Afin de répondre à des problématiques bâtimentaires et des enjeux de sécurité incendie, cette thèse aborde l’écoulement de convection mixte à travers un orifice horizontal reliant deux compartiments. L’objectif est d’améliorer la connaissance et la modélisation de l’échange de gaz de masse volumique variable à travers l’orifice. Une étude expérimentale à échelle réduite couplée à une approche théorique est proposée. L'étude est d'abord focalisée sur l’influence du rapport géométrique L/D de l’orifice sur la variation de débit échangé pour un régime de convection naturelle. Les mesures non intrusives de ces débits, par suivit de l'interface entre deux liquides non miscibles lors d'une première approche densimétrique, ainsi que par Stéréo PIV en sortie d'orifice dans une approche thermique, permettent de décrire le processus d'échange bidirectionnel et de conforter les corrélations existantes.Des expériences en régime de convection mixte visent ensuite à caractériser l’influence d’une ventilation mécanique (en soufflage et en extraction) sur les débits échangés. La confrontation des corrélations existantes avec les points expérimentaux montre des écarts importants. Une modification de la corrélation de Cooper 89 est proposée et permet d'en accroître la précision. En parallèle, une approche théorique issue des équations de Navier Stokes simplifiées et sous l’approximation de Boussinesq permet de discuter la construction des corrélations existantes. L'ajustement de coefficients de pertes de charge à partir des points expérimentaux permet de proposer un modèle plus performant que ceux disponibles dans la littérature. / To answer to building issues and fire safety challenges, this thesis deals with the mixed convection flow through a horizontal orifice linking two compartments. The aim is to improve the understanding and modeling of the exchange of variable density gas through the opening. A small scale experimental study and a theoretical approach are proposed.The study is first focussed on the impact of the geometrical ratio L/D of the opening on the exchanged flow rate variation for free convection regime. Non-intrusive measurements of these flow rates, via the tracking of the interface between two non miscible liquids in an isothermal approach, and thanks to the SPIV in a thermal approach, permit to describe the bidirectional exchange process and to consolidate existing correlations.Experiments in mixed convection regime aim to study the impact of mechanical ventilation (in blowing and extracting mode) on the exchanged flow rates. The comparison between existing correlations and experimental data shows large differences. A change making the coorelation of Cooper 89 more accurate is proposed. A theoretical approach from the simplified Navier Stokes equations and with the Boussinesq approximation permits to discuss the construction of existing correlations. From this theory, a model more accurate than those available in the literature is proposed thanks to an adjustment of discharge coefficients from experimental data.

L'influence des transferts radiatifs sur les écoulements de convection naturelle en cavités habitables est étudié numériquement en régimes turbulents. L'étude considère des approches DNS et LES pour le problème de convection et une méthode des ordonnées discrètes (MOD) pour la résolution du problème radiatif combinée au modèle de gaz réel SLW. La configuration étudiée est basée sur une cavité différentiellement chauffée expérimentale en air située à l'institut PPRIME, de rapport d'aspect vertical 4, pour des nombres de Rayleigh allant de 1,5x109 à 1,2x1011. La première partie de l'étude se focalise sur les techniques de parallélisations hybrides MPI + OpenMP de la MOD. Les méthodes développées montrent une amélioration des performances de 13 à 1600% pour des niveaux d'hybridations élevés par rapport à la méthode classique de front d'onde. Puis, une étude du couplage convection-rayonnement surfacique est réalisée au travers d'une étude de sensibilité de l'écoulement vis-à-vis des émissivités de parois pour différentes valeurs du nombre de Rayleigh. Ensuite, le rayonnement volumique du gaz est ajouté, et son impact est évalué au travers d'une variation du taux d'humidité relative du mélange air sec/vapeur d'eau. Les résultats obtenus sont comparés aux cas d'une cavité convectivement adiabatique (i.e. flux convectif nul aux parois passives). Les transferts radiatifs ont pour effet de diminuer la stratification thermique centrale et d’augmenter la dynamique générale de l'écoulement. L'émissivité des parois passives pilote principalement la localisation de la transition laminaire-turbulente aux parois actives et la stratification centrale, tandis que le rayonnement de gaz ne semble impacter que les couches limites des parois horizontales. / The influence of radiative transfer on natural convection flows in cavities is studied numerically in turbulent regimes. The study considers DNS and LES approaches for the convection problem and discrete ordinate method (MOD) to solve the radiative problem combined with the SLW real gas model. The studied configuration is based on an experimental differentially heated cavity in air located at the Pprime Institut with a vertical aspect ratio of 4, for Rayleigh numbers ranging from 1,5x109 to 1,2x1011. The first part of the study focuses on hybrid MPI + OpenMP parallelization of the DOM. The methods developed show performance improvements of 13 to 1600% compared to the classical wavefront method. Then, a study of convection-wall radiation coupling is achieved through a flow sensitivity study to walls emissivities for different values of the Rayleigh number. Then, the gas radiation is added, and its impact is measured through a variation of the relative humidity of the dry air + steam. The results are compared to the case of a convectively adiabatic cavity (i.e. zero convective flux at the passive walls). Radiative transfers have the effect of reducing the central thermal stratification and increase the overall dynamics of the flow. The emissivity of the passive walls drives the location of the laminar-turbulent transition on the active walls and the central thermal stratification, while the gas radiation seems to impact the boundary layers of the horizontal walls.

