Dissertationen zum Thema „Suspensions de particules“

Cette thèse porte sur la dynamique de particules inertielles suspendues dans des écoulements de fluide turbulents régis par les équations de Navier-Stokes incompressibles. La compréhension du transport de ces particules est importante dans un grand nombre d’applications, comme la croissance de planétésimaux par accrétion, l'évolution du plancton dans les océans, la croissance de cristaux de glace dans les nuages ou encore la sédimentation d’impuretés dans les conduites. Malgré la présence de ces particules dans de nombreux processus industriels ou naturels, leur dynamique reste un sujet mal compris. Le but de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension de certains aspects impliquant le transport de particules inertielles dans des écoulements turbulents en utilisant notamment les résultats de simulations numériques directes. Elle est divisée en quatre chapitres. Le premier est consacré à une introduction des motivations, des méthodes numériques utilisées ainsi qu'à une revue des résultats déjà connus sur ce sujet. Le deuxième chapitre porte sur la généralisation du phénomène de turbophorèse au cas d'écoulements homogènes et isotropes, et vient donc compléter une approche essentiellement utilisée pour les écoulements inhomogènes. Il est notamment montré que malgré leur moyenne uniforme, les fluctuations turbulentes locales mènent à des inhomogénéités dans la distribution des particules aux échelles inertielles. Ensuite, le troisième chapitre se consacre à l'accrétion de particules inertielles par une sphère dans un écoulement moyen. Dans un premier temps, il est montré que des rebonds inélastiques de particules ponctuelles sur la surface de la sphère ne sont pas suffisants pour observer un effondrement inélastique si elles ne sont soumises qu'à une force de traînée visqueuse. Dans un second temps l’étude de petites particules soumises à une force de gravité montre des efficacités d'accrétion non triviales avec notamment des collisions observées à l'arrière du collecteur. Enfin, le dernier chapitre s'intéresse à des particules de taille finie suspendues dans un écoulement turbulent en canal plan, soumises à leur force de traînée visqueuse et à une force de lubrification proche des parois. Un étude statistique de la distribution de particules et de leurs collisions avec les parois permet alors d’améliorer la compréhension des mécanismes de déposition
This thesis focuses on the dynamics of inertial particles suspended in turbulent fluid flows that are governed by the incompressible Navier-Stokes equations. Understanding the transport of these particles is important in a number of applications, such as the growth of planetesimals by accretion, the evolution of plankton in the oceans, the growth of ice crystals in clouds or the sedimentation of impurities in pipes. Despite the presence of these particles in many industrial or natural processes, their dynamics remain a poorly understood subject. The aim of this thesis is to contribute to a better understanding of certain aspects involving the transport of inertial particles in turbulent flows, using in particular the results of direct numerical simulations. It is divided into four chapters. The first is devoted to an introduction to the motivations, the numerical methods used, as well as to a review of the results already known on this topic. The second chapter deals with the generalization of the phenomenon of turbophoresis in the case of homogeneous and isotropic flows, and therefore completes an approach mainly used for inhomogeneous flows. In particular, it is shown that despite their uniform mean, local turbulent fluctuations lead to inhomogeneities in the distribution of particles at inertial scales. Then, the third chapter is devoted to the accretion of inertial particles by a sphere embedded in a mean flow. First, it is shown that inelastic bounces of point particles on the surface of the sphere are not sufficient to lead to inelastic collapse, when they are subjected only to a viscous drag force. Secondly, the study of small particles subjected to the force of gravity, shows non-trivial accretion efficiencies, with in particular collisions observed at the back of the collector. Finally, the last chapter deals with particles of finite sizes suspended in a turbulent channel flow and subject to their viscous drag force and to a lubricating force close to the walls. A statistical study of the distribution of particles and of their collisions with the walls then improves the understanding of deposition mechanisms

Les purées de fruits et légumes sont considérées dans ce travail comme des suspensions concentrées de particules végétales déformables suspendues dans une phase aqueuse non-Newtonienne, riche en sucre et en pectines solubles. Par une approche de type sciences des matériaux, ce travail a pour but de mieux comprendre et modéliser les relations structure-propriétés de ces systèmes à base de végétaux transformés.Pour limiter les facteurs de variabilité liés à la variété, la maturité ou au procédé de transformation des fruits, un lot unique de purée de pommes Golden Delicious a été utilisé pour l’intégralité de ce travail.L’utilisation de traitements mécaniques variables a permis de mettre en avant l’importance des paramètres de structures sur les propriétés rhéologiques des suspensions de particules végétales et de confirmer l’impact de premier ordre de la concentration en particules sur les propriétés rhéologiques. Trois domaines de concentration ont été mis en évidence et modélisés, permettant ainsi de proposer une définition de la fraction volumique pour ces particules végétales molles et très déformables, la fraction volumique des suspensions de particules végétales ne faisant pas encore consensus en littérature. La définition proposée dans ce travail permet, à phase continue équivalente, d’obtenir une courbe maitresse regroupant les différentes distributions de taille de particules sur toutes les gammes de concentration étudiées.Afin de mieux appréhender l’impact de la phase continue sur le comportement rhéologique des suspensions de particules végétales, des particules modèles ont été mises au point à partir du lot de purée réelle et suspendues dans cinq phases aqueuses modèles variant en viscosité, en composition et en force ionique. Les résultats de cette étude permettent de conclure que les propriétés élastiques des suspensions concentrées sont essentiellement gouvernées par les interactions entre les particules, la phase continue ayant un impact négligeable. Le rôle lubrifiant de la phase continue en domaine concentré a pu être mis en évidence par les mesures de seuil d’écoulement et par les mesures de viscosité.Une approche originale combinant particules modèles, microscopie confocale et reconstitution 3D a permis d’accéder aux modifications morphologiques subies par les particules en milieu très concentré, donnant ainsi accès aux ordres de grandeurs de diminution de volume subie par les particules lors de l’encombrement du système.Ce travail a également permis d’aboutir à la proposition d’une loi d’écoulement permettant de modéliser la dépendance de la viscosité à la fraction volumique occupée par les particules végétales, sur une large gamme de concentration. Ce modèle représente une avancée certaine dans la compréhension de ces systèmes, aucun modèle comparable n’avait encore été proposé dans la littérature sur ce type de particules
In this work, fruit and vegetable purees are considered as concentrated suspensions of soft, deformable plant particles, suspended in a non-Newtonian aqueous phase, containing sugar and soluble pectins. Using a materials science approach, this work aims in better understanding and modelling the structure/properties relationships of plant based processed systems.A single batch of Golden Delicious apple puree was used in this work to avoid variability related to variety, maturity or processing method.Mechanical treatments were used to highlight the impact of structural parameters on the rheological behaviour of plant particles suspensions. It confirms the first order impact of particle concentration on rheological properties. Three concentration domains have been identified and modelled, allowing to provide a definition of the volume fraction for these soft and highly deformable plant particles. The volume fraction of plant particle suspensions is not forming consensus yet in literature. The definition proposed in this work allows to built a master curve bringing together the different particle size distributions, all over the concentrations studied.To understand the impact of the continuous phase on the rheological behaviour of plant particle suspensions, model particles have been developed from the original batch of apple puree. Model particles were suspended in five controlled aqueous phases varying in viscosity, composition, and ionic strength. This study shows that elastic properties of concentrated suspensions are essentially governed by the interactions between the particles, continuous phase having a negligible impact. The lubricating role of the continuous phase in the concentrated domain has been highlighted by yield stress and viscosity measurements.An original approach combining model particles, confocal microscopy and 3D reconstruction gives us access to morphological changes experienced by particles in very concentrated medium. The volume decrease experienced by the particles was evaluated. In this work, a model describing the dependence of the viscosity to the volume fraction of soft plant particles was proposed. This model represents a clear progress in the understanding of these systems. No comparable model has ever been proposed in the literature to describe this kind of plant particles

Dans cette etude portant sur la rheologie de suspensions magnetiques modeles nous avons choisi quatre types de suspensions qui couvrent a la fois le domaine des particules faiblement magnetiques (suspension aqueuse de particules de polystyrene contenant des inclusions de magnetite et suspension inverse : particules non magnetiques dans un ferrofluide) et des particules fortement magnetiques (suspension de particules microniques de fer carbonyle et suspension macroscopique modele de spheres millimetriques d'acier dans de l'huile silicone). Les mesures de permeabilite magnetique sur ces quatre types de suspensions ont permis de valider le modele de milieu effectif dans le cas des suspensions faiblement magnetiques et de montrer l'efficacite des methodes des calculs par elements finis pour predire les forces magnetiques entre particules d'acier et les permeabilites de chaine de spheres. Les contraintes seuil de rupture ont ete mesurees et comparees aux predictions de deux modeles : un modele analytique pour les particules faiblement magnetiques et un modele numerique pour les particules fortement magnetiques. L'accord est satisfaisant dans les deux situations et montre respectivement une saturation en fonction de la fraction volumique dans le premier cas et un comportement lineaire dans le second cas. Les courbes rheologiques experimentales obtenues sur ces 4 systemes ont montre un comportement de la viscosite dynamique qui decroit en fonction du nombre de mason avec un exposant compris entre 0. 78 et 0. 98. Cet exposant invalide les modeles actuels qui predisent soit un exposant unite soit 2/3. L'hysteresis observe aux faibles taux de cisaillement est explique en termes de structures mesoscopiques visualisees par microscopie optique. Une separation de phase associee a un saut de viscosite a ete decouverte en utilisant une geometrie cone-plan. Nous avons montre que cette separation de phase etait provoquee par une transition nematique-isotrope correspondant a la rupture de paires de particules.

L'étude des suspensions de particules est cruciale en raison de leur omniprésence dans divers domaines industriels et naturels. Comprendre leur comportement permet d'améliorer des procédés tels que la fabrication de matériaux composites, le traitement des eaux et l'étude des sédiments et des sols. Au cours des deux dernières décennies, la rhéologie des suspensions de particules a été largement étudiée en écoulements de cisaillement simple. Les expériences ont montré que la viscosité effective d'une suspension isodense et non-brownienne augmente avec la fraction volumique en particules. La question posée dans ma thèse est de savoir si les lois rhéologiques permettent de décrire le comportement des suspensions de particules dans des configurations plus complexes comme des écoulements de compression. Nous avons étudié expérimentalement le comportement des suspensions dans deux configurations d'écoulement de compression. Dans la première configuration, la suspension est comprimée entre un disque mobile s'approchant à vitesse imposée vers une paroi verticale. Des mesures locales de pression ont été réalisées, en faisant varier la fraction volumique de la suspension et la vitesse de compression. Un cadre théorique a été établi permettant de relier la différence de pression radiale dans l'écoulement de compression à la viscosité effective de la suspension et donc de la mesurer indirectement. Nous avons montré que la viscosité effective déduite par cette approche dans un écoulement de compression est identique à celle mesurée dans une configuration classique de cisaillement simple. Dans la deuxième configuration, la suspension est comprimée entre une sphère qui sédimente sous l'effet de son propre poids vers une paroi horizontale. Des mesures de vitesse de sédimentation de la sphère ont été réalisées. L'influence des paramètres de la suspension, tels que le diamètre et la concentration des particules, ainsi que des paramètres géométriques, comme le rayon de la sphère et la largeur du réservoir, a été étudiée. Dans la région loin de la paroi, le principe fondamental de la dynamique nous a permis de prédire la vitesse de sédimentation de la sphère et d'en déduire la viscosité effective de la suspension, qui correspond à celle du cisaillement simple. Nous avons montré que la suspension se comporte comme un fluide effectif newtonien. La dynamique d'approche de la sphère dans la suspension s'écarte de celle qu'elle aurait dans un fluide newtonien. Proche de la paroi, on applique la théorie de lubrification. Cette théorie prédit que la vitesse de sédimentation de la sphère évolue linéairement avec la distance par rapport à la paroi horizontale, avec une vitesse nulle au contact avec la paroi. Dans le cas de la suspension, la vitesse de sédimentation de la sphère évolue de manière non linéaire avec la distance à la paroi. Nous avons également mesuré une vitesse d'impact de la sphère non nulle avec la paroi. Nous avons proposé une relation empirique pour la vitesse d'approche qui permet de regrouper toutes les données expérimentales sur une courbe unique dans toute la gamme des paramètres étudiés
The study of particle suspensions is crucial due to their omnipresence in various industrial and natural domains. Understanding their behavior enables us to improve processes such as the manufacture of composite materials, water treatment and the study of sediments and soils. Over the past two decades, the rheology of particle suspensions has been extensively studied in simple shear flows. Experiments have shown that the effective viscosity of an isodense, non-Brownian suspension increases with the particle volume fraction. The question posed in my thesis is whether rheological laws can be used to describe the behavior of particle suspensions in more complex configurations such as compression flows. We have experimentally investigated the behavior of suspensions in two compression flow configurations. In the first configuration, the suspension is compressed between a moving disk approaching a vertical wall at an imposed velocity. Local pressure measurements were carried out, varying the volume fraction of the suspension and the compression velocity. A theoretical framework was established, enabling the radial pressure difference in the compression flow to be related to the effective viscosity of the suspension, and thus measured indirectly. We have shown that the effective viscosity deduced by this approach in compression flow is identical to that measured in a conventional simple shear configuration. In the second configuration, the suspension is compressed between a sphere sedimenting under its own weight towards a horizontal wall. Sedimentation velocity measurements of the sphere were carried out. The influence of suspension parameters, such as particle diameter and concentration, as well as geometric parameters, such as sphere radius and reservoir width, was investigated. In the region far from the wall, the fundamental principle of dynamics enabled us to predict the sedimentation velocity of the sphere and deduce the effective viscosity of the suspension, which corresponds to that of simple shear. We have shown that the suspension behaves like an effective Newtonian fluid. The approach dynamics of the sphere in the suspension deviate from those it would have in a Newtonian fluid. Close to the wall, lubrication theory is applied. This theory predicts that the sedimentation velocity of the sphere evolves linearly with distance from the horizontal wall, with zero velocity at contact with the wall. In the case of suspension, the sedimentation velocity of the sphere evolves non-linearly with distance from the wall. We also measured a non-zero impact velocity of the sphere with the wall. We have proposed an empirical relationship for the approach velocity that allows all the experimental data to be grouped on a single curve across the entire range of parameters studied

