Дисертації з теми "Micro-Instabilités"

Tous les organismes sont constitués de cellules. Cellule animale et cellule végétale se distinguent par quelques caractères qui ont des implications importantes sur la structure et le fonctionnement de l'organisme entier. Ainsi, le vivant offre une richesse de systèmes physiques, physico-chimiques et mécaniques aux propriétés originales, dont les mécanismes de base restent à élucider. En effet, il existe aujourd'hui une grande diversité d'objets mous, déformables, formés d'une membrane fermée plongée dans un fluide : les vésicules, les capsules, les globules rouges. . . Ces objets mous, en suspension, ont la capacité de changer leurs formes quand elles sont soumises à des forces externes. Parmi les objets déformables usuels, on peut regrouper des objets biologiques (comme les globules rouges) ou artificiels (comme les capsules) ou biomimétiques (comme les vésicules). Chacun possède des caractéristiques élastiques propres, permettant de répondre aux multiples demandes de l'ingénierie dans les domaines de la cosmétique, l'agroalimentaire, la pharmacie, la biologie etc. La compréhension du comportement mécanique de ces objets est donc un point essentiel. En particulier leur comportement quand elles sont en suspension libre dans un écoulement de cisaillement ou circulant dans un conduit étroit tel un pore micro-fluidique. Trois déformations élémentaires permettent de décrire la mécanique de la membrane : (i) le cisaillement (qui garde la surface de la membrane conservée), (ii) Extension ou compression (qui peut induire une variation de la surface membranaire, souvent très faible) et (iii) Flexion. Lorsque la membrane n'est pas tendue, elle dispose d'un réservoir important de surface, ce que lui permet d'adopter des formes très variées […] L'objectif de cette thèse est de réaliser une modélisation analytique d'interaction fluide-structure, encore très mal connue, permettant de décrire le mouvement et les grandes déformations d'un objet mou (capsule non-sphérique, vésicules), en écoulement dans un fluide externe (un écoulement Poiseuille ou cisaillement par exemple). Cette étude nous permettra de comprendre la déformation des globules rouges dans des vaisseaux sanguins. Il existe plusieurs différences mécaniques entre un globule rouge et une vésicule. Par exemple : la rigidité membranaire indiquée par le module de courbure, le module de cisaillement qui est nul dans le cas de la vésicule mais défini dans le cas de globule rouge. Cependant, le modèle de vésicule peut aider à la compréhension d’écoulement sanguin. Il en va ainsi pour les capsules non-sphériques. En effet, dans le cas de capsules non-sphériques, la membrane est soumise à des efforts de compression lors de leurs mouvements dans un écoulement de cisaillement. Ces particules sont également en compression lors de l'inversion de courbure qu'elles subissent quand elles s'écoulent dans des canaux de section comparable à leur taille. L'évaluation de ces contraintes dans la membrane est difficile à faire avec précision et demeure un grand challenge à relever

La plupart des digues sont constituées de matériaux granulaires compactés. Elles sont ainsi perméables et constamment soumises à des écoulements d’eau dans leur volume. Dans certaines conditions, ces écoulements peuvent altérer leur microstructure par érosion interne et générer des instabilités mécaniques responsables de ruptures inopinées lors de crues. Cette thèse s’intéresse à l’analyse multi-échelle des instabilités mécaniques dans les matériaux granulaires soumis à l'érosion interne. Dans ce travail, le comportement mécanique de ces matériaux est simulé en 3D à l’échelle de volumes élémentaires représentatifs, et ce, pour différents états de contraintes et gradients hydrauliques. Grâce à l’utilisation du critère du travail du second ordre et d’outils micromécaniques, leur stabilité est analysée avant et après l’application d’un écoulement interne. Il est établi que l’origine micro-inertielle des instabilités observées provient du déconfinement et de la flexion des chaînes de force ainsi que des déformations plastiques importantes résultant de leur effondrement. Par leur capacité à enrayer rapidement le développement de telles déformations plastiques, il est montré que les particules libres contribuent à assurer la stabilité mécanique des matériaux granulaires. Ce résultat est fondamental pour analyser les conséquences de l’érosion interne en termes de stabilité mécanique car les particules libres sont facilement transportables sous l’action d’un écoulement interne. Selon si elles sont colmatées ou érodées, un écoulement interne aura un effet stabilisateur ou déstabilisateur vis-à-vis du comportement mécanique des matériaux granulaires soumis à l’érosion interne
Dikes are most of the time built of compacted granular materials that are permeable and continuously subjected to internal fluid flows. In some cases, microstructure modifications resulting from internal erosion generate mechanical instability that will lead to unexpected failures in case of serious flooding. This thesis focuses on multi-scale analysis of mechanical instability in granular materials subjected to internal erosion. In this work, the mechanical behavior of such materials is simulated in three dimensions at the scale of representative elementary volumes subjected to different stress states and hydraulic gradients. Thanks to the use of the second order work criterion and micromechanical tools, the mechanical stability of these materials is tested before and after internal erosion. It is established that the micro-inertial origin of the observed instabilities is linked to force chain deconfinement and bending as well as to the development of large plastic strains resulting from force chain collapse. By preventing the development of such plastic strains, it is shown that rattlers contribute to ensure the mechanical stability of granular materials. This key finding is of a particular significance in relation with internal erosion as rattlers can be easily transported under the action of an internal fluid flow. Depending on whether they get clogged or eroded, an internal fluid flow has thus either a stabilizing or a destabilizing effect on the mechanical behavior of granular materials subjected to internal erosion

