentrations, notamment par la comparaison avec un rhéomètre classique. Ensuite, l’impact de la concentration sur la nature du comportement rhéologique a été évalué. Nous montrons qu’il existe 4 différents régimes dans la gamme de siccité allant de 2 à 48 %. Pour des siccités inférieures à 6 %, la boue est définie comme une suspension très diluée et son comportement rhéologique est dominé par les forces visqueuses (interactions physico-chimique et/ou hydrodynamique). Lorsque la siccité est dans la gamme 14-43 %, la boue ressemble à un matériau pâteux/plastique dont le comportement est régi par des forces frictionnelles qui se manifestent par l’apparition de la dilatance. Dans la gamme intermédiaire de siccité, 6-14 %, le comportement rhéologique de la boue est gouverné par une compétition entre les forces visqueuses et les forces de frictionnelles. Au delà de 43 %, la boue déshydratée de consistance granulaire se comporte comme une poudre cohésive. Nous démontrons que la relation entre les paramètres de type solide (comme la contrainte seuil) et la siccité peut être modélisée par un modèle composé d’une loi de puissance et d’une loi d’Eilers. La première composante domine dans le régime visqueux, la deuxième dans le régime frictionnel et aucune des deux composantes n’est dominante dans le régime intermédiaire. L'ensemble de ces résultats nous permet de construire un diagramme rhéophysique qui relie le comportement rhéologique de la boue à sa consistance.

Giant micelle solutions are used in several industrial domains to increase the viscosity of solution. Their viscoelastic characteristic is beneficial for hydraulic fracturing of oil rocks because these solutions are able to transport sand and to keep it in suspension. This thesis examines the rheological properties of a commercial solution, designed for hydraulic fracturing. This solution is particularly difficult to characterize because its flows seem to be always unstable. We have developed a methodology to characterize it in the laminar regime and we have shown that this regime exists at room temperature only for very low shear rate values. Usually, the rheological behavior of this type of solution, in the linear regime, is predicted by the Maxwell model. We prove that the rheological behavior of the studied solution doesn’t match this model. We have designed a viscoelastic model that is compatible with experimental data.The origin of flow instabilities of these solutions is elastic. This phenomenon is widely studied in the literature. The rheological behavior in the nonlinear regime has characteristics specific to these solutions. In particular, the appearance of a stress plateau in the flow curve, preceded by a linear increase of stress with shear. The beginning of this plateau match the onset of instabilities at a critical shear rate. The feature of this solution is the low value of the stress plateau as well as the critical shear rate value. They are consistent with the value of rheological parameters obtained in laminar flow regimes. The effect of some physico-chemical parameters on rheology is also explored., Les solutions de micelles géantes sont utilisées dans plusieurs domaines industriels pour augmenter la viscosité d'une solution. Elles présentent un caractère viscoélastique bénéfique pour la fracturation hydraulique des roches pétrolifères car elles permettent de transporter le sable et de le maintenir en suspension. Cette thèse étudie les propriétés rhéologiques d’une solution commerciale destinée à la fracturation hydraulique. Cette solution est particulièrement délicate à caractériser car ses écoulements semblent être toujours instables. Nous avons mis au point une méthodologie permettant de la caractériser en régime laminaire, et avons montré que ce régime n’existe à température ambiante que pour des très faibles valeurs de taux de cisaillement. Habituellement, le comportement rhéologique dans le régime linéaire de ce type de solution est prédit par le modèle de Maxwell. Nous mettons en évidence que le comportement rhéologique de la solution étudiée ne correspond pas à ce modèle. Nous avons établi un modèle viscoélastique compatible avec les données expérimentales.Les instabilités d’écoulement de ces solutions sont d’origine élastique. Ce phénomène est largement étudié dans la littérature. Le comportement rhéologique dans le domaine non linéaire possède des caractéristiques propres à ces solutions. Notamment l’apparition d’un plateau de contrainte dans la courbe d’écoulement, précédé par une augmentation linéaire de la contrainte avec le cisaillement. Le début de ce plateau coïncide avec le déclenchement des instabilités, on parle de taux de cisaillement critique. La particularité de cette solution est la valeur faible de la contrainte plateau ainsi que du taux de cisaillement critique. Les valeurs observées sont cohérentes avec la valeur des paramètres rhéologiques obtenus dans les régimes d’écoulement laminaire. L’effet de certains paramètres physico-chimiques sur la rhéologie est également exploré.