La methode d'homogeneisation est appliquee a une suspension bidimensionnelle concentree et localement periodique de fibres orientees plongees dans un fluide visqueux incompressible. Dans la premiere partie, on considere un ecoulement longitudinal. La suspension se comporte comme un fluide newtonien anisotrope, le tenseur de viscosite etant du second ordre et entierement determine par la microstructure qui n'evolue pas dans le temps. Dans la deuxieme partie, on considere un ecoulement transverse. La suspension se comporte comme un fluide non newtonien anisotrope, le tenseur de viscosite etant du quatrieme ordre et entierement determine par la microstructure qui evolue dans le temps en restant localement periodique. De plus, il apparait dans les equations globales de mouvement des termes d'inertie inattendus. Si la microstructure presente des symetries, on peut obtenir des bornes pour certains des coefficients de viscosite rencontres dans ces deux mouvements. Les resultats numeriques montrent que ces bornes constituent de bonnes approximations des valeurs calculees numeriquement et que la concentration ne peut a elle seule decrire le comportement global du milieu. Dans la troisieme partie, on montre que les resultats obtenus toujours par la methode d'homogeneisation et concernant les suspensions tridimensionnelles concentrees de particules s'etendent au cas des suspensions multidisperses de particules. De meme, dans la quatrieme partie, on montre que les resultats obtenus dans la premiere partie s'etendent au cas des suspensions multidisperses de fibres

Les travaux numériques et expérimentaux de cette thèse contribuent à une meilleure compréhension de la dynamique de grosses particules dans un écoulement turbulent. Un premier volet m’a permis de quantifier leur mouvement relatif au fluide, ainsi que leur influence locale sur l’écoulement turbulent. Dans un second volet, j'ai trouvé que l'effet collectif des particules est d'atténuer l’amplitude des fluctuations turbulentes. En revanche, celles-ci n’ont pas d’influence sur les propriétés statistiques fines de l’écoulement. Aussi, ces mesures suggèrent l’existence d’une transition de phase dans les grandes échelles de l’écoulement au-delà d’un seuil critique du nombre de particules
The numerical and experimental work of this thesis contribute to a better understanding of the dynamics of large particles in a turbulent flow. The first part allowed me to quantify their relative motion to the flow and their local influence on the surrounding flow. In a second part, I found that the collective effect of particles is to reduce the amplitude of turbulent fluctuations. In revanche, they have no influence on the fine statistical properties of the flow. Also, these measurements suggest the existence of a phase transition in the larger scales of the flow beyond a critical threshold of the number of particles

Ce travail comporte deux parties indépendantes: la première concerne les suspensions de particules anisotropes en écoulement élongationnel, la seconde porte sur l'étude en lois d'échelle des couches limites en convection thermosolutale. L'écoulement de suspensions de particules anisotropes présente en déformation élongationnelle des propriétés spécifiques liées à la géométrie des particules. Après la mise en oeuvre d'une cellule d'écoulement à orifice relisant une sollicitation élongationnelle bien définie, des suspensions de fibres non-browniennes sont étudiées dans deux régimes de concentration. En régime dilué, les résultats expérimentaux concernant la dynamique d'orientation d'une fibre sont bien décrits par les équations d'orientations du vecteur directeur obtenues analytiquement. En régime semi-dilué, l'écoulement présente une structuration remarquable, qui est étudiée en fonction de la fraction volumique et du rapport de forme des particules. Un modèle d'écoulement obtenu en minimisant l'énergie dissipée permet d'interpréter les résultats expérimentaux en termes de viscosité élongationnelle, et en relation avec les propriétés de la suspension à l'échelle des particules. Les écoulements de couche limite au voisinage d'une paroi verticale dans un milieu fluide soumis a des gradients de température et de concentration horizontaux présentent une grande variété de situations suivant la valeur des paramètres adimensionnels du problème. Une analyse combinant raisonnements en loi d'échelle et méthode intégrale permet de prédire complètement les différents régimes d'écoulement et les variations des couches limites. Les résultats sont corroborés par des solutions de similitude obtenues numériquement.

Si on ne tient pas compte des phenomenes tels que les interactions entre particules ou le mouvement brownien, alors on peut determiner la dynamique de la phase dispersee d'une suspension en moyennant les proprietes obtenues pour une particule. Dans le premier chapitre, nous mettons en evidence le role joue par les tenseurs cinetiques dans la dynamique d'une particule. Nous montrons comment il est possible d'evaluer les contraintes regnant dans la particule par une serie de moments des forces exercees sur la particule. Dans le deuxieme chapitre, nous considerons une particule immergee dans un fluide en ecoulement a potentiel. Par l'utilisation de l'equation de bernoulli presentee sous une forme inedite, nous calculons la force appliquee sur la particule et les moments qui lui associes, aboutissant a des expressions qui mettent en valeur leurs significations physiques. Comme toutes les grandeurs dependent en dernier lieu du potentiel de l'ecoulement, nous determinons cette quantite explicitement en supposant que la particule est un ellipsoide legerement deformable et que les champs de vitesse du fluide et du solide sont de gradient uniforme. Nous appliquons ces memes hypotheses pour traiter, dans le troisieme chapitre, le cas ou le fluide obeit aux equations de stokes. Des resultats explicites sont donnes concernant les champs de vitesse et de pression du fluide en presence de la particule. De plus, l'expression de la force locale exercee a la surface de la particule nous permet de verifier le resultat de goddard et miller suivant lequel, avec les hypotheses presentees plus haut, les contraintes dans la particule sont uniformes. En utilisant la condition aux limites relative a la quantite de mouvement, nous etablissons les relations liant les parametres appartenant a la particule avec ceux du fluide. Dans le quatrieme chapitre, nous generalisons les resultats obtenus pour une particule a l'ensemble de la suspension en utilisant les moyennes spatiales. Les calculs de quantites telles que les contraintes dans la phase particulaire ou les forces interfaciques montrent le role joue par les moments de force exerces par le fluide sur les particules. Enfin, nous expliquons pourquoi les resultats obtenus par lhuillier avec les moyennes d'ensemble sont applicables uniquement aux suspensions de particules rigides et identiquement spheriques.

Ce travail comporte deux parties indépendantes: la première concerne les suspensions de particules anisotropes en écoulement élongationnel, la seconde porte sur l'étude en lois d'échelle des couches limites en convection thermosolutale. L'écoulement de suspensions de particules anisotropes présente en déformation élongationnelle des propriétés spécifiques liées a la géométrie des particules. Après la mise en œuvre d'une cellule d'écoulement a orifice réalisant une sollicitation élongationnelle bien définie, des suspensions de fibres non-browniennes sont étudiées dans deux régimes de concentration. En régime dilue, les résultats expérimentaux concernant la dynamique d'orientation d'une fibre sont bien décrits par les équations d'orientations du vecteur directeur obtenues analytiquement. En régime semi-dilue, l'écoulement présente une structuration remarquable, qui est étudiée en fonction de la fraction volumique et du rapport de forme des particules. Un modèle d'écoulement obtenu en minimisant l'énergie dissipée permet d'interpréter les résultats expérimentaux en termes de viscosité élongationnelle, et en relation avec les propriétés de la suspension à l'échelle des particules. Les écoulements de couche limite au voisinage d'une paroi verticale dans un milieu fluide soumis à des gradients de température et de concentration horizontaux présentent une grande variété de situations suivant la valeur des paramètres adimensionnels du problème. Une analyse combinant raisonnements en loi d'échelle et méthode intégrale permet de prédire complètement les différents régimes d'écoulement et les variations des couches limites. Les résultats sont corrobores par des solutions de similitude obtenues numériquement.

Nous reportons ici le comportement rhéologique de suspensions concentrées de particules non browniennes de fécule de maïs ou de polystyrène sphériques et monodisperses. Le système modèle de particules de polystyrène est utilisé afin de contrôler les propriétés physicochimiques de la suspension. Ce travail expérimental s'articule autour de deux aspects rencontrés chez les fluides complexes : le seuil d'écoulement et le seuil de rhéoépaississement. Dans un premier temps, nous avons étudié l'origine du seuil d'écoulement. Nous avons, à partir de techniques de rhéologie classique et locale par IRM, montré que le seuil d'écoulement des suspensions modèles n'est observé que par l'introduction d'un contraste de densité entre les particules et le fluide suspendant. Ce contraste de densité introduit alors une consolidation à l'échelle des particules. Le seuil d'écoulement apparaît alors sans aucune sédimentation macroscopique de l'échantillon. Dans un second temps, nous avons étudié un phénomène de structuration dynamique, sous écoulement : le rhéoépaississement. Ainsi, en couplant des mesures macroscopiques originales (comme l'étude de l'influence de l'entrefer de la géométrie de mesure sur le comportement rhéoépaississant, et des mesures de dilatation volumique en fonction du taux de cisaillement) et des mesures locales des propriétés d'écoulement par IRM, nous montrons que le rhéoépaississement de la suspension de fécule de maïs est une conséquence directe de la dilatance de Reynolds. Par ailleurs, le système modèle, contrairement à la suspension de fécule de maïs, présente un rhéoépaississement qui est accompagné d'un régime de localisation qui devient responsable d'un blocage partiel de l'écoulement dans l'entrefer de la géométrie de Couette
We study the rheological behavior of concentrated suspensions of non-Brownian particles: cornstarch or mono-disperse spherical polystyrene beads. The latter model System is used to be able to control the physical properties of the suspension. We focus on two phenomena encountered in particle pastes: the yield stress and the shear thickening behavior. In a fïrst series of experiments we studied the origin of the yield stress. From classical rheology and local MRI velocimetry and density measurements we show that the origin of the yield stress for the model System of spherical beads is sedimentation, which we observe by introducing different contrasts in density between particles and fluid. The difference in density leads to a close packing of sedimenting or creaming particles, leading in turn to a yield stress. In a second series of experiments, we have studied a dynamical behaviour of the pastes under shear, focusing on the shear thickening. By coupling the original macroscopic measurements (the study of the influence of the gap size on the shear thickening behavior and the dilation effect as a function of the shear rate) and local flow properties measured by MRI, we show that the shear thickening of cornstarch suspension is a direct consequence of the Reynolds dilatancy. In addition, the model System, unlike the cornstarch suspension, presents a shear thickening which is accompanied by a shear localisation regime. This localisation regime becomes responsible for a partial jamming of the flow in the gap of our Couette cell

In this thesis we have studied the influence of transport mechanisms on the adsorption kinetics of colloidal suspensions, as well as in the distribution of colloidal particles at the adsorbed layer. Adsorption of colloidal particles is controlled by the geometric exclusion effects at the surface originated by the finite size of the particles and by the irreversible character of the adsorption in these systems, and is also influenced by the specific transport mechanisms which control the arrival of the colloids from the bulk to the interface. Our main objective has been to elucidate the effects of each contribution, as well as their relative importance and mutual influence in some specific situations.

After a first chapter in which we have introduced the basic kinetic models which have been proposed in the literature to take into account surface exclusion effects (random sequential adsorption (RSA) and ballistic (BM) models), in the second chapter we have studied the adsorption in the presence of an external field parallel to the substrate. Our objective has been to elucidate how surface exclusion effects are sensitive to the imposed external conditions upon which adsorption takes place, showing that they do not arise from purely geometric constrains. Instead of carefully describing the transport process, we have conveniently modified the usual kinetic models. The basic feature now is that a new minimum length at which two particles can approach on the substrate appears, and the kinetics becomes asymmetric in the sense that this minimum distance depends on the side of the preadsorbed disk at which the incoming particle adsorbs. We have observed a decrease of the jamming limit with the strength of this imposed force, and also a tendency to form more locally ordered aggregates when this force increases. New adsorption mechanisms are induced by the external field: a particle may roll over a number of preadsorbed spheres before being either adsorbed or rejected, implying that adsorption becomes non-local in the sense that an incoming particle may interact with many preadsorbed disks. The pair distribution function exhibits a richer structure indicating that the clusters have internal structure since their relative separation is not univocally fixed. If the exclusion distance is a multiple of the diameter, then a resonance is observed when using BM rules, and a highly locally ordered substrate is formed.

In chapter 3 we have studied the effect of the transport on the adsorption of colloidal particles at high Peclet number in the presence of a gravity field, when their diffusion can be neglected. As a new mechanism with respect to previous studies, we have incorporated hydrodynamic interactions (HI) existing between the incoming particle and the adsorbed ones due to the fact that the particles are suspended in a fluid. We have shown that the basic effect of HI is to introduce an effective repulsive interaction between the incoming particle and the preadsorbed ones. Some analytic results obtained in very simplified conditions have helped us to understand the effects of HI, although un general, computer simulations have been carried out to study the adsorption process. We have seen that, although the global quantities obtained with HI do not differ quantitatively from the ones obtained for BM, as for example the coverage as a function of time, the jamming limit, or the available fraction of the line, the local structure differs significantly from the one obtained with BM. The pair correlation function is characterized by having a series of peaks due to the rolling of incoming spheres over preadsorbed ones. The behaviour behind the peaks is different, showing a slower decay with HI, indicating that because of the effective repulsion, larger gaps between the spheres are preferred, which implies that HI induce the formation of looser local structures on the substrate. We have shown that the effective repulsion introduced by HI favours the formation of elongated triplets on the surface where BM would predict more isotropic clusters, meaning that HI changes the structure of the clusters formed at the interface. We have compared with experimental results on the adsorption of mellamine particles. The curves obtained with HI agree better with the experimental ones than those obtained with BM, explaining therefore some of the discrepancies observed when comparing with BM. In particular, the slower decay behind the first peak can be thought of as being due to the effect of HI. This has served to show that BM, which was thought to be a good model to describe the adsorption of heavy colloidal particles, is restricted to situations where inertial effects dominate the transport to the wall.

Finally, in chapter 4 we have developed a thermodynamic theory for the adsorption process. We have focused our analysis on the situation in which adsorption is controlled by a surface energy barrier, which is more realistic for the adsorption of small particles. In this case, the transport to the interface is controlled by the diffusion through the energy barrier. In order to describe this process properly, we have introduced an additional internal variable for the fields at the surface in the thermodynamic description.