Ce travail explore expérimentalement en géométrie microfluidique, des instabilités sous champ de fluides magnétiques aqueux, aux propriétés bien caractérisées et dont les nanoparticules sont stabilisées électrostatiquement.La micro-convexion magnétique observée à l'interface miscible entre le fluide magnétique et l'eau est étudiée quantitativement dans une cellule de Hele-Shaw sous champ magnétique homogène, en particulier par vélocimétrie par image de particules. Les résultats sont comparés aux prédictions théoriques et à des simulations numériques. Au delà de la caractérisation des champs critiques, il est observé qu'une augmentation du champ H accélère la croissance des doigts, comme H2, tandis que la figure de digitation n'est pas modifiée. Une application au mélange en microfluidique est ici envisagée. L'étude de la micro-convexion a révélé une diffusion effective de coefficient beaucoup plus grand que celui des nanoparticules, tel que prédit par la formule de Stockes-Einstein ou obtenu par des mesures directes. Des explorations expérimentales montrent que cette diffusion effective provient d'un écoulement lié à la différence de densité des deux fluides. La diffusion semble influencée par les agents qui stabilisent les nanoparticules. Des gouttes de liquide magnétique concentré co-existant avec une phase diluée sont obtenues par séparation de phase induite par ajout de sel et/ou application d'un champ magnétique. Leur déformation sous champ permet de suivre l'évolution temporelle de la phase concentrée métastable. Dans un champ magnétique précessant à l'angle magique, les gouttes se comportent comme en champ tournant, sauf en ce qui concerne leur déformation initiale
Magnetic field induced instabilities of magnetic fluids in microfluidic environment are investigated experimentally. Electrically stabilized water-based magnetic nanocolloids are used and throughout characterized.Magnetic micro-convection, observed at a miscible magnetic fluid-water interface in a Hele-Shaw cell in homogeneous field, is studied quantitatively and compared with theoretical predictions and numerical simulations, micro-convective flows being characterized by particle image velocimetry. Besides the critical field determination, it is shown that an increase of the magnetic field H speeds up the finger growth, which scales as H2, while the size of the fingering pattern is not changed. An application towards mixing enhancement in microfluidics is considered.The micro-convection study reveals a much larger effective diffusion coefficient of the nanoparticles than expected from Stokes - Einstein relation and standard determinations. Investigations with the same setup and with continuous microfluidics show that the effective diffusion mostly arises from a flow induced by the density difference between the miscible fluids. Additionally, the diffusion coefficient seems to be influenced by the particle stabilizing agents.Drops of a concentrated magnetic phase in co-existence with a dilute one are formed by phase separation after salt addition to the magnetic fluid and/or the application of a magnetic field. Their under-field shape deformations allow investigating the time evolution of the concentrated phase. Experiments show that in a precessing field at magic angle, the drops behave as in a rotating field except the initial shape deformation before quick elongation

Les propulseurs plasmiques de type Hall possèdent des caractéristiques fonctionnelles qui répondent particulièrement bien aux besoins en propulsion des nouvelles générations de satellites. Le fonctionnement de ces propulseurs est basé sur la création et l'accélération d'un plasma de xénon dans une décharge en champs croisés E x B. Dans le cadre d'un groupement de recherche constitué du CNRS, du CNES, de la SNECMA et de l'ONERA, un effort particulier est porté pour améliorer la compréhension des mécanismes physiques qui gère le fonctionnement de ces propulseurs. L'étude expérimentale de la réponse du moteur à des extinctions de courant obtenues avec un interrupteur ultra-rapide a pris une place particulière dans cette thèse. Cette approche a permis d'apporter un nouvel éclairage sur les processus collisionnels de création du plasma et a rendu possible une caractérisation fine du comportement dynamique de la décharge. Le transport des électrons dans la décharge à travers le champ magnétique reste encore un problème ouvert. Des mesures à l'aide d'antennes large-bande ont permis d'observer la corrélation entre le développement d'instabilités haute fréquence (6 MHz) et une augmentation macroscopique du courant. Ces mesures mettent en évidence l'existence d'un transport turbulent des électrons dans la décharge.

On s'intéresse dans cette thèse au pseudo-spectre d'une classe particulière d'opérateurs non auto-adjoints. Plus précisément, on étudie les propriétés microlocales régissant les phénomènes de stabilité ou d'instabilité spectrale qui apparaissent sous l'effet de petites perturbations pour les opérateurs différentiels définis en quantification de Weyl par des symboles quadratiques elliptiques à valeurs complexes. Nous établissons dans ce manuscript une condition nécessaire et suffisante simple portant sur le symbole de Weyl de tels opérateurs, qui assure la stabilité de leurs spectres. Lorsque cette condition est violée, nous démontrons qu'il se développe de très fortes instabilités spectrales pour les hautes énergies de ces opérateurs dans des régions -- qui peuvent être très éloignées de leurs spectres -- dont nous donnons une description géométrique précise. Pour mettre en évidence de telles instabilités spectrales, nous sommes amenés à étudier et à établir certaines conditions géométriques assurant l'existence de quasi-modes semi-classiques pour des opérateurs pseudo-différentiels généraux.

L'introduction de diélectriques de forte permittivité dit « High-Κ » peut faire apparaître des comportements jusqu'ici négligeables. C'est le cas du phénomène de relaxation diélectrique. Ce mémoire traite de l'étude de ce phénomène dans les capacités Métal-Isolant-Métal intégrés en microélectronique. Au travers de plusieurs diélectriques amorphes et d'un diélectrique ferroélectrique, deux comportements sont identifiés, le comportement de « flat loss » et celui de polarisation d'électrode. Comme la relaxation diélectrique peut dégrader les performances de certains circuits, une modélisation a été proposée grâce à la réalisation d'un circuit de mesure de l'effet mémoire. Puis l'étude détaillée du comportement du diélectrique Ta2O5, aussi bien en terme de stabilité de courant qu'en terme de variation de permittivité dans les basses fréquences, permettra de mettre en évidence la migration de lacunes d'oxygène dans le diélectrique. Finalement, deux solutions sont proposées afin de réduire le phénomène de relaxation diélectrique tout en obtenant de bonnes performances électriques. La première consiste à déposer des stacks diélectrique basés sur les performances du Ta2O5. La seconde propose l'intégration d'un nouveau diélectrique, l'oxyde de Zirconium.