In terms of energy saving, drag reduction hasan undeniable interest. In some cases drag reduction with additives can reach 80% compared to pure solvent. This phenomenon has applications in many fields suchas transportation of hydrocarbons and cooling and heating systems. Three systems which have the capacity to selforganizein aqueous or organic media have been studied in order to check their possible ability to reduce hydrodynamic friction.We worked on a polysoap (80C12) based on polystyrene skeleton to which tertiary amines bearing alkyls chains of 12 carbons. This compound formsmicelles in water whose cylindrical shape has been demonstrated by light scattering and Cryo-TEM. The studies of the mass transfer on a rotating disk electrode and the rheological results have showed for the 80C12solutions several characteristics attributed to the dragreducing additives.Rheological studies on the systems lecithin/decane and ionomers/toluene, highlight the viscoelastic properties of the anisotropic associations of these compounds., En termes d’économie d’énergie, la réduction de trainée revêt un intérêt indéniable. Dans certains cas, ce phénomène obtenu grâce à l’ajout dans le milieu de faibles quantités d’additifs peut atteindre une réduction du frottement à la paroi, en régime turbulent, allant jusqu’à 80% comparé au fluide seul. On le retrouve dans divers domaines d’applications telles quele transport des hydrocarbures et dans les circuits d’eau de chauffage et de refroidissement.Trois systèmes qui ont la capacité de s’autoorganiser en milieux aqueux ou organique ont été étudiés dans le but de vérifier leur possible aptitude à réduire le frottement hydrodynamique.On s’est intéressé à un polysavon (80C12) composé d’un squelette polystyrène auquel sont liées des amines tertiaires portant des chaines alkyles de 12 carbones. Ce composé forme des micelles dans l’eau dont la forme cylindrique a été mise en évidence par diffusion de la lumière et Cryo-MET. L’étude du transfert de masse sur une électrode à disque tournant et les résultats rhéologiques ont mis en évidence le caractère viscoélastique qui est responsable duphénomène de réduction de frottement hydrodynamique recherché.Des études rhéologiques réalisés sur les systèmes lécithine/décane et ionomère/toluène ont permis de mettre en évidence le caractère viscoélastique des associations anisotropes de ces composés.