The surface exclusion effects at this level are introduced considering that the system at the surface is not ideal. In this way we have derived a local generalized Langmuir equation for the evolution of the surface concentration. If the adsorption is not controlled by an energy barrier, then the local thermodynamic description is different. We have shown how it is possible to obtain global generalized Langmuir equation which describes the evolution of the global surface concentration, using the fact that entropical barriers appear for the incoming particles. We have also studied the fluctuations around steady states in a systematic way. We have shown how to deduce the corresponding fluctuation-dissipation theorem when an internal degree of freedom is introduced, and we have applied the results to analyze the density correlation function of a simple adsorption model with diffusion.

Alors que la transition liquide-solide dans les dispersions de colloides spheriques a donne lieu a de nombreux travaux de recherche, la comprehension des multiples comportements de suspensions de particules colloidales anisotropes n'est toujours pas acquise, notamment en ce qui concerne le cas des disques charges, objets d'etude de cette these. La laponite qui est une argile de synthese s'avere etre un materiau modele pour l'etude des systemes de particules discoides chargees. Cette argile presente une transition d'un liquide (sol) vers un solide viscoelastique mou (gel). La concentration en argile, le ph et la concentration saline sont les parametres qui controlent le systeme, notamment l'ajout de sel a pour effet de deplacer la transition sol-gel vers de plus faibles fractions volumiques en solide. Dans ce travail, nous nous attachons a etudier les proprietes dynamiques (rheologie en regime lineaire), de structure (diffusion de rayons x aux petits angles, diffusion de lumiere, microscopie electronique) et thermodynamiques d'equilibre (mesure de la pression osmotique). L'etude des proprietes thermodynamiques montre que la transition sol-gel dans les suspensions aqueuses de laponite peut s'interpreter en termes de competition entre les forces de volume exclu, favorisant l'apparition d'un ordre nematique, et les interactions electrostatiques, privilegiant les configurations ou les particules se mettent perpendiculairement les unes aux autres. Les forces electrostatiques ont donc pour effet de frustrer la transition isotrope-nematique (ou d'onsager). L'etude structurale confirme cette interpretation en mettant en evidence l'existence de domaines constitues de particules sans contact presentant un ordre nematique. Enfin, nous montrons que les proprietes rheologiques ne sont pas directement connectees a la dynamique des particules mais dependent, au contraire, des structures formees a des echelles supra-particulaires.

Dans cette thèse, nous étudions le comportement collectif de particules auto-propulsées. Ce travail comporte trois parties. Dans la première partie, nous considérons un modèle individu-centré pour les particules d'auto rotation interagissant par une règle d'alignement et étudions leurs limites macroscopiques. Deux cas de sealing ont été étudiés. Dans le cas de petite vitesse angulaire, le modèle obtenu est une légère modification du modèle " Hydrodynamique auto-organisé " qui avait été introduit précédemment par Degond et Mostch. Dans le cas de grande vitesse angulaire, le modèle obtenu est plus compliqué. Une étude préliminaire de la stabilité linéaire a été également proposée. Dans la deuxième partie, nous étudions un modèle macroscopique du système de particules auto-propulsées interagissant avec leurs voisins par une règle d'alignement et de répulsion. Nous fournissons une validation numérique de ce modèle en le comparant avec le modèle individu centré. L'existence de solutions du modèle macroscopique à deux dimensions est prouvée. La dernière partie est consacrée à l'étude expérimentale du comportement collectif de robots auto-propulsés dans une enceinte annulaire confinée
In this thesis wc study collective motions of self-propelled particles. This work consists of three parts. In the first part, we consider an lndividual-Based Model for self-rotating particles interacting through local alignment and investigate its macroscopic Iimit. We study the mean-field kinetic and hydrodynamic limits of this system within two different scalings. In the small angular velocity regime, the resulting model is a slight modification of the " Self-Organised Hydrodynamic " model which has been previously inltroduced by Degond and Motsch. In the large angular velocity Case, the macroscopic model obtained is more complex. A preliminary study of the linearized stability is proposed. In the second part, we study a macroscopic model for a system of self-propelled particles which interact with their neighbors via alignment and repulsion. We provide a numerical validation of the continuum model by comparison with the particle model. The existence of local solutions of this macroscopic model is also studied. The last part concerns experimental investigation of collective behavior of simple robots in a confined ring

Lorsqu'une suspension concentrée est en écoulement, il est fréquent d'observer que la concentration en particules ne reste pas homogène mais que les particules migrent vers des régions préférentielles de l'écoulement. Globalement, il existe deux types de modèles pour décrire cette interaction entre l'écoulement et la structure qui apparaît dans la suspension. Les premiers sont assez phénoménologiques et reposent sur l'étude des collisions qui surviennent entre les particules en écoulement. Ils donnent lieu à une description de la migration en terme de diffusion des particules. Le second modèle, appelé "Suspension Balance Model" (SBM), fait appel à l'action des contraintes normales d'origine particulaire engendrées par l'écoulement. Ce modèle semble très pertinent mais son utilisation souffre du manque de données sur les contraintes normales dans les suspensions. Ce manuscrit rapporte une étude expérimentale et numérique de la rhéologie et de la migration induite par un écoulement dans des suspensions non-browniennes concentres. La partie expérimentale consiste à mesurer, en géométrie torsionnelle plan-plan, la viscosité, les deux différences de contraintes normales et le tenseur des contraintes particulaires. Les contraintes particulaires déterminées expérimentalement sont alors injectées dans le "Suspension Balance Model" qui relie le flux de particules à la divergence du tenseur des contraintes particulaires, dans le cas d'un écoulement de cisaillement simple. Les équations couplées de la conservation de la masse, des particules et du moment d'inertie sont implémentées dans OpenFOAM et résolues par la méthode des volumes finis. Les résultats numériques sont comparés à des résultats numériques et expérimentaux de la littérature. Enfin, le SBM est généralisé pour être utilisé dans tout type d'écoulement à 2 dimensions ; les cas du cisaillement d'un nuage de particules et de l'effet de la gravité dans un écoulement de Couette horizontal sont traités.

Nous avons étudié le comportement rhéologique de suspensions de particules non colloïdales plongées dans des fluides à seuil. Nous nous sommes focalisé sur la contribution purement mécanique des particules. Nous avons dans un premier temps étudié le comportement en régime solide en formulant de nombreux systèmes expérimentaux modèles. Nous avons mesuré les propriétés d’élasticité linéaire, ainsi que les propriétés de seuil. Nous trouvons des lois reliant les propriétés rhéologiques de la suspension à celles du fluide ainsi qu’à la fraction volumique en particules monodisperses pour une distribution isotrope. Nous validons une approche d’homogénéisation proposée par Chateau et al. reliant les propriétés linéaires aux propriétés non-linéaire par une loi simple qui permet ainsi de prédire le seuil de contrainte de ce type de matériaux. Cette approche est validée sur des mortiers modélisés par une suspension de billes de verre dans une pâte de ciment thixotrope. Dans un second temps, nous explorons le régime liquide et caractérisons le comportement en écoulement d’un fluide à seuil modèle, une émulsion, selon une modélisation d’Herschel-Bulkley d’exposant n=½. Nous montrons que cette loi reste valable pour une suspension de particules dans cette émulsion. Nous mesurons la consistance d’Herschel-Bulkley en fonction de la fraction volumique en particules et nous constatons un bon accord entre ces mesures et une loi prédite par l’approche d’homogénéisation de Chateau et al. Enfin, nous observons une distinction entre seuil d’arrêt et seuil de démarrage probablement dû à la distribution des particules
We study rheological behaviour of non colloïdal particles suspensions embedded in yield stress fluids. We focus on strictly mechanical particles influence. First, we study solid domain with a large experiment panel on model materials. We measure linear elasticity and yield stress. We found law which link suspensions properties to interstitial fluids one and monodisperses particles concentration for an isotropic distribution. We compare our results to a homogenization approach by Chateau et al. which give us a very simple law between linear and non linear properties. This approach could predict the yield stress variation as a function of particles concentration with a very good agreement. Then, we validate this approach on a model mortar (glass beads in a thixotropic cement paste). In a second part, we explore liquid domain and characterize flowing behaviour of a yield stress model fluid, an emulsion, as a Herschel-Bulkley fluid with an exponent n =½. We show that this law still applicable for particles suspension in this emulsion with the same Herschel-Bulkley exponent. Then, we measure Herschel-Bulkley consistency as a function of particles concentration and found a good agreement with a law predicted by Chateau et al. from a homogenization approach. Finally, we observe difference between stopping yield stress and starting yield stress, this difference is probably due to particles distribution

Une étude expérimentale et numérique traitant de l'influence de structures tourbillonnaires sur la sédimentation de nuage de particules sphériques sous l'effet de la gravité est présentée dans une première partie de ce manuscrit. L'écoulement est créé par électro-convection, ce qui permet de générer un réseau de vortex contrôlés en vitesse et de taille constante qui imite un écoulement tourbillonnaire. Des techniques de PIV (Particle image-velocimetry) et de suivi de particules sont utilisés pour étudier la sédimentation du nuage.Le nuage est modélisé comme un ensemble de particules ponctuelles pour lesquelles les forces d'interaction hydrodynamiques entre particules sont prépondérantes. Le comportement du nuage est comparé aux prédictions obtenues avec des modèles numériques. Dans une seconde partie est présentée une étude expérimentale et numérique concernant la sédimentation à faible nombre de Reynolds de fibres flexibles dans un fluide visqueux au repos. L'état d'équilibre atteint par la fibre flexible est étudié. Nous identifions trois régimes ayant des signatures différentes sur l'état stationnaire de la fibre flexible: un régime de faibles déformations dans lequel la force de traînée est proportionnelle à celle d'une fibre sédimentant horizontalement par rapport à la gravité; un régime de grandes déformations dans lequel la force de traînée est aussi proportionnelle à la vitesse de la fibre, mais avec un coefficient de traînée qui est celui d'une fibre chutant parallèlement à la gravité; et un régime de reconfiguration élastique où le filament se déforme avec une traînée plus faible qui n'est plus proportionnelle à sa vitesse, mais à la racine carrée de celle-ci
In the first part, a jointed experimental and numerical study examining the influence of vortical structures on the settling of a cloud of solid spherical particles under the action of gravity at low Stokes numbers is presented. We use electro-convection to generate a two-dimensional array of controlled vortices which mimics a simplified vortical flow. Particle image-velocimetry and tracking are used to examine the motion of the cloud within this vortical flow. The cloud is modeled as a set of point-particles for which the hydrodynamic interaction is preponderant. The cloud behavior (trajectory, velocity, aspect ratio, break-up time …) is compared to the predictions of a two-way-coupling numerical simulation. In the second part, a jointed experimentally and numerical study on the dynamics of slender flexible filaments settling in a viscous fluid at low Reynolds number is presented. The equilibrium state of a flexible fiber settling in a viscous fluid is examined using a combination of macroscopic experiments, numerical simulations and scaling arguments. We identify three regimes having different signatures on this equilibrium configuration of the elastic filament: a weak deformation regime wherein the drag is proportional to the fiber velocity settling perpendicular to the gravity; a large deformation regime wherein the drag is proportional to the fiber velocity settling parallel to the gravity and an intermediate elastic reconfiguration regime where the filament deforms to adopt a shape with a smaller drag which is no longer linearly proportional to the velocity but to the square root of the velocity

L'objectif de ce travail est de caractériser le comportement Théologique des suspensions de dioxyde de titane dans les solutions de polymère. Le premier chapitre est consacré à la caractérisation des suspensions étudiées. Les résultats obtenus en cisaillement permanent ainsi qu'en oscillation sont consignés dans le chapitre deux. Ces comportements sont expliqués par l'étude des interactions particule-particule et particule-polymère de la phase continue. Le troisième chapitre est ainsi consacré à la mise en place les outils d'analyse d'image nécessaires pour étudier les images obtenues sous cisaillement. Dans un quatrième chapitre, nous avons étudié l'influence de la géométrie des agrégats de dioxyde de titane sur les propriétés Théologiques de l'échantillon sous cisaillement. Enfin, le dernier chapitre de cette thèse est consacré à l'étude de l'instabilité de Saffman- Taylor et aux figures de digitation visqueuse obtenues avec une suspension de dioxyde de titane
This study deals with rheological properties of titanium dioxyde suspensions in polymer solutions. Rheological behaviour is strongly dépendent on particle-particle interactions and also on particle-polymer interactions in the continuons phase. These interactions really undergoes shape modification of aggregates. Consequently, we have developped tools to Observe titanium dioxyde aggregates under shear. The shape of aggregates is caracterised by a fractal dimension Df in two or three dimensions. This parameter can be correlated with the évolution of suspension viscosity. The last part of this work deals with flow instabilities obtained with glass beads dispersed in a solution of polyisobutylene. Saffman- Taylor instability appeared when cone and plate of the rheometer are removed from each other. In the case of titanium dioxyde suspensions, fractal shape can be observed and can be related to viscous fingering in hele-Shaw cells

LorsquÕune onde acoustique se propage dans une suspension, diffŽrents phŽnomnes physiques peuvent aboutir ˆ lÕattŽnuation et la dispersion de lÕonde selon la nature des particules et la gamme de frŽquences considŽrŽe. Une bonne comprŽhension des mŽcanismes de diffusion peut alors permettre de prŽdire son Žvolution, voire mme de caractŽriser la suspension par rŽsolution du problme inverse. Ce travail aborde la propagation linŽaire et non linŽaire des ondes acoustiques dans des suspensions de Òparticules rigidesÓ de taille petite devant la longueur d'onde. Une premire partie est consacrŽe ˆ lÕŽtude thŽorique, numŽrique et expŽrimentale de lÕabsorption dÕune onde de choc acoustique en prŽsence de petits diffuseurs. Une deuxime partie traite la propagation dans les hydrosols concentrŽs, via un modle de milieu effectif auto-consistant qui permet de tenir compte des interactions entre particules voisines.