Dans ce mémoire de thèse, je rapporte les résultats des études réalisées durant ces trois dernières années à l'Institut Non Linéaire de Nice. D'une part, je présente nos expériences de miroir de rétro-action conduisant à la formation spontanée de patterns dans la section transversale d'un faisceau laser (pompe) traversant le centre d'un nuage d'atomes froids de 87Rb et rétro-réfléchi par un miroir placé à une distance du nuage. Dans ces expériences nous discernons trois types de mécanismes de nonlinéarités : la nonlinéarité de spin qui est liée au pompage Zeeman, la nonlinéarité électronique existant pour un atome à deux niveaux et la nonlinéarité opto-mécanique qui est liée à la force dipolaire. Ces mécanismes dépendant des paramètres du MOT et de la pompe (intensité, désaccord, durée) sont étudiés séparément en jouant sur ces paramètres. Ces études expérimentales sont comparées avec des résultats obtenus avec des modèles théoriques. D'autre part, je présente nos observation concernant la densité d'état intégrée et les la densité d'états locale des bandes d'un quasi-cristal bidimensionnel. Dans cette expérience réalisée au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, nous avons réalisé des quasi-cristaux en disposant des résonateurs diélectriques agissant dans le domaine micro-onde sur des pavages de Penrose 2D. Un modèle numérique prenant en compte les paramètres expérimentaux est utilisé pour comparer les résultats obtenus
First, I present our feedback experiment leading to the spontaneous formation of patterns in the cross section of a laser beam passing through a cloud of cold 87Rb atoms and retroreflected by a mirror. In these experiments we were able to identify three mechanisms of nonlinearity: the spin nonlinearity associated with the Zeeman degrees of freedom, the electronic nonlinearity due to the saturation of a two-level atom and the optomechanical nonlinearity due to the spatial bunching of atoms by the dipole force. The instabilities corresponding to each nonlinear mechanism occurs in different range of the experimental parameters and can be selected and studied independently. The experimental observations are compared with various theoretical models. In the second part of the thesis, I present our study of the integrated density of states (IDOS) and the local density of states (LDOS) of the bands of a two-dimensional quasicrystal. In an experiment conducted at Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC), we realized quasicrystals by disposing dielectric resonators operating in the microwave regime on 2D Penrose tiling. A numerical model including experimental parameters is used to compare to the experimental findings

Lorsqu’un matériau solide est soumis à un chargement dynamique (par l’impact d’un projectile, la détonation d’un explosif ou l’irradiation par un laser intense), il se forme une onde de choc, qui se propage dans le matériau depuis la surface chargée. Si cette onde débouche sur une surface libre comportant des défauts géométriques tels que des rugosités, des rayures ou des cavités, son interaction avec ces défauts conduit à l’éjection, sous forme de jets de matière, de débris dont la taille caractéristique est de l’ordre du micromètre et dont la vitesse est typiquement de quelques km/s. La maîtrise de ce processus, appelé microjetting ou micro-éjection, est essentielle pour de nombreuses applications (conception de blindage, découpe pyrotechnique, usinage à très haute vitesse, expériences de Fusion par Confinement Inertiel…). Dans le cadre de cette thèse, menée en collaboration avec le centre CEA de Bruyères-le-Châtel, ce phénomène est étudié dans quatre métaux (Aluminium, Etain, Cuivre et Plomb) à partir de rainures calibrées de deux types : triangulaires isolées de demi-angles d’ouverture contrôlés (20°, 30° et 45°) ou sinusoïdales périodiques. Les influences du matériau, de la forme et de l’ouverture des défauts, de la pression de choc et de l’état du milieu (solide ou fondu sous choc ou en détente) sur les propriétés balistiques des éjectas (vitesses de jet, distribution en taille et densité surfacique des débris constituant les jets) sont évaluées via trois approches complémentaires : expérimentale, théorique et numérique.L’étude expérimentale comporte plusieurs campagnes de chocs laser, effectuées sur l’installation LULI2000 du Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (Ecole Polytechnique, Palaiseau), avec plusieurs techniques de diagnostic : Ombroscopie Transverse, Vélocimétrie Hétérodyne, radiographie X rapide in-situ, récupération d’éjectas dans des gels (analysés ensuite en microtomographie). Les résultats sont confrontés à des prédictions théoriques (hydrodynamique des chocs obliques et des charges creuses pour les rainures triangulaires, instabilités de Richtmyer-Meshkov pour les rainures sinusoïdales). Enfin, les simulations numériques réalisées avec le code Radioss utilisent deux approches complémentaires : les Eléments Finis Lagrangiens et la formulation SPH (Smoothed Particles Hydrodynamics), encore très peu appliquée au microjetting, plus empirique que la première mais mieux adaptée aux grandes déformations dans les jets et permettant d’accéder à des distributions de tailles de fragments
When a dense material is subjected to a dynamic load (such as projectile impact, explosive detonation or irradiation by a high energy laser beam), a shock wave propagates from the loaded surface. If this shock wave interacts with a free surface with geometrical defects such as grooves, scratches or cavities, it can lead to the ejection of micrometric debris with typical velocities of a few km/s. Understanding this microjetting process is a key issue for many applications, including shielding design, pyrotechnics, high-speed machining and Inertial Confinement Fusion experiments.In this work in collaboration with the CEA-DIF at Bruyères-le-Châtel, this phenomenon is studied under laser-driven shock loading in four materials (Aluminum, Tin, Copper and Lead) with calibrated grooves of two types: isolated triangular profile with controlled aperture half-angles (20°, 30° and 45°) or periodic sinusoidal shape. The influences of the material, of the geometry of the defects, of the shock pressure and of the state of matter (solid or melted under shock or release wave) on the ballistic properties of the ejecta (jet velocity, size distribution and areal mass of the debris constituting the jet) are investigated with three complementary approaches: experimental, theoretical and numerical.The experimental study involves several campaigns performed at the LULI2000 facility of the Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (Ecole Polytechnique, Palaiseau) and complementary diagnostic techniques: Transverse Shadowgraphy, Heterodyne Velocimetry, fast in situ X-ray radiography, recovery of the ejecta in a gel followed by microtomography. The results are compared with theoretical predictions (2D shocks and shaped charges hydrodynamics for the triangular grooves, Richtmyer-Meshkov Instabilities for the sinusoidal grooves). Then, numerical simulations are performed with the Radioss code with two complementary approaches: the Lagrangian Finite Elements and the SPH (Smoothed Particles Hydrodynamics) formulation, still very scarcely applied to microjetting, more empirical than the first approach but more suitable to the high strains in the jets and allowing access to size distributions of the debris