With increasing focus on downsizing, high performances, low fuel consumption and emission reduction of modern vehicles, turbochargers of combustion engines have become more and more innovative and technological. Leader in this field, Honeywell Turbo Technologies is interested in two major lines of research regarding lubricated contacts. A delay in response time is frequently observed between the gas pedal push and the pressure rise of ambient air at the compressor wheel. It is called turbo lag. This phenomenon is mainly induced by a parasitic frictional torque existing in the thrust bearing contact. Penalizing turbochargers performances and drivability, the reduction of turbo lag constitutes a major concern for the automotive turbocharger industry. As an event constantly occurring on working engines, exhaust gas pulsations represent an essential line of research. Due to successive openings and closings of engine valves, these pulsations result in significant axial load variations applied to the turbocharger thrust bearing. Current sizing of thrust bearing design resting on steady state studies of critical on-engine cases, the influence of exhaust gas pulsations on the thrust bearing behavior needs to be determined. This thesis presents a thermohydrodynamic model of the thrust bearing contact applied to turbochargers. A Modified Reynolds equation is established and uses the Modified Phan-Thien and Tanner model. It connects rheological characteristics of current engine oils to the behavior of long polymeric chain additives they contain. The necessity for fluid inertia and oil recirculation to be considered is demonstrated. The influence of oil elasticity on energy dissipation within the contact is numerically analyzed. A compromise on the extent of oil elasticity can lead to a turbo lag reduction. In addition, a thrust bearing rig is developed to highlight the influence of exhaust gas pulsations on thrust bearing performances. Experimental results support dynamic effects predicted by simulations., En raison de la tendance grandissante du downsizing, des hautes performances, des réductions de la consommation et des émissions des véhicules modernes, la turbocompression des moteurs thermiques s’avère de plus en plus innovante et technologique. Leader dans ce domaine, Honeywell Turbo Technologies s’intéresse à deux axes de recherche majeurs des systèmes lubrifiés. Un délai temporel est couramment observé entre l’appui sur la pédale d’accélérateur et l’augmentation de la pression de l’air ambiant du côté de la roue compresseur. Il s’agit du décalage turbo ou turbo lag. Celui-ci a pour origine principale l’existence d’un couple de frottement parasite au sein de la butée. En ce qu’il pénalise les performances du turbo et limite le confort de conduite, la réduction du turbo lag constitue un enjeu majeur de l’industrie des turbocompresseurs automobiles. En tant que phénomène présent à chaque instant du fonctionnement du véhicule, les pulsations moteurs constituent également un axe de recherche primordial. Celles-ci proviennent des ouvertures et fermetures successives des soupapes des cylindres et résultent en d’importantes variations de la charge axiale appliquée à la butée du turbocompresseur. Or le dimensionnement actuel de la butée se basant sur l’étude stationnaire des cas critiques de la vie réelle du moteur, l’influence de ces pulsations sur le comportement de la butée doit être déterminée. Ce manuscrit présente une modélisation thermohydrodynamique du contact de la butée appliquée au cas des turbocompresseurs. Une équation de Reynolds modifiée est établie et intègre le modèle Modifié de Phan-Thien et Tanner. Elle relie les caractéristiques rhéologiques des huiles de moteurs actuelles au comportement macro-moléculaire des additifs à longues chaînes de polymères qu’elles contiennent. La nécessité de considérer les effets inertiels du fluide ainsi que la recirculation inter-patin est démontrée. L’influence de l’élasticité du lubrifiant sur la dissipation d’énergie au sein du contact est analysée numériquement. Il est montré qu’un compromis sur l’élasticité du lubrifiant peut mener à une réduction du turbo lag. De plus, un banc d’essai est développé en régime transitoire afin de mettre en évidence l’influence des pulsations moteurs sur les performances de la butée. Les résultats obtenus expérimentalement corroborent les effets dynamiques observés par les prédictions numériques.

La caractérisation rhéologique des matériaux alimentaires est depuis longtemps une préoccupation importante de l'industrie alimentaire. De nombreuses méthodes, souvent empiriques, ont été proposées et sont encore employées qui permettent d'apporter des réponses pertinentes à certaines questions spécifiques. Les développements relativement récents de l'instrumentation rhéologique ont conduit à de nouvelles avancées du point de vue de la caractérisation de ces matériaux, que ce soit en viscosimétrie ou en viscoélasticité linéaire. Nous montrons ici à travers quelques exemples (solutions de polysaccharides, gels de biopolymères, suspensions d'amidon, mélanges de biopolymères, pâtes de farine) comment l'étude du comportement viscoélastique en régime linéaire permet d'appréhender la structure des matériaux alimentaires, souvent en combinaison avec d'autres méthodes d'étude structurale, comme la microscopie. Si la mise en oeuvre des mesures rhéologiques reste relativement facile, l'interprétation des comportements viscoélastiques se heurte toutefois aux difficultés inhérentes à la nature de ces matériaux, en particulier la variabilité biologique ou la complexité des formulations, et reste souvent relativement descriptive. On montre toutefois qu'en accédant à des échelles de temps (ou de fréquences) suffisamment étendues, il est possible d'obtenir des indications sur les interactions mises en jeu dans ces systèmes.