Le travail presente dans ce memoire s'interesse a deux situations particulieres concernant les systemes fluide-particules, a savoir: l'etude de la sedimentation d'une suspension de cylindres qui fait apparaitre deux regimes distincts de sedimentation en fonction de la concentration, lors de l'etablisement des lois de variation de la vitesse. Un modele est propose pour expliquer leur existence, modele qui confirme aussi les resultats obtenus lors d'une etude des variations de la vitesse en fonction du rapport d'aspect. On montre, dans un deuxieme temps, que l'elargissement du front de sedimentation observe experiemntalement peut etre interprete comme un processus de diffusion et une loi d'echelle est proposee pour les coefficients de dispersion. Dans les lits fluidises, une mesure du parametre jouant le role de phenomene stabilisant a permis d'etablir une loi d'echelle pour ce parametre, nous amenant a conclure que ce mecanisme stabilisant est d'origine inertielle et du a la dispersion hydrodynamique

J'ai étudié expérimentalement, à l'échelle de la taille des particules, les mécanismes à l'origine de l'intensification des transferts ayant lieu dans les suspensions cisaillées de particules non-inertielles et non-Browniennes. Dans un premier temps, l'expérience de Taylor est revisitée en étudiant l'évolution d'une goutte de colorant soumise à un cisaillement périodique. Au-delà d'une amplitude critique de déformation, la présence des particules brise la réversibilité du système et induit une forte dispersion de la goutte de colorant. Ensuite, en m'intéressant au transfert en proche paroi, j'ai montré que la rotation des particules sur la paroi induit un transport à flux constant d'un scalaire jusque dans le bulk de la suspension, brisant la couche limite diffusive. Une solution analytique du profil de concentration dans cette zone est proposée, en bon accord avec les expériences. Finalement, des mesures PIV haute résolution du fluide interstitiel dans le bulk de la suspension ont été réalisées. A partir de ces champs de vitesses, on a reconstruit l'historique d'étirement de lignes matérielles du fluide et ainsi déterminé les lois d'étirement, information fondamentale pour la compréhension du processus de mélange. La présence des particules change les lois d'étirement qui passent de linéaires dans un fluide pur, à exponentielles en présence de particules. Un modèle d'étirements multiplicatifs est proposé, qui prédit quantitativement l'évolution de la moyenne, de la variance, et la forme log-normale des distributions d'étirements mesurées expérimentalement. L'inhomogénéité des étirements dans les suspensions cisaillées implique une large distribution du temps de mélange
Mainly based on experiments, I investigated at a particle scale the mechanisms at the origin of the transfer enhancement in sheared non-Brownian and non-inertial particulate suspensions. First, I revisited Taylor's experiment, investigating the evolution of a drop of dye in a periodic shear. Beyond a critical strain amplitude, the presence of the particles breaks the reversibility of the system and the drop of dye is rapidly dispersed in the surrounding medium. Then, investigating the transfer process in the wall vicinity, I showed that in this region, the rotation of the particles convectively transport a scalar at a constant rate directly from the wall towards the bulk of the suspension, breaking the diffusive boundary layer. An analytical solution for the concentration profile in this region is proposed, in good agreement with experimental measurements. Lastly, high-resolution PIV measurements of the fluid phase were performed in the bulk of the suspension. Using these velocity fields, we reconstructed the stretching histories of fluid material lines to determine the stretching laws, crucial for the understanding of the mixing process. The presence of the particles changes the very nature of the stretching laws from linear, in a pure fluid, to exponential in the presence of particles. A multiplicative stretching model is proposed, which quantitatively predicts the experimentally measured evolution of the mean and the variance of the elongations of the fluid material lines as well as their evolution towards a log-normal distribution. The strong stretching inhomogeneity in sheared suspensions results in a broad distribution of the mixing time

L'industrie des semi-conducteurs doit trouver des méthodes et des procédés de plus en plus efficaces. Parmi les nouvelles méthodes qui sont de plus en plus utilisées, le polissage mécano-chimique (CMP) est celle qui a plus évolué durant les trente dernières années et reste le procédé le plus efficace et fiable pour miniaturiser les puces. Le CMP utilise des liquides de polissage appelés aussi « Slurries » à base de nano particules abrasive pour polir des surfaces très différentes. La stabilité des liquides de polissage est un problème important. Les propriétés physico-chimiques du milieu et les conditions hydrodynamiques auxquelles les nano particules sont soumises jouent un rôle déterminant sur le phénomène d’agrégation. Nous avons mis au point de suspensions à base de cérine, silice ou alumine stables. La stabilité de ces slurries est obtenue grâce à l’adsorption des molécules organiques. Nous avons pu développer des slurries performants et économiquement viable en maîtrisant le processus agrégation au point d’utilisation. Le caractère innovant de notre approche nous a permis de déposer deux brevets
The industry of the semiconductors must find increasingly effective methods and processes. Among the new methods which are used more and more, chemicomechanical polishing (CMP) is that which evolved more /moved during the thirty last years and remains the most effective and reliable process to miniaturize the chips. The CMP uses suspensions called also "Slurries" containing nanoparticles to polish different surfaces. The stability of the liquids of polishing is an important factor. The physical and chemical properties of the medium and the hydrodynamic conditions to which the nano particles are submitted have a determining role on the aggregation phenomenon. We developed stablesuspensions containing ceria, silica or alumina. The stability of these slurries is obtained thanks to adsorption of the organic molecules. We were able to develop powerful and economically interesting slurries by controlling the aggregation process in the point of use. The innovating character of our approach enabled us to deposit two patents

Depuis les travaux précurseurs d’Einstein il y a plus d’un siècle, la rhéologie des suspensions est un domaine de la physique qui a grandement évolué mais qui reste encore largement incompris, en particulier lorsqu’il s’agit dessuspensions concentrées. De nos jours, il est reconnu que les contacts entre les particules solides composant une suspension régissent le comportement rhéologique des suspensions non-browniennes concentrées : ils en augmententla viscosité et entraînent des comportements non-newtoniens. Les contraintes particulaires sont également à l’origine de la migration induite par cisaillement observée dans différents types d’écoulement à bas nombre de Reynolds,comme le proposent plusieurs modèles dont le plus populaire est le Suspension Balance Model. Malheureusement, les mesures des contraintes particulaires sont assez rares et il est par conséquent assez difficile de tester les modèlesqui ont été proposés pour expliquer ou prédire la migration. Au cours de ma thèse, j’ai essayé de contribuer à combler ce manque en orientant mes recherches suivant deux grands axes. Le premier est d’étudier de manièremacroscopique l’impact de la forme des particules composant une suspension sur la viscosité de cisaillement et également sur la contribution des contacts à cette viscosité. En outre, je montre que les suspensions non-browniennes et non-colloïdales ont un comportement rhéofluidifiant qui peut être décrit correctement par l’introduction d’une fraction volumique de blocage qui dépend de la contrainte de cisaillement. Le second et principal axe de recherche que j’ai suivi concerne une étude locale du comportement rhéologique d’une suspension dans deux cas distincts. Dans un des cas, les particules et le fluide suspendant ont la même densité, dans l’autre, les particules sédimentent sous l’effet de la gravité et sont resuspendues par un écoulement de cisaillement. J’ai réalisé un montage expérimental qui me permet d’imager la suspension pour mesurer localement non seulement la concentration en particules mais également le taux de cisaillement. Des mesures locales, je déduis d’une part la variation de la viscosité de cisaillement avec la fraction volumique de particules et la contrainte de cisaillement et, d’autre part la variation des contraintes normales particulaires dans la direction du gradient de vitesse et de la vorticité. Je mets par ailleurs enévidence des différences significatives dans l’écoulement d’une suspension suivant que la gravité joue un rôle ou non. En particulier, je montre que la migration radiale observée dans un écoulement de Couette cylindrique à large entrefer est beaucoup moins prononcée que ce que prévoit le Suspension Balance Model si les particules n’ont pas la même densité que le fluide suspendant
Many studies have been done on the rheology of suspensions since the previous work of Einstein at the beginning of the 20th century but many scientific puzzles still remain, especially when the concentration increases. Nowadays, we know that the solid contact between particles rules the behavior of non Brownian concentrated suspensions : it increases the viscosity, inducesbehavior more complex than the basic Newtonian model and are responsible for phenomenon of migrations of solid particles inside a suspension. Naturally, theoretical models as the Suspension Balance Model which predict and describe the behavior of a sheared non Brownian suspension deals with these non hydrodynamic interactions. But there is a lack of experimental measurements to confront these predictions. Indeed, it is very difficult to measure experimentally the contribution of solid particles to the total stress of suspension and this is precisely what I’ve tried to do during these last three years. I’ve organized my work following two lines of research. The first one is a macroscopic study of the rheological behavior of different suspensions where the particle form varies from a suspension to another. Therewith, I show that non-Brownian and non-colloidal suspensions have a shear thinning behavior which can be correctly captured by the introduction of a jamming volumefraction which is shear stress-dependant. The second line of research is the biggest part of my work. Thanks to an experimental home-made set up, I study locally the behavior of a non Brownian suspension in two cases : with or without buoyancy effects. Matching the refractive index of the particles and of the fluid, I manage to image the particles inside the suspensions subjected to a shear flow in order to determine the concentration and the velocity fields. From these local measurements, I deduce on the one hand the variation of the shear viscosity with particle volume fraction and shear stress and, on the otherhand the variation of the normal particle stresses in the direction of the velocity gradient and the vorticity. I also show that there are significant differences in the flow of a suspension depending on whether gravity plays a role or not. More precisely, I show that the radial migration observed in a cylindrical large gap Couette flow is much less pronounced than what the Suspension Balance Model predicts if the particles do not have the same density as the suspending liquid

Ce travail présente une étude des suspensions macroscopiques concentrées soumises à un cisaillement inhomogène. Nous avons décrit le comportement d’une suspension macroscopique par une approche phénoménologique locale basée sur la considération de la suspension comme un milieu continu. Trois flux migratoires ont été identifiés : un flux de collisions, un flux de viscosité et un flux de courbure. L’expression de ces trois flux est obtenue en étudiant la déviation de la trajectoire de paires de particules induite par une collision. Nous avons adopté une démarche à la fois expérimentale et numérique. Sur le plan expérimental, notre intérêt s’est porté sur l’écoulement tournant entre deux disques parallèles. Nous avons mis au point une technique expérimentale qui s’appuie sur la détection de traceurs par mesure d’absorption de la lumière. Les systèmes étudiés sont des suspensions constituées de particules de même indice et de même densité que le fluide suspendant. Sur le plan numérique, nous avons bâti un coût de calcul à 2D en volumes finis capable de modéliser le système d’équations non linéaires couplées qui régissent le comportement d’une suspension monodisperse ou bidisperse. Ainsi, nous avons étudié numériquement le comportement d’une suspension bidisperse en écoulement de Couette cylindrique et de Poiseuille. Nous avons observé une ségrégation en taille des particules en suspension qui est d’autant plus prononcée que la fraction volumique des petites et des grosses particules est voisine. Dans le cas de l’écoulement plan-plan rotatif, nous avons mis en évidence l’existence d’une migration pour une suspension monodisperse. La quantification des coefficients des flux de migration dans les géométries rotatives a été effectuée grâce aux profils numériques instationnaires. Les valeurs ainsi obtenues montrent que l’intensité des flux est liée à la direction de la migration des particules
In this present work, we have studied the behavior of concentrated macroscopic suspensions subjected to inhomogeneous shear rate. This behavior was described by means of a local phenomenological approach based on the consideration of the suspension as a continuous medium. Three shear induced fluxes were identified : a collision flux, a viscosity flux and a curvature flux. The expression of these three fluxes is obtained by studying the deviation of the trajectory of pairs of particles induced by a collision. We achieved both experimental and numerical investigations. On the experimental plan, we studied the flow between two parallel rotating disks. We developed an experimental technique which leans on the detection of tracers by measure of absorption of the light. The studied systems are suspensions established by particles of the same refractive index and the same density as the suspending fluid. Concerning the numerical work, we have built a numerical code in 2D, based on a finite volume method, capable of modeling the system of coupled non linear equations which govern the behavior of a monodisperse or bidisperse suspension. So we studied numerically the behavior of a bidisperse suspension in a Couette and a Poiseuille flow. We observed segregation in size of particles in suspension which is more pronounced when the volume fraction of the small and big particles is nearly equal. In the case of the flow between two rotating discs, we put in evidence the existence of a migration for a monodisperse suspension. The quantification of the coefficients of the shear induced migration fluxes in the rotating geometries was made thanks to the numerical, transient profiles. The values so obtained show that the intensity of these fluxes is closely bound to the direction of the migration of particles

Cette étude s’inscrit dans le cadre général des travaux liés à la sûreté des installations industrielles. En effet, divers procédés industriels, notamment dans l’industrie nucléaire, manipulent des matières sous forme de poudres et peuvent produire des poussières. L’étude de la mise en suspension de particules à partir de poudres présente un intérêt de premier ordre afin d’estimer les conséquences de ce terme source de contamination sur l’opérateur, les installations avoisinantes et, le cas échéant, l’environnement. A l’heure actuelle, il existe assez peu de données disponibles dans la littérature scientifique sur l’émission de particules dans le cas d’un scénario de chute de poudre et l’évaluation est réalisée à l’aide de coefficients expérimentaux ou à l’aide de corrélations empiriques. L'objectif du travail est d'étudier l'influence de quelques paramètres impliqués dans l’émission de particules par chute de poudre. Pour cela, des expériences sont réalisées afin d'étudier l'influence de paramètres tels que le mode de déversement, la nature de la poudre, le type de surface d’impaction, le diamètre du verseur et la masse initiale de poudre. Les résultats de fractions massiques et de concentrations numériques obtenus ont mis en évidence les paramètres prépondérants en fonction du type de déversement employé. Par la suite, les comparaisons de nos résultats avec les corrélations disponibles dans la littérature ont montré que celles-ci conduisaient à une sous-estimation de la mise en suspension. Ceci nous a donc amené à développer, à partir de l’ensemble des données expérimentales, des corrélations empiriques prenant en compte les paramètres étudiés ainsi que les interactions
This study comes within the general framework of industrial facilities’ safety research. Indeed, industrial processes, notably in the nuclear field, handle hazardous materials in powder form and can produce large quantities of fugitive dust. The study of the particles resuspension from powders is of interest of first order in order to estimate the consequences of this source term of contamination on the operator, the neighbouring installations and, if necessary, the environment. Up to now, there are very few reliable data in the scientific literature on the particulate emission in case of a scenario with an accidental free fall spill of powder. The powder dustiness evaluation is carried out using coefficients obtained in experiments, or using empirical correlations. The objective of the present work is to study the influence of some parameters involved in the airborne particles production by a free fall of powder. For that purpose, experiments are carried out in order to study the influence of parameters such as the type of dischargement, the powder nature, the type of surface on which occurs the powder impaction , the system diameter used for discharge, and the falling mass. The results of mass fractions and number concentrations obtained highlighted the dominating parameters according to the type of discharge employed. Thereafter, the comparisons between our results and the empirical correlations available in the literature showed that those led to an undervaluation of the powder dustiness. This thus led us to develop, starting from the whole of experimental data, empirical correlations taking into account the various parameters studied as well as the interactions