Ce travail porte sur l’étude numérique et expérimentale d’un écoulement de Couette-Taylor dans une géométrie à surfaces rugueuses, afin de détecter l’effet de la rugosité sur les instabilités hydrodynamiques. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de simulation numérique (CFD) 3D dans le cas d’un écoulement de Couette-Taylor sans débit axial, mais en utilisant plusieurs types de rugosités de surfaces : rugosité isotrope (micro-rugosité), rugosité anisotrope (macro-rugosité), variation de l’amplitude ainsi que le type de la macro-rugosité. Les résultats obtenus montrent bien l’effet de cette rugosité sur la restructuration de l’écoulement et le développement des instabilités hydrodynmiques. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à l’étude expérimentale des écoulements de Couette-Taylor-Poiseuille avec et sans débit axial en utilisant deux protocols (direct et inverse). En effet, la superposition d’un écoulement axial (Poiseuille) avec un écoulement de Couette-Taylor, peut avoir un effet important sur la réorganisation de l’hydrodynamique de base déjà connue et constituée de cellules de Taylor. Par conséquent, la présence d’un écoulement axial peut générer la formation de vortex ou leur brisure ou disparition, et peut déplacer ces derniers (vortex ou cellules de Taylor) dans la même direction ou la direction inverse de l’écoulement axial imposé. Expérimentalement, nous avons commencé par une étude qualitative en visualisant les instabilités hydrodynamiques grâce à des particules de kalliroscope. Par la suite, une étude quantitative utilisant la PIV et la polarographie a été effectuée afin de caractériser les régimes d’écoulement des premières instabilités (TVF, WVF, MWVF et TN) en présence ou non d’un débit axial. La méthode polarographique, au moyen de sondes simples circulaires, a été alors utilisée pour quantifier le gradient pariétal de vitesse local et instanané. La PIV a permis d’étudier les régimes WVF, MWVF et turbulent. Différents critères de détection de tourbillons (la vorticité ω et le critère Q) ont été alors développés et utilisés pour bien identifier les structures tourbillonnaires
This work deals with a numerical and experimental study of the Couette-Taylor flow where the geometry contains rough surfaces, in order to detect the effect of these irregularities on the hydrodynamic instabilities. Firstly, we carried out a 3D mumerical simulation study (CFD) in the case of a Couette-Taylor flow without axial flow, but using several types of surface roughness: isotropic roughness (micro-roughness), anisotropic roughness (macro-roughness) and variation of the amplitude as well as the type of macro-roughness. The obtained results clearly show the effect of this roughness on the reorganization of the flow and the development of the hydrodynamic instabilities. Secondly, we were interested to carry out an experimental study of Couette-Taylor-Poiseuille flows, with and without axial flow by using two protocols (direct and reverse). Indeed, the superposition of an axial flow (Poiseuille) with a Couette-Taylor flow can have a significant effect on the reorganization of the basic and already known hydrodynamic instabilities, constituted by Taylor cells. Therefore, the presence of an axial flow can generate the development of vortices or their breakup or disappearance, and can move the Taylor vortices in the same direction or the opposite direction of the imposed axial flow. Experimentally, we started with a qualitative study by visualizing the hydrodynamic instabilities thanks to kalliroscope particles. Thereafter, a quantitative study using PIV and polarography was carried out in order to characterize the flow regimes of the first instabilities (TVF, WVF, MWVF and TN) with or without axial flow. The polarographic method, using simple circular probes, was then used to quantify the local and instantaneous wall shear stress. The PIV allowed to study the WVF, MWVF and turbulent regimes. Different vortices’ detection criteria (vorticity ω and Q criterion) were then developed and used to correctly identify the turbulent structures

Les phénomènes de micro-instabilité et de multi-stabilité jouent un rôle clé dans divers systèmes mécaniques et physiques, tant artificiels que biologiques. Leur compréhension fait donc l'objet d'un vaste champ d'études, avec de nombreuses applications pratiques et théoriques. La modélisation de l'effet de la température sur les micro-instabilités, apparaissant dans différents phénomènes artificiels et biologiques, permet la validation de la mécanique statistique pour les petits systèmes, par la comparaison avec les données expérimentales obtenues à l'aide de la spectroscopie de force et d'essais micromécaniques, fournissant ainsi des informations utiles sur les réponses induites par les forces ou les allongements appliqués. Ces analyses sont particulièrement importantes pour l'étude de tous les systèmes qui présentent deux (ou plus) états métastables, tels que les processus d'adhésion/déadhésion, les transformations de phase (pliage/dépliage et phénomènes pseudo-élastiques) et la propagation des fissures et des fractures dans les systèmes à l'échelle nano- et micro-métriqe. À titre d'exemple, la température influence fortement les caractéristiques de transformation de phase des nanofils pseudo-élastiques utilisés comme actionneurs et capteurs en nanotechnologie, ou modifie les propriétés d'adhésion des cellules métastatiques dans les processus d'invasion du cancer. La réponse force-extension ou contrainte-déformation est l'une des principales caractéristiques utiles pour comprendre les effets des micro-instabilités et, pour l'obtenir analytiquement, il faut évaluer la fonction de partition du système, qui est l'outil essentiel de la mécanique statistique. Par conséquent, la forme complexe de l'énergie potentielle du problème étudié est approximée en utilisant la technique des variables de spin, ce qui permet d'obtenir une quantité discrète capable d'identifier les différents puits d'énergie potentielle. La première partie de cette thèse traite de l'état de l'art, des problèmes ouverts, des motivations et de la description des méthodologies adoptées. La partie suivante montre comment différents phénomènes physiques peuvent être étudiés par la même approche de modélisation
Micro-instability and multi-stability phenomena play a key role in various mechanical and physical systems, both artificial and biological. As such, their understanding is addressed in a wide field of studies, with many practical and theoretical applications. The modeling of the temperature effect on micro-instabilities, appearing in different artificial and biological phenomena, allows the validation of the statistical mechanics for small systems, through the comparison with experimental data obtained using force spectroscopy and micromechanical testing, thus providing useful insights on the responses induced by applied forces or elongations. These analyses are particularly important in the study of all the systems that present two (or more) metastable states such as the adhesion/deadhesion processes, the phase transformations (e.g. the folding/unfolding and pseudo-elastic phenomena), and the cracks and fractures propagation in nano- and micro-scale systems. For example, the temperature strongly influences the phase transformation features of pseudo-elastic nanowires used as actuators and sensors in nanotechnology or modifies the adhesion properties of metastatic cells in cancer invasion processes. The force-extension or stress-strain response is one of the main useful features to understand the effects of micro-instabilities and, in order to be analytically obtained, one needs to evaluate the system partition function, which is the essential tool of statistical mechanics. Hence, the complex potential energy landscape of the problem under investigation is approximated using the spin variables technique, introducing a discrete quantity able to identify the different potential energy wells. The first part of this thesis addresses the state of the art, the open problems, the motivations, and the description of the adopted methodologies. The following part shows how commonly different physical phenomena can be studied by the same modeling approach