Sol-gel transition of polymer gels is a transition between a liquid phase (sol) and a solid phase (gel). The static properties of such gels seem to be well described by the percolation theory ; on contrary, viscoelastic properties present a large variety of behaviours at the sol-gel threshold. To study the precursor chemical structure effects on the dynamic properties of polymers at the sol-gel transition, we synthesized two polydimethylsiloxane (PDMS) systems. Our first results tend to show that crosslinker chemical structure influences the critical exponent values, characteristic of the sol-gel transition. After a comparison with the literature results, the first interpretation we propose points out two transitions, defining three behaviour domains. The percolation mechanism seems to be determined by the ratio of the number of Kuhn segments between branched points to the one between entanglements. In order to study the dynamic behaviour of such gels at high frequencies, we developed an ultrasonic characterization method. This method, coupled with classical rheological one, allowed us to characterize the honey, standard viscoelastic material, on a large frequency range., La transition sol-gel des gels polymères traduit le passage d'une phase liquide (sol) à une phase solide (gel). Les propriétés statiques de tels gels semblent être correctement décrites par la théorie de percolation ; en revanche, les propriétés viscoélastiques présentent une grande variété de comportements à la transition sol-gel. Pour étudier l'influence de la structure chimique des précurseurs sur les propriétés dynamiques des polymères à la transition sol-gel, nous avons synthétisé deux systèmes polydiméthylsiloxanes (PDMS). Nos premiers résultats tendent à montrer que la structure chimique du réticulant n'influe pas sur les exposants critiques caractérisant la transition sol-gel. Après confrontation de nos résultats à ceux de la littérature, l'interprétation que nous proposons met en évidence deux transitions définissant ainsi trois domaines de comportement. Le mécanisme de percolation des gels PDMS semble être déterminé par le rapport du nombre de segments de Kuhn entre points de branchement sur celui entre enchevêtrements. Dans le but d'étudier le comportement dynamique de tels gels aux hautes fréquences, nous avons développé une méthode de caractérisation ultrasonore. Cette méthode, couplée à une méthode rhéologique classique, a permis la caractérisation sur une large gamme de fréquences d'un matériau viscoélastique étalon, le miel.

Sol-gel transition of polymer gels is a transition between a liquid phase (sol) and a solid phase (gel). The static properties of such gels seem to be well described by the percolation theory ; on contrary, viscoelastic properties present a large variety of behaviours at the sol-gel threshold. To study the precursor chemical structure effects on the dynamic properties of polymers at the sol-gel transition, we synthesized two polydimethylsiloxane (PDMS) systems. Our first results tend to show that crosslinker chemical structure influences the critical exponent values, characteristic of the sol-gel transition. After a comparison with the literature results, the first interpretation we propose points out two transitions, defining three behaviour domains. The percolation mechanism seems to be determined by the ratio of the number of Kuhn segments between branched points to the one between entanglements. In order to study the dynamic behaviour of such gels at high frequencies, we developed an ultrasonic characterization method. This method, coupled with classical rheological one, allowed us to characterize the honey, standard viscoelastic material, on a large frequency range.; La transition sol-gel des gels polymères traduit le passage d'une phase liquide (sol) à une phase solide (gel). Les propriétés statiques de tels gels semblent être correctement décrites par la théorie de percolation ; en revanche, les propriétés viscoélastiques présentent une grande variété de comportements à la transition sol-gel. Pour étudier l'influence de la structure chimique des précurseurs sur les propriétés dynamiques des polymères à la transition sol-gel, nous avons synthétisé deux systèmes polydiméthylsiloxanes (PDMS). Nos premiers résultats tendent à montrer que la structure chimique du réticulant n'influe pas sur les exposants critiques caractérisant la transition sol-gel. Après confrontation de nos résultats à ceux de la littérature, l'interprétation que nous proposons met en évidence deux transitions définissant ainsi trois domaines de comportement. Le mécanisme de percolation des gels PDMS semble être déterminé par le rapport du nombre de segments de Kuhn entre points de branchement sur celui entre enchevêtrements. Dans le but d'étudier le comportement dynamique de tels gels aux hautes fréquences, nous avons développé une méthode de caractérisation ultrasonore. Cette méthode, couplée à une méthode rhéologique classique, a permis la caractérisation sur une large gamme de fréquences d'un matériau viscoélastique étalon, le miel.