La séparation de produits industriels par filtration, la propagation de polluants dans les sols ou la transmission de micro-organismes au sein de tissus biologiques ont en commun le transport de particules au travers de matériaux poreux (matrices).Les interactions particule-matrice engendrent des phénomènes de dépôts de particules, le plus souvent étudiés par simulations numériques, mesures globales ou via des systèmes modèles réduits (1D ou 2D). Grâce à des milieux poreux adaptés (empilements transparents et aléatoires de sphères) et à des méthodes originales d'observation interne (IRM, microscopie confocale), une visualisation directe des dynamiques de transport et de dépôt est rendue possible à l'échelle locale. En variant successivement la taille des particules (de la dizaine de nanomètres à la dizaine de microns), leurs propriétés d'interaction (électrostatique ou magnétique) et leur forme (de sphères uniques à agrégats), tous les régimes de dépôts sont in fine classifiés selon trois paramètres clés : le confinement des particules (rapport de tailles particule/pore), leur affinité avec la matrice et leur potentiel d'agrégation.Deux exemples illustrent en particulier la diversité des régimes étudiés ; chacun étant associé à un modèle prédictif simple permettant une application directe à un large panel de systèmes. D’une part, le coincement stérique de particules non-colloïdales conduit à la formation d’amas de taille comparable aux pores, déviant l'écoulement. Une concentration critique de ces bouchons correspond à une saturation de la matrice et divergence des dépôts (blocage complet du système). D'autre part, l'adsorption de particules colloïdales aux parois de la matrice est étudiée selon leur mode de transport et potentiel d’agrégation. Leur accumulation est associée à un mécanisme atypique d'autorégulation équilibrant la cohésion entre particules et les forces visqueuses évoluant avec la porosité ; allant jusqu’à empêcher un blocage du système
From the separation of products on industrial filters to the propagation of pollutants in soils or the transmission of micro-organisms in biological tissues, the transport of particles through porous matrices is ubiquitous. Particle-matrix interactions involve crucial deposition mechanisms, often studied by numerical simulations, global measurements or reduced (1D or 2D) systems. By making adapted 3D porous media (transparent random packings of spheres), and taking advantage of original internal observations (MRI, confocal microscopy), we have been able to directly visualize and analyze the whole range of transport and deposition dynamics at the global and local scales. Varying in turns the particles size (tens of nanometers to tens of microns), long-range interactions (electrostatic or magnetic) and shape (from unique spheres to clusters), all deposition regimes are finally mapped according to three key parameters: particle confinement (particle/pore size ratio), particle-surface affinity, and inter-particle aggregation ability.Two examples highlight the diversity of these regimes. First, we show that non-colloidal particles of sufficient size tend to clog pores by accumulating in pore size clusters, which ultimately constitute regions avoided by the flow. A critical cluster concentration (percolation) corresponds to a system saturation, i.e. caking. Further insights on the impact of the particle shape on the clogging dynamics are also proposed. On another side, for non-clogging colloidal particles, we show that particle accumulation is a self-limited mechanism, towards a deposited fraction associated with a balance between the colloidal cohesive energy and the local flow (drag energy varying with evolving porosity).In the end, the classification of the main deposition regimes combined with simple predictive models allows an application of these results to a broad range of systems

Nous avons etudie le mecanisme d'interaction entre des polymeres associatifs telecheliques modeles et des particules de latex en suspensions concentrees. Ces polymeres sont utilises comme epaississants dans les peintures aqueuses. Nous avons utilise differentes techniques complementaires afin d'observer in-situ les interactions en regimes concentres : rheologie, diffusion multiple de la lumiere, quantification de l'adsorption apres centrifugation, diffusion dynamique de la lumiere apres dilution et diffusion de lumiere aux petits angles sous ecoulement (dlpa). Les polymeres etudies sont des polyacrylamides de differentes masses, possedant des extremites hydrophobes de deux longueurs differentes, ainsi qu'un polyacide acrylique. Nous avons montre que la combinaison du pouvoir associatif et adsorbant des polymeres conduit a la formation de couches multiples autour des particules de latex. Elles correspondent a des nuages de polymeres associatifs, c'est-a-dire des zones concentrees et localement tres visqueuses. Pour les polyacrylamides modifies par des segments hydrophobes a 16 carbones, nous avons estime grace a un modele simple une epaisseur de nuage de 40 nm. Dans ce cas, lorsque la fraction volumique de latex est elevee (>10%), ces nuages s'interpenetrent et creent des liens viscoelastiques reversibles entre particules voisines. Il en resulte une structure de super-reseau de particules, connectees physiquement par ces nuages interpenetres. Cette structure explique les proprietes macroscopiques observees. Les polyacides acryliques tres fortement associatifs, quant a eux, floculent les suspensions de latex.

La caracterisation physique, par microscopie electronique, des membranes minerales microporeuses permet de calculer une permeabilite theorique du milieu filtrant et de mettre en evidence, le cas echeant, une structure composite. La comparaison des valeurs theoriques aux valeurs experimentales, mesurees par permeametrie a l'eau, permet de quantifier cet effet composite ainsi que les interactions possibles entre le permeat et la surface membranaire. La filtration d'une suspension de microparticules de bentonite provoque la mise en place quasi-instantanee d'un depot particulaire tres fin mais homogene sur la surface membranaire. Ce depot joue le role de membrane dynamique, sa resistance a l'ecoulement est preponderante devant celle de la membrane originale. Si la valeur de cette resistance depend peu de la permeabilite de la membrane choisie ou des conditions de circulation du retentat, elle est une fonction croissante de la pression operatoire choisie et de la concentration particulaire de la suspension a filtrer. Une representation parametrique de la variation de la resistance du depot en fonction des parametres operatoires testes est proposee. Enfin, si dans les conditions testees, l'application d'un champ electrique a peu d'effet sur les flux de permeat obtenus, une circulation de grosses particules (promoteurs de turbulence) dans le retentat permet une intensification importante du processus, le flux de filtrat obtenu est multiplie par un facteur 6

L'objet de cette thèse est l'étude de la déposition de particules colloïdales dans un dispositif utilisé dans l'industrie, le dip-coating, qui consiste à plonger un substrat dans un bain de suspension colloïdale, et à l'en retirer à vitesse constante. Ce dispositif fait intervenir trois phénomènes, dont l'importance est prépondérante dans la même zone, à proximité de la ligne de contact: l'évaporation, présentant une singularité à la ligne triple, l'hydrodynamique, présentant une divergence des contraintes visqueuses à cette même ligne, et le dépôt de particules. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à l'évaporation d'un liquide pur, dont la ligne de contact est en mouvement. Nous avons pu donner de nouvelles lois de Voïnov (en mouillage partiel) et de Tanner (en mouillage total), prenant en compte l'évaporation, et pouvant expliquer les difficultés observées dans les mesures d'angles de contact. Enfin, nous avons pu isoler une longueur, appelée longueur de capture, grâce à une situation de flux nul. Dans une seconde partie, nous nous sommes penchés sur le cas classique de la "tache de café", où la ligne de contact est fixe, mais où il y a présence de particules. Nous avons pu isoler différentes phases de croissance du dépôt solide de particules, ainsi que la formation par flambage ou fluage de la surface de structures organisées à l'échelle microscopiques. Dans une troisième partie, nous avons étudié le dispositif de dip-coating proprement dit. Cette étude nous a permis de mettre en évidence un minimum dans l'épaisseur de particules déposées, et d'expliquer un nouveau régime de déposition appelé "régime évaporatif", grâce au concept de ligne de capture.

Les suspensions minérales de particules fines sont connues pour leur comportement non-Newtonien pendant l'écoulement. Les interactions particule-particule dans de tels systèmes (c’est-à-dire, suspensions minérales) ne sont pas limitées au contact physique, e.g. collision et frottement. La capacité des minéraux de développer une charge dans l'environnement aqueux justifie des comportements différents des systèmes similaires de première vue. C’est à dire qu’étant caractérisées avec la même fraction volumétrique, composition chimique et granulométrie des solides et densité de dispersant, deux suspensions peuvent montrer un comportement rhéologique différent en raison de la chimie de la solution. Dans ce cas, la composition ionique du dispersant définira la charge des particules, et donc le degré d'agglomération/dispersion dans la suspension. Les argiles phyllosilicates sont connues pour être particulièrement problématiques dans les processus de valorisation des minéraux. L’origine de ces minéraux phyllosilicates implique leur inhomogénéité chimique spatiale, ce qui signifie que le bord et la face de la particule montrent des propriétés chimiques et physiques différentes. La présence de tels minéraux dans les dispositifs d'agitation (réservoirs d'agitation, cellules de flottation) est souvent caractérisée par la coexistence de volumes de suspension stagnants et agités, ce qui a un impact négatif sur l'efficacité de l'agitation. Dans ce travail, les suspensions aqueuses diluées de Na-bentonite ont été examinées par vélocimétrie par imagerie par résonance magnétique afin d'étudier l'influence du pH et du type d'électrolyte monovalent sur leur comportement rhéologique local. Les résultats ont montré que les suspensions contenant 0,1% de solide en volume peuvent présenter une bande de cisaillement, une localisation de cisaillement ou aucun phénomène local en fonction de la chimie du milieu de suspension. Il a été suggéré que l’existence d’une «master curve» (ou courbe d’écoulement globale) pour les suspensions diluées dépendait de l’organisation des particules de bentonite dans la suspension, cette organisation est influencée par la chimie de solution et l’historique des contraintes précédentes. Dans l'étape suivante, une seconde et troisieme phases minérales (hématite et quartz) ont été ajoutées dans la matrice de bentonite. L’intérêt dans tels systèmes est lié au comportement sous écoulement des matrices formées avec des types de contacts différents entre particules. Les types de contacts établis dans les suspensions avec une chimie différente du milieu ont été discutés, ainsi que leurs propriétés d’écoulement
Fine particle mineral slurries are known to exhibit non-Newtonian behavior under the load. The particle-particle interactions in such suspensions go beyond physical contact due to the collision and friction. An ability of minerals to gain the charge in the aqueous environment justifies different behaviors of the similar systems. Being characterized with the same volumetric fraction, chemistry and particle size distribution of solids, and specific gravity of dispersing media, two suspensions can possess different rheological behavior due to the chemistry of the solution. In this case, the ionic composition of the media defines particle charging, and thus the degree of agglomeration/dispersion in the suspension. Phyllosilicate clays are known to be particularly problematic in the mineral beneficiation processes. Their nature leads spatial chemical inhomogeneity, meaning that the particle edge and face possess different chemical and physical properties. The presence of such minerals in the stirring devices (stirring tanks, flotation cells) is often characterized with coexistence of stagnant and agitated volumes of slurry, which negatively impacts the efficiency of stirring. In this work, the dilute aqueous Na-bentonite suspensions were examined via magnetic resonance imaging velocimetry to investigate the influence of pH and type of monovalent electrolyte on their local rheological behavior. The results indicated that suspensions with 0.1 vol.% solid can exhibit shear banding, shear localization or no local phenomenon as a function of chemistry of the suspending media. It was suggested that the existence of master curve (or global flow curve) for dilute suspensions was dependent on the bentonite particle organization in the suspension, which was influenced by the chemistry of the environment and the previous flow history. In the next step, second mineral phase (hematite or quartz) was added to the bentonite matrix. The interest in examination of such systems is related to the flow behavior of matrix formed with different kinds of inter-particle contacts. For example, at pH 4 the resulting electrostatic interaction between positively charged bentonite edge and negatively charged quartz is attractive, whereas at the same pH it is repulsive with the positively charged hematite. These electrostatic interactions result in different organization of matrix particles around another mineral phase. In the system with solely repulsive interactions between all sites of all mineral phases (e.g., quartz and bentonite, pH 10) the deviation from Newtonian behavior is justified by the shear-induced particle rearrangements, collision and friction. The difference in the arrangement of bentonite particle aggregates around the hematite or quartz particles was observed using SEM. As a next step the third mineral phase was added. The types of contacts established in the suspensions with different chemistry of the media were discussed along with their flow propperties