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans une collaboration long-terme entre le laboratoire Xlim et l’entreprise EOLITE Systems dans le but de développer de nouvelles fibres optiques à très grande aire modale typiquement capables de délivrer une puissance moyenne supérieure à 200 W et une puissance crête de l’ordre de 1 MW avec une émission monomode transverse à 1030 nm. Pour cela, des fibres optiques à microstructuration apériodique (FA-LPF) ont été développées en vue d’améliorer les performances des fibres commerciales, en repoussant en particulier le seuil des instabilités modales transverses. Une étude expérimentale sans précédents a été menée pour mettre en évidence l’influence de la structure de la fibre, de l’architecture de la source et du diamètre de champ modal sur le seuil d’apparition du phénomène. Par ailleurs, la fibre commerciale a été remplacée par une FA-LPF dans un prototype laser industriel, et a donné lieu à une validation de principe, tant du point de vue des performances pures que du vieillissement. La faisabilité d’une fibre micro-structurée courte et efficace (de 50 cm de long), a également été étudiée, en passant par une augmentation de la concentration en ions ytterbium dans le coeur de la FA-LPF ou encore par l’amélioration du ratio coeur/gaine. Finalement, un concept de fibre à coeur enterré a permis d’atteindre des dimensions de coeur supérieures à 110 μm tout en maintenant une émission monomode transverse
These Ph.D work is conducted in the context of a long-term collaboration between Xlim laboratory and the company EOLITE Systems in order to develop new large mode area fibers typically capable of providing up to 200 W of average output power and a peak power of 1 MW while maintaining a transverse single-mode emission at 1030 nm. For that purpose, optical fibers with an aperiodic microstructuration (FA-LPF) were developed in order to improve the performances of commercial fibers, mainly by pushing further the transverse mode instabilities power threshold. An unprecedented experimental study has been conducted to investigate the influence of the fiber structure, the laser source architecture and the mode field diameter. Furthermore, by replacing the commercial fiber by a FA-LPF in an industrial laser prototype, as a proof-of-concept, the FA-LPF permits to obtain a laser source with at least similar properties as those of the laser sources of the company regarding the laser efficiency or the lifetime test. The feasibility of a microstructured fiber shorter and still efficient (50 cm-long), has also been studied, by increasing the ytterbium ions concentration in the FA-LPF core or by improving the core to clad ratio. Finally, a new concept of fiber with a depressed-index core led to core diameters higher than 110 μm while maintaining a transverse single-mode emission

Les performances des micro-canaux en matière de transferts de chaleur et de masse sont d’un grand intérêt aussi bien dans le domaine industriel que dans le domaine technologique. La miniaturisation d’un grand nombre de systèmes qui dissipent des densités de flux de chaleur a conduit à l’émergence d’échangeurs de chaleur de faibles diamètres hydrauliques. J’ai au cours de ma thèse réalisé des expériences d’ébullition convective en microcanaux, pour les liquides n-Pentane et FC-72. Les diamètres hydrauliques étudiés varient entre 700 et 800 μm. Le chauffage des microcanaux en verre est effectué en utilisant un dépôt métallique résistif transparent. J’ai analysé l’écoulement diphasique en utilisant une caméra rapide et des capteurs de pression placés en entrée et sortie du micro-canal. J’ai mesure les transferts de chaleur en utilisant une caméra infrarouge. Des instabilités hydrodynamiques se manifestent périodiquement par l’évacuation du mélange diphasique. La chute de pression lors de l’ébullition dans le micro-canal est mesurée et corrélée aux transferts thermiques
Boiling in microchannels is a very efficient mode of heat transfer with high heat and mass transfer coefficients achieved. Less pumping power is required for two-phase flows than for single-phase liquid flows to achieve a given heat removal. Applications include electronics cooling such as cooling microchips in laptop computers, and process intensification with compact evaporators and heat exchangers. Evaporation of the liquid meniscus is the main contributor to the high heat fluxes achieved due to phase change at thin liquid films in a microchannel. The microscale hydrodynamic motion at the meniscus and the flow boiling heat transfer mechanisms in microchannels are not fully understood and are very different from those in macroscale flows. Flow instability phenomena are noted as the bubble diameter approaches the channel diameter. These instabilities need to be well understood and predicted due to their adverse effects on the heat transfer. A fundamental approach to the study of two-phase flow boiling in microchannels has been carried out. Simultaneous visualisation and hydrodynamic measurements were carried out investigating flow boiling instabilities in microchannels using two different working fluids (n-Pentane and FC-72). Rectangular, borosilicate microchannels of hydraulic diameter range 700-800 μm were used. The novel heating method, via electrical resistance through a transparent, metallic deposit on the microchannel walls, has enabled simultaneous heating and visualisation to be achieved. Images and video sequences have been recorded with both a high-speed camera and an IR camera. Bubble dynamics, bubble confinement and elongated bubble growth have been shown and correlated to the temporal pressure fluctuations. Both periodic and nonperiodic instabilities have been observed during flow boiling in the microchannel. Analysis of the IR images in conjunction with pressure drop readings, have allowed the correlation of the microchannel pressure drop to the wall temperature profile, during flow instabilities. Bubble size is an important parameter when understanding boiling characteristics and the dynamic bubble phenomena. In this thesis it has been demonstrated that the flow passage geometry and microchannel confinement effects have a significant impact on boiling, bubble generation and bubble growth during flow boiling in microchannels