In order to study viscoelastic behavior of three different kinds of inorganic glasses (window glass, Te2-Se3-As5 chalcogenide glass and Zr based bulk metallic glass) in their glass transition range, we developed a high temperature load-depth-sensing micro-indentation device. Due to its difficulty to measure accurately both load and displacement at high temperature, only few studies have attempted to determine the key parameters of viscoelastic flow with this technique. This apparatus allows to perform creep indentation tests with several geometries of indenter (spherical, cylindrical and Vickers) up to 1100 ° C with a maximum load of 15 N. Creep indentation tests were conducted on a standard window glass to measure its viscosity between 540 and 640 ° C and the influence of the load and the indenter geometry on the measurement was also studied. Viscosity with respect to temperature was in good agreement with other results from literature, independently from indenter geometry or load we used. The same analysis was conducted on the two other glasses in the vicinity of their glass transition.; Afin d'étudier le comportement viscoélastique de trois types de verres inorganiques (verre à vitre, verre de chalcogénures Te-Se-As et verre métallique massif à base de Zr) autour de leur température de transition vitreuse, nous avons développé un dispositif de micro-indentation instrumentée. Compte tenu de la difficulté de mesurer précisément à la fois le déplacement et la charge à haute température, la détermination des paramètres viscoélastiques d'un matériau par cette technique a été l'objet de peu d'études. Notre dispositif permet d'effectuer des essais d'indentation fluage jusqu'à 1100 ° C avec des indenteurs de géométries diverses jusqu'à des charges de 15 N. Des essais d'indentation fluage ont été réalisés sur les trois différents verres afin de mesurer leur viscosité et leur propriétés élastiques en température. Les résultats obtenus montrent une bonne correspondance avec ceux issus de la littérature, quelles que soient la charge et la géométrie de l'indenteur employé.

In order to study viscoelastic behavior of three different kinds of inorganic glasses (window glass, Te2-Se3-As5 chalcogenide glass and Zr based bulk metallic glass) in their glass transition range, we developed a high temperature load-depth-sensing micro-indentation device. Due to its difficulty to measure accurately both load and displacement at high temperature, only few studies have attempted to determine the key parameters of viscoelastic flow with this technique. This apparatus allows to perform creep indentation tests with several geometries of indenter (spherical, cylindrical and Vickers) up to 1100 ° C with a maximum load of 15 N. Creep indentation tests were conducted on a standard window glass to measure its viscosity between 540 and 640 ° C and the influence of the load and the indenter geometry on the measurement was also studied. Viscosity with respect to temperature was in good agreement with other results from literature, independently from indenter geometry or load we used. The same analysis was conducted on the two other glasses in the vicinity of their glass transition., Afin d'étudier le comportement viscoélastique de trois types de verres inorganiques (verre à vitre, verre de chalcogénures Te-Se-As et verre métallique massif à base de Zr) autour de leur température de transition vitreuse, nous avons développé un dispositif de micro-indentation instrumentée. Compte tenu de la difficulté de mesurer précisément à la fois le déplacement et la charge à haute température, la détermination des paramètres viscoélastiques d'un matériau par cette technique a été l'objet de peu d'études. Notre dispositif permet d'effectuer des essais d'indentation fluage jusqu'à 1100 ° C avec des indenteurs de géométries diverses jusqu'à des charges de 15 N. Des essais d'indentation fluage ont été réalisés sur les trois différents verres afin de mesurer leur viscosité et leur propriétés élastiques en température. Les résultats obtenus montrent une bonne correspondance avec ceux issus de la littérature, quelles que soient la charge et la géométrie de l'indenteur employé.