Les suspensions minérales de particules fines sont connues pour leur comportement non-Newtonien pendant l'écoulement. Les interactions particule-particule dans de tels systèmes (c’est-à-dire, suspensions minérales) ne sont pas limitées au contact physique, e.g. collision et frottement. La capacité des minéraux de développer une charge dans l'environnement aqueux justifie des comportements différents des systèmes similaires de première vue. C’est à dire qu’étant caractérisées avec la même fraction volumétrique, composition chimique et granulométrie des solides et densité de dispersant, deux suspensions peuvent montrer un comportement rhéologique différent en raison de la chimie de la solution. Dans ce cas, la composition ionique du dispersant définira la charge des particules, et donc le degré d'agglomération/dispersion dans la suspension. Les argiles phyllosilicates sont connues pour être particulièrement problématiques dans les processus de valorisation des minéraux. L’origine de ces minéraux phyllosilicates implique leur inhomogénéité chimique spatiale, ce qui signifie que le bord et la face de la particule montrent des propriétés chimiques et physiques différentes. La présence de tels minéraux dans les dispositifs d'agitation (réservoirs d'agitation, cellules de flottation) est souvent caractérisée par la coexistence de volumes de suspension stagnants et agités, ce qui a un impact négatif sur l'efficacité de l'agitation. Dans ce travail, les suspensions aqueuses diluées de Na-bentonite ont été examinées par vélocimétrie par imagerie par résonance magnétique afin d'étudier l'influence du pH et du type d'électrolyte monovalent sur leur comportement rhéologique local. Les résultats ont montré que les suspensions contenant 0,1% de solide en volume peuvent présenter une bande de cisaillement, une localisation de cisaillement ou aucun phénomène local en fonction de la chimie du milieu de suspension. Il a été suggéré que l’existence d’une «master curve» (ou courbe d’écoulement globale) pour les suspensions diluées dépendait de l’organisation des particules de bentonite dans la suspension, cette organisation est influencée par la chimie de solution et l’historique des contraintes précédentes. Dans l'étape suivante, une seconde et troisieme phases minérales (hématite et quartz) ont été ajoutées dans la matrice de bentonite. L’intérêt dans tels systèmes est lié au comportement sous écoulement des matrices formées avec des types de contacts différents entre particules. Les types de contacts établis dans les suspensions avec une chimie différente du milieu ont été discutés, ainsi que leurs propriétés d’écoulement
Fine particle mineral slurries are known to exhibit non-Newtonian behavior under the load. The particle-particle interactions in such suspensions go beyond physical contact due to the collision and friction. An ability of minerals to gain the charge in the aqueous environment justifies different behaviors of the similar systems. Being characterized with the same volumetric fraction, chemistry and particle size distribution of solids, and specific gravity of dispersing media, two suspensions can possess different rheological behavior due to the chemistry of the solution. In this case, the ionic composition of the media defines particle charging, and thus the degree of agglomeration/dispersion in the suspension. Phyllosilicate clays are known to be particularly problematic in the mineral beneficiation processes. Their nature leads spatial chemical inhomogeneity, meaning that the particle edge and face possess different chemical and physical properties. The presence of such minerals in the stirring devices (stirring tanks, flotation cells) is often characterized with coexistence of stagnant and agitated volumes of slurry, which negatively impacts the efficiency of stirring. In this work, the dilute aqueous Na-bentonite suspensions were examined via magnetic resonance imaging velocimetry to investigate the influence of pH and type of monovalent electrolyte on their local rheological behavior. The results indicated that suspensions with 0.1 vol.% solid can exhibit shear banding, shear localization or no local phenomenon as a function of chemistry of the suspending media. It was suggested that the existence of master curve (or global flow curve) for dilute suspensions was dependent on the bentonite particle organization in the suspension, which was influenced by the chemistry of the environment and the previous flow history. In the next step, second mineral phase (hematite or quartz) was added to the bentonite matrix. The interest in examination of such systems is related to the flow behavior of matrix formed with different kinds of inter-particle contacts. For example, at pH 4 the resulting electrostatic interaction between positively charged bentonite edge and negatively charged quartz is attractive, whereas at the same pH it is repulsive with the positively charged hematite. These electrostatic interactions result in different organization of matrix particles around another mineral phase. In the system with solely repulsive interactions between all sites of all mineral phases (e.g., quartz and bentonite, pH 10) the deviation from Newtonian behavior is justified by the shear-induced particle rearrangements, collision and friction. The difference in the arrangement of bentonite particle aggregates around the hematite or quartz particles was observed using SEM. As a next step the third mineral phase was added. The types of contacts established in the suspensions with different chemistry of the media were discussed along with their flow propperties

Nous avons cherché à comprendre le comportement sous écoulement de suspensions colloïdales d'argiles naturelles. Les particules constitutives de ces argiles ont comme particularité d'être extrêmement anisotropes puisqu'elles se présentent (en moyenne) sous la forme de disques de 200 nm de diamètre pour une épaisseur de 1 nm. Ces matériaux présentent des propriétés mécaniques remarquables parmi lesquelles une forte rhéofluidification ainsi que l'apparition de seuils d'écoulement et ce, pour de très faibles fractions volumiques en particules (environ 1%). Afin de comprendre l'origine de ces propriétés mécaniques, nous avons mis en place un dispositif expérimental permettant d'effectuer simultanément des mesures de viscosité (en cellule de Couette cylindrique) et des mesures de diffusion de rayons-X aux petits angles. Le champ orientationnel de particules 2D très anisotropes en écoulement cisaillé a ainsi été mesuré. En l'absence de cisaillement, et dans la phase de liquide isotrope, les particules s'orientent librement et occupent statistiquement un volume équivalent à celui de la sphère de volume exclu englobant la particule. En appliquant un cisaillement croissant on confine les particules discoïdales, faisant passer progressivement le volume de fluide piégé dans le mouvement moyen des particules de la sphère de volume exclu à un ellipsoïde à double anisotropie. Connaissant le champ orientationnel des particules on peut alors, par le biais d'une relation viscosité - fraction volumique de type Quemada, reconstruire la rhéofluidification de ces suspensions en prenant en compte, non pas la fraction volumique en disques mais celle en ellipsoïdes de confinement
We focussed our interest on the flow behaviour of colloidal suspensions of natural swelling clays. Such systems are strongly anisotropic since the disk-shaped particles in suspensions display an average diameter around 200 nm with a thickness close to 1 nm. Under flow, and for very low volume fractions (around 1%), these materials display remarkable mechanical properties going from quasi-Newtonian liquid to yield stress gel. In order to understand the mechanisms leading to such macroscopic behaviour, we have set up an experimental device that enables us to perform simultaneously viscosity (in a cylindrical Couette cell) and small angles x-ray scattering measurements. Thanks to this Rheo-SAXS device, we measured the orientational field of strongly anisotropic bi-dimensional particles in shear flow. When no shear is applied (and in the isotropic liquid phase), the particles are randomly oriented and occupy statistically a volume equivalent to that of the sphere of excluded volume encompassing the particle. The stronger is the applied shear stress, the more confined are the disk-like particles and consequently the small amount of fluid trapped in the statistical motion of the particles decreases from that of the sphere of excluded volume to that of an oblate ellipsoid with double anisotropy. Thus, knowing the orientational field of the particles (measured by SAXS) and applying an effective approach as the one suggested by Quemada for hard spheres, we tried to rebuild the shear-thinning behaviour of these suspensions by taking the volume fraction in statistical ellipsoid instead of that of disk-shaped particles

La matière active est un domaine en pleine expansion au cours de ces dernières années. Elle est constituée d'entités capables d'utiliser une source d'énergie pour produire un travail local comme de l'auto-propulsion. Cette matière, hors équilibre, possède des propriétés fascinantes comme l'auto-organisation telle qu'observée dans une nuée d'oiseaux. Cependant, cette matière ne se limite pas au vivant et des système actifs abiotiques ont été développés. En particulier, au cours de cette thèse, nous utilisons des microparticules auto-propulsées. Nos objectifs sont de comprendre comment elles s'organisent en présence de gravité et au contact d'une paroi. Notre système est constitué de colloïdes Janus Au/Pt capables de s'auto-propulser en présence d'eau oxygénée par des mécanismes phorétiques. Les colloïdes étant plus denses que l'eau, ils forment une monocouche au fond du récipient. Si ce fond est légèrement incliné, nous observons une sédimentation 2D. Pour les systèmes colloïdaux à l'équilibre, le profil de sédimentation renferme l'équation d'état du système. Pour les systèmes actifs, une équation d'état n'existe pas dans le cas général mais on peut toutefois définir des grandeurs thermodynamiques analogues. J'ai mesuré le profil de sédimentation de mon système actif et je l'ai confronté à des modèles développés pour des particules brownienne actives en milieu « sec » (ABPs). J'ai pu ainsi montrer que le rôle du fluide porteur ne peut être négligé. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés aux propriétés de mouillage de ce système. La matière active est connue pour présenter des propriétés de mouillage effectives mais aucune étude expérimentale avec un système analogue au notre ne s'est focalisée sur le phénomène de mouillage d'une paroi plongée à la verticale dans un sédiment. Nous montrons qu'il s'y forme une couche d'adhésion accompagnée d'une remontée de la densité à la paroi. Pour mieux comprendre les phénomènes observés, nous les avons confrontés à un modèle numérique d'ABPs pour lequel nous pouvons faire varier les interactions entre les particules et la paroi. En jouant sur l'adhésion et l'alignement à la paroi, on est capable de reproduire les résultats expérimentaux. En effet, l'implémentation de ces interactions à la paroi permet, dans une certaine mesure, de prendre en compte numériquement le fluide porteur et donc les interactions hydrodynamique et phorétique de nos colloïdes avec la paroi. On montre ainsi que ces interactions exacerbe grandement la polarisation de la vitesse de propulsion des particules à la paroi qui est en grande partie à l'origine de la remontée de densité. En effet, il a été démontré qu'en régime stationnaire et dilué, les particules loin de la paroi sont capables de se polariser à l'encontre de la gravité. Nous montrons que cette polarisation est amplifiée par un alignement sur une paroi verticale. De plus, l'ajout d'une attraction supplémentaire permet de piéger plus fortement les particules le long de la paroi qui vont alors remonter plus haut que ne le feraient des ABPs sans interactions avec la paroi. Au fur à mesure de leur ascension, les particules vont « s'évaporer » et chuter loin de la paroi conduisant à des mouvements globaux dans le système. La paroi agit comme un moteur de la circulation qui met en mouvement les particules dans le système de façon collective à une échelle bien plus grande que celle de la particule. Enfin, dans la perspective de caractériser la microrhéologie de la matière active, nous présentons également dans cette thèse l'ensemble des avancées sur la conception d'un nouveau microrhéomètre magnétique ainsi que les travaux sur la stabilisation des colloïdes sur des surfaces de verre dans l'objectif de concevoir des cellules d'imagerie sur mesure
Active matter is a rapidly expanding field in recent years. It consists of entities able to use an energy source to produce local work such as self-propulsion. Such matter, by being out of equilibrium, has fascinating properties such as self-organization as seen in a flock of birds. However, active matter is not limited to biological systems. Active abiotic systems have also been developed. Indeed, during this thesis, we study a system made of self-propelled microparticles. Our objectives are to understand how they organize in the presence of gravity and in contact with a wall. Our system is made of Janus Au/Pt colloids that can self-propel in the presence of hydrogen peroxide by phoretic mechanisms. The colloids being denser than water, they form a monolayer on the bottom of their container. Provided a small tilting angle, we can observed 2D sedimentation. For colloidal systems at equilibrium, the sedimentation profile contains the equation of state of the system. For active systems, an equation of state does not exist in the general case, but analogous thermodynamic quantities can be defined. I measured the sedimentation profile of my active system and compared it to models developed for active Brownian particles in a "dry" environment (ABPs). I showed that the role of the background fluid cannot be neglected. In a second part, we studied the wetting properties of our system. Active mater is known to have effective wetting properties, yet no experimental study with a system analogous to ours has focused on the wetting phenomenon of a wall vertically immersed in a sediment. We show that an adhesion layer is formed with the density rising at the wall. To better understand the observed phenomena, we have confronted them with a numerical model of ABPs for which we can vary the interactions between the particles and the wall. By playing on the adhesion and the alignment with the wall, we are able to reproduce the experimental results. Indeed, the implementation of these interactions at the wall enables, to a certain extent, to take into account numerically the background fluid and thus the hydrodynamic and phoretic interactions that our colloids have with the wall. We thus show that these interactions greatly exacerbates the polarization of the propulsion velocity of the particles at the wall which is largely responsible for the density rise. Indeed, it is known that in the dilute and stationary regime, particles far from the wall are able to polarize against gravity. This polarization is amplified by an alignement with a vertical wall. Furthermore, the addition of an additional attraction allows particles to be more strongly trapped at the wall, and rise higher than ABPs without wall interactions would. As they rise, the particles will "evaporate" and fall away from the wall leading to global fluxes in the system. The wall acts as a pump that sets the particles in motion in the system collectively at a much larger scale than the particle. Finally, because we want to investigate the microrheology on active matter, we also present in this thesis all the updates on the design of a new magnetic microrheometer as well as the work on the stabilization of colloids on glass surfaces with the objective of designing custom imaging cells

Nous étudions les phénomènes de ségrégation par taille dans des suspensions concentrées de particules en écoulement. Les particules sont plus lourdes que le fluide, comme dans la plupart des situations pratiques (boues, bétons, propergols solides). Le matériau modèle est transparent, et nous pouvons mesurer les champs de vitesse et de concentration des espèces sous cisaillement. Dans les deux géométries étudiées (Couette et plan-plan), on observe que 'écoulement principal (azimutal) est en général localisé. De plus, nous montrons l'existence systématique d'une composante non azimutale des trajectoires. Expérimentalement, nous établissons les relations entre figure de ségrégation, écoulements primaire et secondaire. Sur cette base, nous discutons les mécanismes possibles de la ségrégation.

Emulsions, suspensions colloïdales, solutions polymères, suspensions bactériennes, ... Les propriétés dynamiques de ces systèmes dispersés reposent sur l'interaction entre la structure microscopique de la phase dispersée et l'écoulement de la phase continue.Le travail présenté dans cette thèse porte sur la dynamique collective de telles suspensions forcées hors-équilibre. Le forçage peut avoir lieu à l'échelle macroscopique (advection, force uniforme, ...) ou à l'échelle microscopique (auto-propulsion).Le dénominateur commun à toutes mes études est de chercher à comprendre la dynamique grande échelle des suspensions sur la base des symétries des interactions, principalement hydrodynamiques, entre les particules.Notre approche est expérimentale et repose sur l'utilisation d'outils microfluidiques pour réaliser des expériences modèles quantitatives.Dans la première partie du manuscrit, j'étudie la dynamique de suspensions de particules passives rigidement confinées au sein d'un film fluide. En particulier, je présente nos résultats expérimentaux et théoriques sur la propagation d'ondes de densité linéaires au sein de telles suspensions. Dans la seconde partie du manuscrit, je m'intéresse à la dynamique d'assemblées bidimensionnelles de particules auto-propulsées en mouvement dans un fluide globalement au repos. Je présente notre système expérimental, basé sur un mode de propulsion original des particules, et qui permet d'étudier et de comprendre l'émergence du mouvement collectif sur la base des interactions de paires. J'étudie ensuite la propagation des excitations non linéaires de ces assemblées de particules dans des milieux hétérogènes
Emulsions, colloidal suspensions, polymer solutions, bacterial suspensions, ... The dynamical properties of these disperse systems rely on the interplay between the microscopic structure of the dispersed phase, and the flow of the continuous phase.This thesis is devoted to the collective dynamics of suspensions driven out-of-equilibrium. The driving can take place either at the macroscopic scale (advection, uniform strength, ...) or at the microscopic scale (self-propulsion).Our goal is to understand the large scale dynamics of the suspensions on the basis of the symmetries of the interactions between the particles.Our approach is experimental. It relies on microfluidic tools to perform quantitative model experiments. In the first part of the manuscript, I focus on the dynamics of suspensions of passive particles in rigidly confined thin liquid films. In particular, I present experimental and theoretical results on the propagation of linear density waves in advected emulsions. In the second part of the manuscript, I study the collective dynamics of bidimensional assemblies of self-propelled particles embedded in a fluid at rest at infinity. I present our experimental setup based on a new propulsion mechanism for the particles. It enables us to study and understand the emergence of collective motion on the basis of the interactions between the individuals. Finally, I investigate the propagation of non-linear excitations of these assemblies of self-propelled particles in heterogeneous media

Ce travail presente un dispositif experimental, mettant en jeu deux outils, permettant de caracteriser la taille (diametre de sauteur = d 3 , 2) et la concentration volumique (c) de suspensions polydisperses de billes de verre dans l'eau. Un capteur a fibres optiques base sur la retrodiffusion de la lumiere par les particules de la suspension mesure le rapport c/d 3 , 2, pour 0. 1 c 0. 4 et pour d 3 , 2 7 m. Et, un dispositif acoustique utilise en transmission (frequence = 5 mhz) mesure la concentration volumique de la suspension independamment de la taille des particules pour 0c0. 4. En couplant ces deux mesures, la suspension est caracterisee au travers de c et d 3 , 2.