L'interaction entre deux perturbations localisées est analysée dans un écoulement en canal plan, en condition souscritique à travers des simulations numériques directes. Les perturbations initiales sont en forme de deux paires de tourbillons contra-rotatifs. La perturbation mère génère des couches de vorticité normales à la paroi qui seront comprimées ou étirées localement par la structure secondaire. La rupture de la symétrie dans le sens transversale permet la génération d'une nouvelle couche de vorticité normale à la paroi. Elle est inclinée par le cisaillement et s'enroule pour former un nouveau tourbillon quasi-longitudinale. Le processus a comme conséquence l'apparition d'un spot turbulent localement. Une analyse détaillée est effectuée pour déterminer le rôle de différents paramètres entrant dans la physique du mécanisme. Plusieurs seuils critiques qui déclenchent le processus de transition interactif sont trouvés et analysés. Les paramètres de similitude résultant de la recherche paramétrique coïncident bien avec ceux qui régissent le cycle de régénération de la contrainte de Reynolds, produisant ainsi des structures cohérentes dans la couche tampon d'un écoulement pariétal turbulent pleinement développé. On suggère que le mécanisme que nous proposons puisse jouer un certain rôle dans le cycle de régénération de la turbulence proche parois, en produisant des structures toute en déviant le mécanisme d'instabilité tridimensionnel. On propose une stratégie de mélange active en forçant l'écoulement par des jets synthétiques, cette stratégie étant basée sur le mécanisme interactif. La faisabilité de cette stratégie est montrée par des simulations numériques directes de haute résolution spatiale et temporelle
The interaction between two localized disturbances is analyzed in a subcritical channel flow through direct numerical simulations. The initial perturbations are of the form of two pairs of counter rotating vortices. One of them interacts with the wall normal vorticity layers set-up near the wall, by compressing or stretching locally part of them through the straining motion it induces. The breakdown of spanwise symmetry leads to the rapid development of a new wall normal vorticity patch that is tilted by the shear and rolls up into a new small-scale streamwise vortex. The process results in a localized turbulent spot at later stages of development. A detailed analysis is carried out to determine the role of different parameters entering in the physics of the mechanism. Several critical thresholds that trigger the interactive bypass transition process are found and analyzed. The similitude parameters resulting from the parametric investigation coincide well with those governing the self-sustaining Reynolds shear stress producing eddies in the buffer layer of a fully developed turbulent wall flow. Tt is suggested that the mechanism we propose may play some role in the regeneration cycle of the near wall turbulence generating structures by precisely bypassing the three-dimensional streak instability mechanism. Based on these results, an active micro-mixing strategy through forcing the flow by synthetic wall jets is proposed. The feasibilitv of this strategy is shown through direct numerical simulations of high spatial and temporal resolution

L'explosion de vapeur est l'un des phénomènes les plus critiques et complexes qui peuvent se produire lors d'un accident grave dans une centrale nucléaire. Le code MC3D est reconnu comme une référence pour l'évaluation de ce phénomène. Ce phénomène explosif est analogue à une détonation. L'explosion est due à la fragmentation du combustible fondu, au passage de l'onde de choc et à la libération très rapide de l'énergie associée. Cependant, les mécanismes précis du processus de pressurisation sont très incertains et ont fait l'objet de travaux réalisés dans le cadre du programme RSNR-ICE (2014-2023), qui ont permis de mieux comprendre la phénoménologie générale et de valider le principe général de MC3D, basé sur un principe d'ébullition directe autour de la surface des fragments de corium via un mécanisme d'ébullition en film. Or, il apparaît que les processus de fragmentation semblent, dans certaines conditions, se réaliser sans une dispersion significative des fragments dans l'eau, ce qui est contraire à ce que présuppose le modèle MC3D actuel. L'objectif de la thèse est de proposer une modélisation améliorée de l'explosion pour MC3D, combinant le principe actuel d'ébullition directe et d'interaction combustible-refroidissement localisée dans un petit volume autour des gouttes de corium et des fragments. Après une bibliographie extensive du phénomène d'explosion de vapeur, une analyse détaillée du comportement du modèle MC3D actuel est effectuée, en utilisant un cas-test simple et idéal. Malgré la simplicité de l'ensemble de données, l'analyse peut être directement appliquée aux expériences à géométrie unidimensionnelle telles que KROTOS. Le rôle crucial du vide initial et du vide créé est mis en évidence ; il suggère également les premiers contours d'un nouveau modèle. Le logiciel Basilisk a ensuite été utilisé pour effectuer des simulations DNS afin d'obtenir des détails sur les transferts thermiques de fragmentation et d'association. Une analyse complète des régimes de fragmentation, des statistiques incluant le diamètre moyen de Sauter et la fonction de densité de probabilité de la masse et de la surface des fragments, du nombre de Nusselt transitoire et du coefficient de traînée a été menée. Dans le même temps, les résultats du même cas d'essai utilisant MC3D sont comparés à ceux de Basilisk, ce qui met en évidence la nécessité de modifier le modèle MC3D. Enfin, les grandes lignes d'un nouveau modèle proposé sont présentées et discutées. Celles qui ont pu être validées directement à partir des résultats du DNS ont été implémentées dans la version actuelle de MC3D. Il s'agit en particulier de l'introduction d'une Micro-Interaction de Non-Equilibre (NEMI), Les autres propositions concernant le comportement du vide pourront être implémentées dans la future version (V4) du code
The steam explosion is one of the most critical and complex phenomena that may occur during severe accident in a Nuclear Power Plant. The MC3D computer code is recognized as reference for the evaluation of this phenomenon. This explosive phenomenon is analogous to a detonation. The explosion is due to the fragmentation of the molten fuel, the passage of the shock wave and the very fast release of the associated energy. However, the precise mechanisms of the process of pressurization are very uncertain and have been the subject of works carried out under the program RSNR-ICE (2014-2023), which led to an increased understanding of general phenomenology and validated the general principle of MC3D, based on a principle of direct boiling around the surface of the corium fragments via a film boiling mechanism. However, it appears that the fragmentation processes seem, under certain conditions, to be achieved without a significant dispersion of the fragments in the water, which is contrary to what presupposes the current MC3D model. The aim of the thesis is to propose an improved modeling of the explosion for MC3D, combining the current principle of direct boiling and fuel-coolant interaction localized in a small volume around the corium drops and fragments. Following an extensive bibliography of the steam explosion phenomenon, a detailed analysis of the behavior of the current MC3D model is performed, using a simple and ideal test-case. Despite the simplicity of the data set, the analysis can be directly applied to experiments with one-dimensional geometry such as KROTOS. The crucial role of initial and created void is highlighted; It also suggests the first outlines of a new model. The Basilisk software was then used to perform DNS simulations to get details of fragmentation and association heat transfers. Comprehensive analysis about fragmentation regimes, statistics including Sauter Mean Diameter and Probability Density Function of fragment mass/area, the transient Nusselt number and drag coefficient were conducted. At the same time, results for the same test-case using MC3D are compared with that of Basilisk, highlighting the need of modification of MC3D model. Finally, the main lines of a proposed new model are presented and discussed. Those that could be directly validated from the DNS results were implemented in the current MC3D version. This concerns in particular the introduction of a Non-Equilibrium Micro-Interaction (NEMI), The other proposals concerning the behavior of the void may be implemented in the future version (V4) of the code