The subject of this thesis is the description of the dynamics of free boundaries in fluid mechanics within a phase field approach. The first part is devoted to the numerical method: both the general principle and the algorithm are presented. In the second part, we study the deformation and breakup of viscoelastic isolated drops submitted to an axisymmetric flow of elongation. In the stationary regime, we highlighted a curvature inversion at the tip of the drop, due to a localization of viscoelastic stresses. We also highlighted the independence of the breakup thresholds with respect to viscoelasticity, whereas the dynamics itself is strongly affected. The dynamics of two dimensional vesicles under shear flow is considered in the third part of this document. We have studied the limitations of the phase field approach for isolated vesicles. Then, we have highlighted the existence of a maximum in the lift force on the vesicle near a deformable substrate. These results are supported by a lubrication analysis. Finaly, a preliminary study of the blending of diphasic liquids is presented in the last part, in two dimensions., L'objectif de cette thèse est de parvenir à décrire la dynamique d'interfaces libres en mécanique des fluides, dans le cadre d'une modélisation par la méthode du champ de phase. La première partie est consacrée à la méthode numérique : le principe général et l'algorithme utilisé sont présentés. Dans la seconde partie, nous étudions la déformation et la rupture de gouttes viscoélastiques isolées soumises à un écoulement d'élongation axisymétrique. Dans le régime stationnaire, nous avons mis en évidence une inversion de courbure au niveau de l'extrémité de la goutte, due à une localisation des contraintes viscoélastiques. Nous avons montré que les seuils de perte de stabilité des gouttes n'étaient pas affectés par la viscoélasticité, contrairement à la dynamique de rupture. La dynamique de vésicules bidimensionnelles sous cisaillement fait l'objet de la troisième partie. Nous avons étudié la pertinence de la modélisation en champ de phase pour une vésicule isolée, puis nous avons mis en évidence l'existence d'un maximum dans la force de portance au voisinage d'une paroi déformable. Ces résultats sont supportés par un calcul de lubrification. Enfin, la dernière partie consiste en une étude préliminaire sur le mélange de liquides diphasiques à deux dimensions.

We experimentally investigated the helical and chaotic instabilities of two polystyrenes and a polypropylene, with two extrusion devices: a capillary rheometer and a transparent slit die fed by an extruder, where birefringence experiments and laser-Doppler velocimetry measurements are feasible. In the last case, the flow geometry consists in a reservoir, followed by a contraction and a slit. In capillary rheometry, we focused on the flow conditions influence (diameter, lenght, entry angle die, temperature...) on the helical instability onset. In birefringence experiments, we observed isochromatic fringe oscillations in the reservoir: in this unsteady regime, the main flow reaches the contraction asymmetrically. The use of a smooth entry convergent permits to postpone the defect occurrence to flow rates seven times higher than with an abrupt contraction. Moreover, we measured, on the reservoir axis, the first normal stress difference and the elongation rates in critical flow conditions, by flow birefringence and laser-Doppler velocimetry, respectively. Finite elements simulations, using a viscoelasticity model, were performed to calculate elongational stresses around the contraction, for critical flow conditions relative to instability onset.; Nous étudions expérimentalement les instabilités hélicoïdales et chaotiques, des défauts d'extrusion de polymères fondus, sur deux polystyrènes et un polypropylène à l'aide de deux dispositifs expérimentaux: un rhéomètre capillaire et une extrudeuse monovis, munie d'une filière plate à parois transparentes, permettant d'effectuer des mesures de biréfringence d'écoulement et de vélocimétrie laser-Doppler. Dans ce dernier cas, on dispose d'une géométrie d'écoulement constituée d'un réservoir, suivi d'une contraction et d'un canal d'écoulement. En rhéométrie capillaire, nous avons étudié l'influence des conditions d'écoulement (diamètre, longueur, angle d'entrée de la filière, température...) sur le déclenchement de l'instabilité hélicoïdale. Les essais de biréfringence ont permis l'observation d'oscillations transverses d'isochromes dans le réservoir: lors de ce régime instable, l'écoulement principal a lieu de façon non symétrique dans le canal. On montre également que l'utilisation de "convergent doux" permet de repousser la déstabilisation de l'écoulement d'entrée à des débits sept fois plus importants que dans le cas d'une contraction brusque. On s'attache à mesurer, sur l'axe de symétrie du réservoir, des premières différences de contraintes normales et de taux de déformation dans les conditions critiques propres à l'initiation du défaut, par biréfringence d'écoulement et vélocimétrie laser-Doppler, respectivement. Des calculs viscoélastiques de l'écoulement par éléments finis ont également permis l'estimation de la répartition des contraintes élongationnelles autour de la contraction, dans les conditions critiques d'apparition de l'instabilité.