L'objectif est d'étudier l'évolution des fractions hétérogènes (particules et substances dissoutes) par spectrophotométrie UV-visible. Deux milieux d'étude représentatifs de deux conditions d'évolution de la matière organique sont choisis : les suspensions papetières et vinicoles. Une étude de milieux modèles permet de montrer l'inflence de la nature et de la taille des fractions hétérogènes sur les réponses optiques. L'application de ce travail aux suspensions réelles permet de suivre simplement et qualitativement des transferts de matière. D'un point de vue quantitatif, la méthode de déconvolution conduit à une bonne recombinaison des spectres. La méthode est performante pour des composés organiques présentant des réponses spécifiques. Pour la quantification de l'ensemble des matières, le couplage spectrophotométrie UV/granulométrie laser est prometteur. Enfin, la complexité de la matrice rend difficile la quantificiation des composés phénoliques dans les suspensions vinicoles
The aim of this work is to study the evolution of these fractions during the transformation of the organic matter by UV-visible spectrophotometry. Suspensions which are representative of two conditions of organic matter evolution are selected : paper and wine-making suspensions. A study of model suspensions and solutions allows to show the influence of the nature and the size of particules or macromolecules an the optical responses. The application of this work to real suspensions leads to qualitative information of transferts phenomena of matter. From a quantitative point of view, the deconvolution of organic compounds which present specific UV responses. Concerning both organic and mineral compounds, the coupling UV-visible spectrophotometry/laser granulometry is promising. Quantification of phenolic compounds in wine-making suspensions is difficult because of the complexity of the matrix

La sédimentation des suspensions aqueuses de particules minérales microniques, polydisperses et concentrées a été analysée à l'aide du Turbiscan MA 2000 fondé sur la diffusion multiple de la lumière, en vue d'établir la procédure qui permet de déceler la présence d'une morphologie fractale, puis de déduire les règles de comportements des suspensions fractales par la modélisation avec les réseaux de neurones. Le domaine des interactions interparticulaires physicochimiques (0 à 10% volumique en solide) a été privilégié.La méthodologie de détermination de la structure multifractale des agglomérats et de la suspension a été proposée. La modification structurale des agglomérats qui est à l'origine de comportements non linéaires des suspensions et qui dépend des propriétés cohésives des particules primaires, est interprétée par la variation de la mobilité électrophorétique des particules en suspension. Une approche d'estimation de ces modifications structurales par les réseaux de neurones, à travers la dimension fractale, a été présentée. Les limites du modèle à assimiler ces comportements particuliers ont été expliquées comme résultant du faible nombre d'exemples et de la grande variabilité des mesures aux faibles fractions volumiques en solide.

Concernant la pollution particulaire des ambiances, qu'elles soient habitables ou destinées à accueillir des populations (grand nombre de personnes, telles que les grands halls publics ou les gares souterraines), c'est essentiellement l'étude du dépôt des particules ou de leur migration dans l'air, qui a le plus souvent été traitée dans la bibliographie.
Pour l'instant trop peu d'études ont été consacrées aux aspects de la remise en suspension des particules car de façon générale, qu'il s'agisse d'habitations ou de grands volumes ouverts au public, les vitesses de l'air restent relativement faibles et permettent difficilement d'«arracher» les particules déposées. C'est dans cet esprit que nous avons élaboré en cellule test, un protocole expérimental pour mettre en évidence ce phénomène. Nos expérimentations permettront de dégager une tendance visant la modélisation du comportement particulaire en phase de remise en suspension.
Nous nous sommes basés sur l'analogie électrique des cycles de charge – décharge d'un self dans une résistance dans un circuit RL pour modéliser le dépôt et la remise en suspension des particules.
Les résultats fournis par le modèle reproduisent dans la majorité des cas les résultats expérimentaux sur des intervalles représentatifs de temps.

On étudie le transport et la dispersion hydrodynamique d’un traceur passif et/ou d’une suspension de particules dans deux fractures modèles avec deux parois lisses ou avec une distribution aléatoire d’obstacles dans l’ouverture. On utilise un écoulement oscillant d’un fluide newtonien afin d’observer les effets sur la dispersion de la réversibilité du déplacement. On caractérise de manière quantitative l’influence des paramètres caractéristiques de l’écoulement: période T et amplitude A des oscillations et temps caractéristique τ_m de diffusion moléculaire sur l’épaisseur.Dans le cas de parois lisses, on montre que les régimes de dispersion sont déterminés par le rapport τ_m/T . Pour τ_m/T≤2, le régime de dispersion de Taylor est dominant et irréversible à l’échelle globale. Pour τ_m/T≥20, on a un régime partiellement réversible pour lequel le mélange reste diffusif à l’échelle globale mais où, localement, la distribution des particules de traceur dans l’épaisseur suit les oscillations de la vitesse locale v_x (z,t) . Dans ce cas, il existe une composante purement convective et réversible de la dispersion.Dans le cas d’une cellule rugueuse, le désordre induit par les obstacles fait apparaitre une composante de dispersion géométrique quand τ_m/T≤0,6, pour laquelle la dispersivité normalisée par l’amplitude l_d/A ne dépend pas de la période T. On observe le régime de dispersion de Taylor dans une gamme 〖0,8≤τ〗_m/T≤1 dépendant de l’amplitude de l’oscillation. Lorsque τ_m/T≥20, on observe le régime de dispersion partiellement réversible déjà observé précédemment dans la cellule lisse. En comparant ces mesures avec celles obtenues par des techniques complémentaires (écho et transmission), on a pu séparer la composante irréversible de la dispersion de la composante réversible associée à des chenaux macroscopiques d’écoulement préférentiel dus à la géométrie de la fracture. L’influence sur la dispersion de particules de 40 µm de diamètre en suspension dans l’écoulement oscillant a été ensuite étudiée dans la cellule lisse. La mesure globale de dispersion a mis en évidence les mêmes régimes d’écoulement qu’en l’absence de particules avec des domaines d’existence déterminés, comme dans ce cas, par la valeur du rapport τ_m/T.Pour mieux comprendre l’origine microscopique des résultats, nous avons suivi les trajectoires individuelles des particules dans un écoulement oscillant. Leur mouvement et la distribution de leurs vitesses ont été mesurés dans plusieurs couches à différentes distances dans l’épaisseur. On observe que les particules suivent les lignes de courant et que le profil de leurs vitesses dans l’épaisseur a la forme parabolique d’un profil de Poiseuille. Par ailleurs, nous avons comparé les distributions des particules après un certain nombre d’oscillations à celles au temps initial et observé, pour de longues périodes T, une migration des particules vers les parois de la cellule. Enfin, certaines particules présentant une réversibilité cinématique de leur mouvement, avec des allers retours suivant la même trajectoire, même en présence d’interactions entre elles.Enfin, en augmentant la concentration des particules, on observe une structuration de la suspension en bandes perpendiculaires à l’écoulement. On a étudié la longueur d’onde λ de cette instabilité en fonction de paramètres géométriques (épaisseur H et largeur de la cellule, diamètre des particules), physiques (viscosité et densité du fluide, densité des particules) et de l’écoulement (variation sinusoïdale ou carrée du débit, amplitude A et période T). La longueur d’onde normalisée λ/H augmente linéairement avec l’amplitude normalisée A/H mais est constante avec T et H et avec le diamètre des particules. Au niveau local, l’instabilité correspond à des variations périodiques de concentration suivant la largeur de la cellule et présentes dans toute l’épaisseur
We study the transport and the hydrodynamical dispersion of a passive tracer and/or a suspension of non-Brownian particles in two model fractures with smooth walls or a random distribution of obstacles in the aperture. We use an oscillating flow of a Newtonian fluid in order to study the effects of the reversibility of the displacement on dispersion. We characterize quantitatively the effects of the characteristic parameters of the flow: period T and amplitude A of the oscillations, and characteristic time τ_m of molecular diffusion across the thickness of the cell.In the case of smooth walls, we show that the dispersion regimes are determined by the value of the ratio τ_m/T. For τ_m/T≤2, the Taylor dispersion mechanism is dominant and irreversible at the global scale. For τ_m/T≥20, one has a partly reversible regime in which mixing remains diffusive at the global scale but, locally, the distribution of the particles in the thickness of the cell follows the oscillations v_x (z,t) of the local velocity. In this case, there exists a purely convective and reversible dispersion component.In the case of a cell with rough walls, flow disorder due to the obstacles results in a geometrical dispersion component when τ_m/T≤0,6, for which the dispersivity normalized by the amplitude l_d/A does not depend on the period T. The Taylor dispersion regime is observed in a range 0,8≤τ_m/T≤1 depending on the amplitude of the oscillation. When τ_m/T≥20, one obtains the partly reversible dispersion regime already observed previously for the smooth cell. Comparing these results to those obtained by complementary techniques (echo and transmission) allows us to separate the irreversible component of dispersion from the reversible one associated to macroscopic preferential flow channels due to the fracture geometry.The influence on dispersion of a suspension of 40 µm diameter non Brownian particles in the oscillating flow has then be studied in the cell with smooth walls. The global tracer dispersion measurements have shown the same dispersion regimes than without particles with domains of existence determined, like in this latter case, by the value of the ratio τ_m/T.In order to understand better the origin of these results at the microscopic scale, we tracked the individual trajectories of the particles in an oscillating flow. Their motion and the distribution of their velocities have been measured in several layers at different distances from the walls in the cell thickness. The particles are observed to follow the flow liens; the profile of their velocities in the thickness displays the parabolic shape of a Posieuille profile. Moreover, we compared the distribution of the particles after a certain number of oscillations to those at the initial time and observed, for long periods T, a migration of the particles towards the vicinity of the cell walls. Moreover, the motion of some particles display a kinematic reversibility and follow the same trajectory for both directions of the flow, even when there are interactions with the others.Finally, when the concentration of the particles is increased, one observes a structuration of the suspension into bands perpendicular to the flow. The wavelength λ of this instability has been studied as a function of geometrical (thickness H and width of the cell, particle diameter) and physical parameters (viscosity and density of the fluid, particle density) and of the characteristics of the flow (sine or square wave variation of the flow, amplitude A et period T). The normalized wavelength λ/H increases linearly with the normalized amplitude A/H but is constant with T and H and with the particle diameter. At the local level, the instability corresponds to periodic variations of the particle concentration along the length of the cell which extend across its whole thickness H
Se estudió el transporte y dispersión hidrodinámica de un trazador pasivo y/o de una suspensión de partículas en una fractura de paredes lisas y en otra, con una distribución aleatoria de obstáculos en su espesor. Se utiliza un flujo oscilante de un fluido newtoniano, permitiéndonos observar los efectos de la reversibilidad del desplazamiento sobre el fenómeno. En todos los casos se buscó cuantificar la influencia de los parámetros característicos del flujo: el período T y la amplitud A de las oscilaciones, el tiempo característico de difusión molecular sobre el espesor τ_m, la concentración y el tamaño de las partículas. En el caso de paredes lisas, se puso en evidencia que los regímenes de dispersión están gobernados por la relación τ_m /T. Se encontró que, a bajos τ_m /T ≤ 2, el régimen de dispersión de Taylor es dominante y, a escala global, es irreversible. Para τ_m /T ≥ 20 encontramos un régimen parcialmente reversible donde la mezcla continúa siendo difusiva a escala global; sin embargo, localmente, las simulaciones numéricas de tipo Monte Carlo mostraron que la distribución de partículas de trazador en el espesor sigue las oscilaciones de la velocidad local v_x (z, t). En este caso, el coeficiente de dispersión tiene una componente puramente convectiva, que es reversible. En el caso de una celda rugosa, el desorden introducido por los obstáculos hizo aparecer la dispersión geométrica a τ_m /T ≤ 0,6, donde la dispersividad ldg varía con la amplitud y no depende del período de la oscilación del flujo. El régimen de dispersión de Taylor se detectó en un intervalo de la relación entre los tiempos característicos más estrecho que en el caso de celda lisa, 〖0,8≤τ〗_m/T≤1, este rango depende de la amplitud de la oscilación. También se encontró el régimen de dispersión parcialmente reversible, para τ_m /T ≥ 20, correspondiendo con lo visto previamente en la celda de paredes lisas. Con técnicas complementarias (eco y transmisión), se aisló la componente de la dispersión irreversible de la reversible indicando la existencia de canales de flujo macroscópicos generados por la geometría de la fractura. Luego, se estudió el efecto sobre la dispersión por la presencia de una suspensión de partículas de poliestireno de 40 μm de diámetro, en la celda de Hele-Shaw lisa, con un flujo oscilante. En la medida global de la dispersión, se encontraron básicamente los mismos regímenes que en la celda lisa. Luego, en una escala microscópica, para terminar de comprender lo que sucede en el fenómeno de dispersión, se realizó el seguimiento de las trayectorias individuales de las partículas dentro de la celda sometidas a un flujo oscilante. Se analizó el movimiento en diferentes capas del espesor y se obtuvieron las distribuciones de velocidades. Se pudo observar que, las partículas se mueven siguiendo las diferentes líneas de corriente y su perfil de velocidades mantiene la forma parabólica característica de Poiseuille. Por otro lado, se aislaron las trayectorias que presentan reversibilidad cinemática, comprobando que hay partículas que van y vienen por el mismo camino, aún en presencia de interacciones débiles entre ellas. Por último, se aumentó la concentración de partículas presentes en la suspensión y se observó que, con un flujo oscilante, la suspensión dentro de la celda se estructura formando bandas periódicas transversales al flujo. Se caracterizó la dependencia de la longitud de onda λ de esta inestabilidad en función de parámetros geométricos (apertura y ancho de la celda, diámetro de partículas); físicos (viscosidad del fluido, densidad de las partículas) y geometría de flujo (sinusoidal, onda cuadrada, T y A). Se encontró que: para cada espesor de la celda, diferente diámetro y densidad de las partículas, viscosidades del fluido, λ resulta constante con T y aumenta linealmente con A. Localmente, se observó que la inestabilidad corresponde a variaciones de la concentración de las partículas en el espesor de la celda