Le procédé de micro-fusion sur lit de poudre par faisceau laser (LBM) et par faisceau d’électrons (EBM) sont deux procédés de fabrication additive permettant la réalisation de pièces métalliques. L’intense densité d’énergie fournie par ces deux sources permet la fusion locale de la matière formant ainsi un bain liquide, qui se solidifie après refroidissement. Ce changement d’état, qui se déroule sur des temps très courts, induit de complexes phénomènes thermodynamiques. Chacun de ces procédés offre des avantages qu’il serait intéressant de combiner. De ce fait, une combinaison des deux technologies a été investiguée. Le procédé EBM nécessitant un vide poussé dans l’enceinte de travail, l’enjeu de cette thèse repose donc sur l’étude de la fusion laser à faible pression environnante. Outre la combinaison recherchée, la fusion laser sous vide peut s’avérer intéressante dans l’amélioration de la santé matière des pièces, en particulier pour des matériaux sensibles à l’oxygène. Cependant, une nette diminution du rendement du procédé est observée. Ce travail de thèse s’articule en deux parties : a) En premier lieu, une étude expérimentale de la fabricabilité d’échantillons à différentes pressions a été réalisée. Pourdes paramètres de fabrication identiques, il en ressort qu’une diminution significative de la densification des échantillons est obtenue lors de la fabrication à faibles pressions. Les paramètres densité d’énergie volumique et vitesse de déplacement du laser ont dû être alors adaptés en fonction de la pression environnante utilisée. b) La seconde partie a été consacrée à l’explication des mouvements du bain liquide qui ont évolué en fonction de la pression résiduelle. A cet effet, une caméra rapide a permis de montrer les importantes instabilités présentes dans le lit de poudre par la zone de dénudation, et le bain liquide par sa morphologie, pour certains paramètres laser. Ces phénomènes ont été d’autant plus observés pour des pressions résiduelles inférieures à 30 mbar. Enfin, le pré-frittage du lit de poudredans le but d’effectuer un recuit "in-situ" des matériaux étudiés, a montré un effet bénéfique lors de l’interaction laser-matière sous vide. Une amélioration de la qualité de fusion et une augmentation du rendement de fabrication ont été alors démontrées
The laser beam melting (LBM) and electron beam melting (EBM) processes are two additive manufacturing technologies allowing the production of metallic parts. The intense energy density provided by the power supply is sufficient in order to melt the material creating a molten pool, and will solidify after cooling. This change of phase which takes place in a very short time, induced complexthermodynamics phenomena. Each of the processes offer advantages that could be interesting to be combined. Hence, a combination of the two technologies has been investigated. The EBM process requiring a rough vacuum in the work chamber, the issue of this work is based on the study of the laser melting at low pressure. Besides the intended combination, the selective laser melting under vacuum pressure can be attractive with the aim of improving the material integrity, in particular on the oxygen-sensitive materials. However, a clear decrease of the process efficiency has been observed. This work includes two parts: a) Firstly, an experimental study of samples fabricability at different pressures conditions is observed. For the same manufacturing parameters, a significant decrease of samples densification is observed in rough vacuum. The parameters volumetric energy density and the laser displacement speed have to beadapted in function of the chamber pressure. b) The second part is an attempt to explain the molten pool motion which change depending on the pressure. This can be achieved with a fast cam allowing the observations of strong instabilities in the powder bed with the denudation zone, and the molten pool with the morphology, for specific laser parameters. These phenomena are more important for residual pressures under 30 mbar. Then, a powder bed pre-sintering for the purpose of ”in-situ” annealing of the materials studied, has shown the beneficial effect during the interaction laser-powder under vacuum. Improvement melt quality and increased manufacturing efficiency have beenachieved

Ce travail de thèse a pour objectif de simuler numériquement des écoulements de gaz dans des matrices poreuses dont les pores sont de taille micrométrique. On étudie l'influence des phénomènes de glissement hydrodynamique qui apparaissent lorsque la dimension caractéristique de micro- conduites est caractérisée par des nombres de Knudsen compris entre Kn = 0,01 et Kn = 0,1.Le mémoire de thèse est composé de cinq chapitres suivis d'une conclusion dans laquelle nous présentons quelques perspectives pour une suite de ce travail. Le chapitre I constitue le travail préliminaire de thèse qui s'est ensuite orienté vers des approches complémentaires. Le principe des méthodes d'homogénéisation périodique est d'abord exposé. Suit une présentation de deux méthodes de résolution dans l'espace de Fourier : l'approche en déformation et l'approche en contrainte. L'extension de ces méthodes à la résolution d'écoulements régis par l'équation de Stokes est ensuite décrite. Des applications aux cas d'écoulements à travers des réseaux de cylindres, avec condition d'adhérence ou avec condition de glissement, sont ensuite discutées. Deux techniques de modélisation des phénomènes de transport dans des milieux poreux saturés par un fluide monoconstituant sont présentées dans le second chapitre. La première est basée sur la méthode des développements asymptotiques, appelée aussi méthode d'homogénéisation. On explique que le processus consiste en trois étapes : description locale, localisation et description macroscopique. La seconde technique s'appuie sur la méthode de calcul de moyennes à l'échelle d'un VER. Le point de départ de cette méthode est basé sur des théorèmes donnant les expressions des moyennes de tous les opérateurs intervenant dans une équation de transport. Après une brève présentation du logiciel commercialisé que nous avons utilisé, nous exposons les études de convergence spatiale que nous avons effectuées et nous comparons nos solutions avec des résultats de la littérature dans le chapitre III. Diverses géométries sont considérées (allant de géométries planes à des empilements 3D de cubes ou de sphères).L'effet du glissement sur la perméabilité de milieux microporeux est abordé dans le chapitre IV. Le formalisme résultant de l'homogénéisation de structures périodiques est utilisé pour simuler numériquement des écoulements isothermes de gaz dans divers empilements de complexités croissantes. Les perméabilités sont déterminées en calculant les moyennes spatiales des champs de vitesses, solutions des équations de Stokes. Les valeurs obtenues en imposant des conditions d'adhérence sont comparées à celles obtenues avec des conditions de glissement du premier ordre. Dans le chapitre V, nous présentons des solutions pour des écoulements anisothermes et étudions l'effet du glissement sur la conductivité effective de milieux microporeux 2D et 3D. Dans ce chapitre, nous résolvons les équations de Navier-Stokes et de l'énergie en imposant des conditions de symétries dans une ou deux directions. A partir des solutions locales, sont calculées les moyennes intrinsèques des champs de vitesse et de température. Nous considérons des cas pour lesquels la condition d'équilibre thermique local peut être considérée comme satisfaite et d'autres correspondant à un non-équilibre thermique (NTLE). On détermine les conductivités de dispersion en fonction du nombre du Péclet et on montre l'influence du glissement sur les composantes longitudinales et transverses pour différentes porosités et longueur de glissement. Dans les cas NLTE, le coefficient macroscopique de transfert fluide-solide est aussi calculé