We experimentally investigated the helical and chaotic instabilities of two polystyrenes and a polypropylene, with two extrusion devices: a capillary rheometer and a transparent slit die fed by an extruder, where birefringence experiments and laser-Doppler velocimetry measurements are feasible. In the last case, the flow geometry consists in a reservoir, followed by a contraction and a slit. In capillary rheometry, we focused on the flow conditions influence (diameter, lenght, entry angle die, temperature...) on the helical instability onset. In birefringence experiments, we observed isochromatic fringe oscillations in the reservoir: in this unsteady regime, the main flow reaches the contraction asymmetrically. The use of a smooth entry convergent permits to postpone the defect occurrence to flow rates seven times higher than with an abrupt contraction. Moreover, we measured, on the reservoir axis, the first normal stress difference and the elongation rates in critical flow conditions, by flow birefringence and laser-Doppler velocimetry, respectively. Finite elements simulations, using a viscoelasticity model, were performed to calculate elongational stresses around the contraction, for critical flow conditions relative to instability onset.; Nous étudions expérimentalement les instabilités hélicoïdales et chaotiques, des défauts d'extrusion de polymères fondus, sur deux polystyrènes et un polypropylène à l'aide de deux dispositifs expérimentaux: un rhéomètre capillaire et une extrudeuse monovis, munie d'une filière plate à parois transparentes, permettant d'effectuer des mesures de biréfringence d'écoulement et de vélocimétrie laser-Doppler. Dans ce dernier cas, on dispose d'une géométrie d'écoulement constituée d'un réservoir, suivi d'une contraction et d'un canal d'écoulement. En rhéométrie capillaire, nous avons étudié l'influence des conditions d'écoulement (diamètre, longueur, angle d'entrée de la filière, température...) sur le déclenchement de l'instabilité hélicoïdale. Les essais de biréfringence ont permis l'observation d'oscillations transverses d'isochromes dans le réservoir: lors de ce régime instable, l'écoulement principal a lieu de façon non symétrique dans le canal. On montre également que l'utilisation de "convergent doux" permet de repousser la déstabilisation de l'écoulement d'entrée à des débits sept fois plus importants que dans le cas d'une contraction brusque. On s'attache à mesurer, sur l'axe de symétrie du réservoir, des premières différences de contraintes normales et de taux de déformation dans les conditions critiques propres à l'initiation du défaut, par biréfringence d'écoulement et vélocimétrie laser-Doppler, respectivement. Des calculs viscoélastiques de l'écoulement par éléments finis ont également permis l'estimation de la répartition des contraintes élongationnelles autour de la contraction, dans les conditions critiques d'apparition de l'instabilité.