L'étude de la sédimentation des suspensions polydispersées diluées, confinées dans un récipient parallélépipédique rectangle, est menée selon trois axes principaux: l'étude de la vitesse moyenne de sédimentation dans la partie homogène de la suspension, l'étude de l'étalement du front haut de sédimentation, et l'étude de l'effet de circulation globale de la suspension du fait de la sédimentation (convection intrinsèque). Une technique expérimentale d'atténuation d'un faisceau de rayons X monochromatique est utilisée pour mesurer la vitesse moyenne de sédimentation dans la partie homogène de la suspension, la vitesse d'étalement du front haut, et la vitesse de convection intrinsèque. La comparaison de nos résultats expérimentaux avec les résultats théoriques de Batchelor (1972, 1982) permet de mettre en évidence la présence de doublets permanents de particules dans le front haut. Par suite, le calcul de la vitesse d'étalement du front haut d'une suspension monodispersée est abordé en tenant compte de ces doublets permanents de particules. D'autre part, la vitesse de convection intrinsèque est calculée dans un parallélépipède rectangle, et la comparaison avec l'expérience amène à confirmer l'existence probable d'un tel effet de circulation globale de la suspension

Dans certaines conditions de température et de débit, l’eau naturellement présente dans le kérosène va givrer l’intérieur des conduites du système carburant avion. Ces dépôts peuvent libérer des particules de glace qui sont entrainées par l’écoulement, et provoquent le colmatage des équipements hydrauliques situés en aval. Ce phénomène fut mis en évidence suite à l’accident d’un Boeing 777 en 2008, aussi sa compréhension est un enjeu important pour les acteurs de l’industrie aéronautique. Un dispositif a été spécialement conçu pour reproduire cette menace de façon quantifiée. De l’eau est atomisée dans un écoulement à basse température, puis cristallise pour former une suspension qui vient colmater différentes cibles perforées. Les températures, débits et pertes de charge sont mesurées, et le phénomène est filmé par une caméra haute fréquence. Un modèle a été réalisé à partir de cesobservations, complétées par des données issues de la littérature et de retoursd’expérience. Pour la phase fluide, les équations de Navier-Stokes incompressibles sont résolues par une approche volumes finis. Le couplage pression-vitesse est obtenu par l’algorithme SIMPLE et l’ordre élevé au moyen de la méthode MLS. La phase solide est simulée par éléments discrets. L’interaction fluide-particules repose sur une approche de type milieu poreux. Un code CFD-DEM parallèle a été développé, et les premières simulations d’écoulement en milieu granulaire sont en bon agrément avec des résultats expérimentaux
Water, which exists naturally in jet-engine fuel, may freeze within theaircraft fuel pipes under certain temperatures and flow rates. The ice particles released by these deposits are entrained by the flow, and clog the hydraulics downstream. The understanding of this phenomenon, highlighted by the crash of a Boeing 777 in 2008, is an important issue for the aviation industry. Therefore a device has been designed to reproduce this threat in a controlled and quantified way. Water is atomized in low temperature jet-engine fuel and the droplets crystallize. The resulting slurry clogs different kinds of perforated targets. Temperatures, flow rates and pressure drops are monitored, and the phenomenon is filmed by a high frequency camera. A model was constructed based on these observations and data from literature and feedbacks. For the fluid phase, the incompressible Navier-Stokes equations are solved within a finite volume framework. The pressure-velocity coupling is achieved using the SIMPLE algorithm and high order of accuracy thanks to the MLS method. The solid phase is simulated using discrete elements. The fluid-particle interaction is based on a porous medium approach. A CFD-DEM parallel code has been developed to run the model. The first simulations of flow through granular media are in good agreement with experimental results

L’objectif de ce travail est d’étudier le phénomène de ségrégation des particules colloïdales et non-colloïdales dans les suspensions cimentaires sous cisaillement et de déterminer un critère rhéométrique quantitatif capable d’évaluer leur ségrégabilité pendant les essais de caractérisation rhéologique.Afin de répondre à cet objectif, nous appliquons une méthodologie spécifique permettant, d’une part, la caractérisation rhéologique des suspensions cimentaires sous cisaillement en utilisant un rhéomètre à cylindres coaxiaux et, d’autre part, le suivi de leur état de stabilité au cours de la caractérisation. Le protocole expérimental se compose de deux cycles identiques et de différents paliers de gradient de cisaillement décroissant, permettant la caractérisation rhéologique des suspensions. L’essai rhéométrique a été effectué systématiquement deux fois en faisant varier l’entrefer vertical entre le mobile et le récipient. La caractérisation rhéologique des suspensions a été associée à plusieurs mesures de masse volumique dans les différentes parties du rhéomètre à des moments caractéristiques de l’essai rhéométrique permettant le suivi de la stabilité et l’évaluation quantitative d’une éventuelle ségrégation. L’ensemble des résultats a permis de définir un critère de ségrégabilité basé uniquement sur les mesures rhéométriques permettant de quantifier la ségrégabilité des suspensions cimentaires pendant la caractérisation rhéologique à cause du cisaillement. Les résultats rhéométriques entre deux configurations géométriques de dispositifs de cisaillement ont été comparés afin d’étudier l’influence des caractéristiques géométriques des rhéomètres à cylindres coaxiaux sur le potentiel de ségrégation des particules cimentaires (colloïdales) et des billes de verre sphériques (non-colloïdales). Les différences observées ont été analysées à l’aide de simulations numériques des écoulements dans chaque configuration à l’aide du logiciel COMSOL MULTIPHYSICS.Il a été montré que l’effet du fond influe significativement sur les résultats rhéométriques des suspensions cimentaires entrainant une modification de cette méthodologie selon la configuration. De plus, pour la configuration utilisée dans le cadre de ce travail, la ségrégation des particules devient plus prononcée au 2e cycle au lieu du 1er cycle signifiant un retard de ségrégation dans ce cas. Ce retard est dû aux rainures de grandes dimensions sur les parois des cylindres comparativement à l’entrefer horizontal qui entraine un écoulement turbulent du fluide dans le rhéomètre empêchant la ségrégation des particules. La simulation numérique a aussi montré que le potentiel de ségrégation des particules est influencé principalement par la présence ou pas de rainures sur la paroi du récipient. D’autre part, l’introduction des billes de verre, considérées comme les particules non-colloïdales, n’influence pas la ségrégation des particules colloïdales. Les coulis ségrégatifs peuvent se diviser entre deux types : faiblement ségrégatif où la ségrégation des billes n’a pas lieu ; fortement ségrégatif où les billes commencent à ségréger. Ces constats ont été confirmés par l’analyse comparative de la variation du critère de ségrégabilité au cours des essais rhéométriques entre les coulis avec et sans billes
The aim of this work is to study the phenomenon of segregation of colloidal and non-colloidal particles in sheared cementitious suspensions and to determine a quantitative rheometric criterion capable of evaluating their segregability during rheological characterization tests.In order to meet this objective, we apply a specific methodology allowing, on the one hand, the rheological characterization of cementitious suspensions under shear using a rheometer equipped with coaxial cylinders and, on the other hand, the monitoring of their state of stability during characterization. The experimental protocol consists of two identical cycles and different decreasing shear gradient steps, allowing the rheological characterization of the suspensions. The rheometric tests were performed systematically twice by varying the vertical gap between the mobile and the container. The rheological characterization of the suspensions has been associated with several density measurements in the different parts of the rheometer at characteristic moments of the rheometric test for monitoring the stability and quantitative evaluation of possible segregation. All the results made it possible to define a segregation criterion based solely on the rheometric measurements making it possible to quantify the segregability of the cementitious suspensions during the rheological characterization because of the shear. The rheometric results between two geometrical configurations of shearing devices were compared in order to study the influence of the geometrical characteristics of coaxial cylinder rheometers on the segregation potential of cementitious (colloidal) particles and spherical glass beads(non-colloidal). The observed differences were analyzed using numerical flow simulations in each configuration using the COMSOL MULTIPHYSICS software.It has been shown that the effect of the bottom has a significant influence on the rheometric results of the cement suspensions causing a modification of this methodology according to the configuration. In addition, for the configuration used in this work, the segregation of the particles becomes more pronounced in the second cycle instead of the 1st cycle signifying a segregation delay in this case. This delay is due to the large serrations on the walls of the cylinders compared to the horizontal gap which causes a turbulent fluid flow in the rheometer preventing the segregation of the particles. Numerical simulation has also shown that the particle segregation potential is mainly influenced by the presence or absence of grooves on the container wall. On the other hand, the introduction of glass beads, considered as non-colloidal particles, does not influence the segregation of the colloidal particles. Segregative grouts can be divided into two types: weakly segregative where segregation of the beads does not occur; highly segregative where the beads begin to segregate. These findings were confirmed by the comparative analysis of the variation of the segregability criterion during the rheometric tests between grouts with and without beads

Lorsque des particules actives, des particules pouvant se mouvoir par elles-mêmes, sont mises en suspension dans un fluide, celles-ci peuvent avoir un comportement collectif. Dans ce document, nous présentons des travaux expérimentaux utilisant des Escherichia Coli, une particule biologique, des techniques microfluidiques, ainsi que des simulations numériques. Ceux-ci nous ont permis de caractériser les comportements collectifs de ces nageurs, leur modification en présence d'un cisaillement extérieur ainsi que l'impact de ces comportements microscopiques sur sa viscosité. Nous avons ainsi mis au jour le caractère progressif de l'apparition des mouvements collectifs avec la concentration, l'existence d'un taux de cisaillement critique commun pour les comportements individuels et collectifs des nageurs, ainsi qu'une rhéologie non-newtonienne de ces suspensions
If we put active particles, ie. motile particles, in suspension into a _uid, collective behaviors can occur. In this document, we present experimental works using Escherichia Coli, a biological particle, micro_uidic devices, and numerical simulations. By these ways, we caracterized these swimmers, their collective motions, the impact of an external shear on their behavior, and rheological behavior of this kind of suspensions. We show that the typical size of these collective motions increases smoothly with the volume fraction, and that a critical shear rate exist and is the same for individual and collective motion under shear. We also show for that bacterial suspensions have a non-newtonian viscosity and describe their rheological behavior

En 1970, George K. Batchelor suggérait que la connaissance des lois de l'hydrodynamique rendait possible la dérivation de propriétés rhéologiques macroscopiques telle la viscosité, à partir de la connaissance de la microstructure d'une suspension de particules. Quarante ans plus tard, ses espoirs ne se sont pas concrétisés et la rhéologie des suspensions,notamment en régime concentré, reste un domaine de recherche très actif.Considérant des suspensions modèles de particules non colloïdales dans un liquide newtonien, le travail expérimental réalisé au cours de cette thèse s'est d'abord attaché à unifier les concepts classiquement définies en rhéologie des suspensions et ceux issus des récentes avancées sur les écoulements granulaires. Dans ce but, un dispositif original de cisaillement à pression imposée a été développé et a permis une caractérisation claire des équations constitutives en régime très dense.Par la suite, des configurations d'écoulements à surface libre ont été utilisées pour la mesure des deux différences de contraintes normales.Enfin, la mise en cohérence de l'ensemble des résultats expérimentaux donne une formulation complète et cohérente de la rhéologie des suspensions non colloïdales
In 1970, George K. Batchelor suggested that the knowledge of the laws of hydrodynamics made ​​possible the derivation of macroscopic rheological properties such as the effective viscosity, from the knowledge of the microstructure of a suspension of particles. Forty years later, his hopes have not materialized and the rheology of suspensions, particularly in the concentrated regime, remains an area of ​​active research. Considering suspensions of non-colloidal particles in a Newtonian liquid, the experimental work in this thesis was first attached to unify the concepts traditionally defined rheology of suspensions and those from recent advances on granular flows. For this purpose, an original of shear imposed pressure was developed and showed a clear characterization of constitutive equations in the dense regime. Subsequently, the configurations of free surface flows have been used for the measurement of both normal stress differences. Finally, the coherence of all the experimental results gives a complete and consistent formulation of the rheology of non-colloidal suspensions

Etude experimentale du transfert de matiere a l'aide d'une methode electrochimique. La valeur instantannee du coefficient de transfert permet de valider l'hypothese de l'etat quasi stationnaire. On etudie aussi grace a un traceur la dispersion axiale

Le séchage par pulvérisation des suspensions est une opération énergétiquement coûteuse et requiert le développement de nouveaux procédés. Ce travail concerne le séchage par pulvérisation des suspensions concentrées de CaCO3. Deux procédés de séchage ont été étudiés : par pulvérisation classique et dans un lit fluidisé de particules inertes. L'utilisation adéquate de dispersant permet de préparer des suspensions pulvérisables et d'optimiser leur siccité. Le procédé classique conduit à l'obtention de grains sphériques de bonne coulabilité. Le séchage en lit fluidisé de billes de verre accroît fortement la surface de transfert de masse et de chaleur, et produit une poudre très fine, grâce aux chocs engendrés par le mouvement du lit fluidisé, permettant un broyage de l'enrobage. L'analyse du procédé est approfondie par l'étude à l'échelle locale : la cinétique de séchage, par la mise en place d'une veine de séchage, et le phénomène d'adhésion par la conception d'un test de cisaillement
Spray drying of suspensions often leads to high energy costs and requires the development of new processes. This work deals with spray drying of CaCO3 concentrated suspensions. Two processes of drying were studied : traditional spray drying and drying in a fluidized bed of inert particles. Through the adequate use of dispersant, it is possible to prepare pulverizable suspensions and to optimize their dryness. The traditional process gives spherical particles with a good flowability. Spray drying in a fluidized bed of inert glass beads strongly increases the surface for mass and heat transfer, and gives a very fine powder. Due to intensive interparticle shocks, induced by the fluidized bed movement, the crushing of the coating occurs. The process analysis is deepened by local scale studies: the drying kinetics, with the installation of a drying duct, and the adhesion phenomenon with the shear test setup