Les résonateurs à modes de galerie sont des cavités diélectriques qui supportent des modes à très haut facteur de qualité et à faible volume qui demeurent confinés à l'interface air-diélectrique pour des durées pouvant atteindre voire dépasser la microseconde. L'intérêt de ce fort confinement des modes pour de longues durées est l'accentuation de l'interaction lumière-matière. Par conséquent, de nombreuses interactions non-linéaires telles que l'effet Kerr ou encore l'effet Brillouin à des puissances seuil inversement proportionnelles au carré voire au cube du facteur de qualité du résonateur ont lieu en son sein. Ces propriétés donnent accès à de nombreuses applications dans des domaines divers et variés tels que la spectroscopie, les télécommunications ou encore les micro-ondes. Les travaux de cette thèse ont pour but d'exploiter les non-linéarités Kerr et Brillouin dans les résonateurs à mode galerie à la longueur d'onde de 1550 nm afin de générer des micro-ondes ultra-stables à des fréquences comprises entre 5 et 30 GHz. Le premier chapitre introduit la théorie, la fabrication, le couplage et la caractérisation de résonateurs à des modes de galerie. Le second chapitre concerne la génération de micro-ondes. Nous y présentons nos résultats expérimentaux, la modélisation numérique de peignes de Kerr, ainsi que l'analyse d'instabilités oscillatoires d'origine thermique observées lors de nos travaux expérimentaux, puis nous concluons. Le dernier chapitre traite de l'interaction photons-phonons via le processus de diffusion Brillouin stimulée dans ces mêmes expérimentaux ainsi que le modèle temporel que nous avons développé pour suivre la dynamique de l'onde transmise et de celle rétrodiffusée. Le dernier chapitre conclue nos travaux. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été financé par l'European Research Council dans le cadre du projet NextPhase
Whispering galery mode resonators are dielectric cavities that support modes with ultra-high quality factor and small volume that remain confined in their inner periphery for time duratioons that can be as long as few microseconds. The strong confinement of these modes for such long durations strongly enhances nonlinear effect suchs as Kerr effect or Brillouin effect. These resonators can therefore be used for several applications such as spectroscopy, telecommunications or microwave generation. The objective of this thesis is to use Kerr and Brillouin nonlinearities in these resonators at the laser wavelength of 1550 nm, in order to generate high spectral purity microwave signals with frequencies rangong fros 5 to 30 GHz. The first chapter oh the thesis intriduces the theory, fabrication, coupling and characterisation of whispering gallery mode resonators. The second chapter is about the generation of Kerr optical frequency combs in these resonators and their application to the generation of microwave signals. We present our experimental resuktsdn the numerical modelling of Kerr combs, the analysis of oscillatory instabilities (due to thermal effect) observed during our experiments, and conclue. The third chapter concerns photon-phonon interactions via stimulated Brillouin scattering in these resonators and their application to the generation of microwave signals. We present our experimental results and the temporal model that we developed to track the dynamics of the forward and backscattered fields. The last chapter conclude the thesis. The research presented in this thesis has benne funded by the European Research Council through the project Nextphase

L'effet des champs magnétiques sur les processus de transfert de matière peut se manifester essentiellement du fait de l'existence de deux champs de forces : les forces électromagnétiques qui résultent de l'interaction du champ magnétique B avec la densité de courant j selon : FL=jxB. L'autre champ de force a été mis en évidence beaucoup plus récemment. Il s'agit d'une force agissant sur les espèces paramagnétiques en solution : , avec χm la susceptibilité magnétique molaire, μ0 la perméabilité magnétique et C la concentration d'espèce paramagnétique). Cette expression, qui résulte d'une approche énergétique. Le travail présenté a pour objectif d'une part de mettre en évidence l'existence des forces d'origine magnétique, et d'autre part de quantifier leur influence sur les processus de transfert de matière. Le travail est basé sur une double approche expérimentale et théorique. Sur le plan expérimental une cellule électrochimique a été réalisée dans une configuration aussi simple que possible pour permettre une analyse qui s'écarte des géométries souvent adoptées utilisant des électrodes circulaires. Cette cellule est de forme parallélépipédique ce qui permet de mieux contrôler les distributions de courant électrique et d'imposer un champ magnétique parallèle à la densité de courant, éliminant au maximum les forces électromagnétiques. Les expériences réalisées permettent de mesurer les densités de courant locales et globales et de suivre leurs évolutions en fonction du champ magnétique. Ces mesures sont complétées par l'enregistrement du champ de vitesse effectué sous champ pour la première fois, à l'aide de sonde à ultrason. Sur le plan théorique, le travail se fonde sur la modélisation numérique des écoulements (CFD model). Cette approche a été réalisée en deux dimensions en supposant par ailleurs le régime permanent, ce qui a limité l'approche à des champs magnétiques modérés. Au delà de certaines valeurs, des instabilités se manifestent, ne permettant pas une exploitation du modèle. Des travaux ultérieurs seront très utiles pour une validation totale. Par ailleurs, une approche phénoménologique des processus a permis de retrouver les lois d'évolution des transferts de matière en B2/3 identifiées par la plupart des expérimentateurs. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux révèle un excellent accord, même si cette comparaison est limitée aux faibles valeurs du champ pour les raisons déjà énoncées, ce qui permet finalement de confirmer l'existence du champ de force magnétique comme élément susceptible de contrôler les transferts en électrochimie.