We show that the linear viscoelastic materials, and more generally the physical phenomena to which Biot's relaxation theory is relevant, can be put in correspondance with the laws of processes with independent increments. In the one dimensional case this correspondence is one to one with subordinators and gives rise naturally to a conjugation relation on subordinators.

Not available, Cette thèse présente une modélisation du comportement mécanique de certains matériaux composites élastiques ou viscoélastiques, par des techniques d'homogénéisation appliquées à la structure osseuse. On s'intéresse à la structure fibreuse de l'os compact et à la structure poreuse de l'os spongieux. La première partie du mémoire étudie l'homogénéisation de plusieurs structures fibreuses périodiques à comportement élastique, présentant différents types d'arrangement et d'orientation et plusieurs échelles en 3D. La seconde partie étend l'étude précédente au comportement viscoélastique des mêmes structures en 2D. La troisième partie applique les résultats théoriques précédents à la structure osseuse elle même. L’os compact est modélisé par un matériau fibreux multi-échelles. À l'échelle la plus fine, la structure fibreuse considérée est représentée par des lamelles simulant la paroi des ostéons. L’échelle la plus grossière est constituée par l'os lui même, dont les ostéons sont les fibres. Les résultats numériques de ces diverses modélisations sont représentés dans le cadre élastique. Des résultats numériques concernant le cadre viscoélastique en 2D sont également présentés.

We present a new rheometer which allows one to measure: for viscoelastic fluids, the static viscosity ranging from 3×10 −2 to 10 5 P within 2%, for viscoelastic solid, the static elasticity ranging from 10 −2 to 10 4 dynes/cm 2 within 10%, the longest viscoelastic relaxation time within 10%, in time range larger than 4×10 −2 s On presente un rheometre permettant de mesurer la viscosite statique d'un fluide viscoelastique (precision de 2% entre 3×10 −2 et 10 5 poises (P)), le module elastique statique d'un solide viscoelastique (precision de 10% entre 10 −2 et 10 4 dynes/cm 2 ) et le temps de relaxation le plus long d'un corps viscoelastique (avec une precision de 10% pour des temps de relaxation ≥4×10 −2 s)

This thesis focuses on the study of the rheological behavior of confined fluids. For this purpose, the microcantilever of an atomic force microscope (AFM) is used to probe the rheological properties of a fluid confined between two surfaces, the surface of a sphere glued to the free-end of the AFM microcantilever and a flat solid surface on which the fluid is deposited. The set-up consists of an AFM, an electrical system for the deflection measurement and a piezoelectric device to move the solid surface (approach, oscillation, etc.). An analytical model allows to determine the rheological properties of the confined fluid from the measurement of the microcantilever deflection due to the hydrodynamic force exerted by the fluid on the sphere. This method has been validated for Newtonian fluids. For non-Newtonian fluids, such as polyacrylamide solution, we found that the viscosity depends on the distance D between the sphere and the plane surface and the shear rate is not the only relevant parameter for interpreting the rheological properties., Ce travail porte sur l'étude du comportement rhéologique de fluide en milieu confiné. Pour cela le levier d'un microscope à force atomique (AFM) est utilisé pour sonder les propriétés rhéologiques d'un fluide confiné entre deux surfaces : la surface d'une sphère collée à l'extrémité du levier et une surface plane sur lequel le fluide est déposé. Le dispositif expérimental est constitué du système de mesure d'un AFM et d'un piézoélectrique permettant d'approcher ou d'éloigner de la sphère la surface plane. Un modèle analytique permet d'extraire les propriétés rhéologiques du fluide confiné à partir de la déflexion du levier induite par le pincement du fluide. Cette méthode a été validée pour les fluides newtoniens. Par contre pour les fluides non-newtoniens comme par exemple la solution de polyacrylamide nous avons trouvé que la viscosité dépend de la distance D et que le cisaillement n'est pas le seul paramètre pertinent pour interpréter les propriétés rhéologiques.