Le séchage des dispersions colloïdales a été et demeure très étudié en raison de son extrême complexité et de son utilisation dans de nombreuses applications. Dans cette thèse, nous avons développé une simulation, d'abord unidirectionnelle, basée sur le principe des automates cellulaires, qui traite la problématique du séchage horizontal et vertical. Ce travail permet de prédire, par calcul numérique, la distribution des particules et la position des fronts de séchage dans les dépôts de dispersions sous forme de films minces. Nos résultats ont montré que la pression existant dans le fluide est la somme des pressions de Laplace et hydrostatique. Par rapport aux modèles existants, cela modifie la convection des particules dans la partie fluide de la dispersion. La diffusion collective des particules chargées a été étudiée également. Contrairement aux prédictions théoriques antérieures, nous avons pu montrer que la diffusion collective des particules chargées pouvait jouer un rôle majeur, y compris dans le cadre de l’approximation de lubrification. Finalement, la simulation 1D a été étendue en 2D, ce qui a permis de comprendre la raison pour laquelle deux fronts dans deux directions perpendiculaire (cas d’une géométrie rectangulaire) avancent à des vitesses différentes. Une comparaison entre les données expérimentales et le calcul numérique sur le profil du film et la vitesse des fronts de séchage pour une dispersion de silice montre un bon accord. / Drying of colloidal dispersions, given their uses in several fields in everyday life, has been the subject of many studies for a long time. In this thesis, we first developed an unidirectional simulation, based on the principle of the cellular automaton, which deals with the problem of horizontal and vertical drying. This work makes it possible to predict, by numerical calculation, the distribution of the particles and the position of drying fronts in deposits in form of thin films.The profile of the film in the liquid part was studied. Our results have shown that the pressure in the fluid is the sum of the Laplace and hydrostatic pressures. This result affects the dynamics of particles in the fluid part of the dispersion, in particular convection. The collective diffusion of charged particles has also been studied. Contrary to what was predicted in previous theoretical models, we were able to show that the collective diffusion of the charged particles could be important even within the lubrication approximation. Finally, the 1D simulation was extended to 2D in order to understand the reason why two fronts in perpendicular directions (case of a rectangular geometry) advance at different speeds. A comparison between the experimental data for the drying of a silica dispersion and the numerical calculation shows good agreement.

Les épisodes de convection en milieu hauturier sont des processus physiques hivernaux récurrents, mais irréguliers, ayant un fort pouvoir perturbateur sur l’écosystème pélagique. Les principaux objectifs de ma thèse ont été d’étudier l’influence d’épisodes de convection en Méditerranée Nord Occidentale sur les cycles biogéochimiques (distribution et bilan des sels nutritifs) et d’évaluer leurs impacts sur le compartiment microbien (abondance, activité et diversité). Ces travaux reposent sur mon implication active dans les campagnes océanographiques CASCADE (mars 2011) et DeWEX (février et avril 2013) qui s’inscrivent dans le cadre du chantier Méditerranée Mistrals (WP3 et WP1 respectivement du programme MermEX). Nous avons estimé que les apports en sels nutritifs lors d’un seul phénomène de convection de "moyenne envergure" étaient équivalents aux apports annuels des rivières et des dépôts atmosphériques à l’échelle du golfe du Lion, et pourraient soutenir une production primaire nouvelle de l'ordre de 46 à 63 g C.m-2.a-1 (i.e. l'ordre de grandeur de la production nouvelle annuelle de la zone). Une approche satellitale nous a permis de suivre l’évolution de plusieurs épisodes de convection et de mettre en évidence un étroit couplage entre ce type de forçage physique et le développement de blooms phytoplanctoniques en Méditerranée Nord Occidentale. Pour aborder le rôle des microorganismes dans la régulation des cycles biogéochimiques en réponse à ces épisodes de convection, nous avons identifié l’influence relative des forçages physico-chimiques sur les changements de diversité des communautés microbiennes (bactéries et archées identifiées par pyroséquençage), ceci en relation avec leur activité de reminéralisation de la matière organique. Nous avons également utilisé les épisodes de convection pour évaluer la pertinence écologique des écotypes de SAR11, Marine group I et Marine group II, les 3 groupes taxonomiques les plus répandus et abondants en Méditerranée et dans tous les océans du monde. Ces travaux ont permis de proposer des scénarii cohérents de l'évolution potentielle des écosystèmes pélagiques en Méditerranée Nord Occidentale dans un contexte de changement climatique global. En effet, mon étude est une contribution à la compréhension de la réponse potentielle des écosystèmes pélagiques à la modification attendue de la fréquence et/ou de l'intensité des processus de convection. / Open-ocean convection episodes are recurrent winter physical processes, but irregular in intensity, with a strong disruptive effect on the pelagic ecosystem. My principal thesis objectives were to study the influence of the Northwestern Mediterranean convection on the biogeochemical cycles (nutrient distribution and assessment), and to evaluate their impacts on the microbial compartment (abundance, activity and diversity). This work was based on my active participation to the oceanographic cruises CASCADE (March 2011) and DeWEX (February and April 2013), which are incorporated in the framework of Mistral Mediterranean project (respectively in the WP3 and WP1 of MermEX program). We estimated that the nutrient supply by a single convection episode of “average-scale” was equivalent to the annual riverine discharges and atmospheric deposition in the golf of Lion. This could sustain a new primary production from 46 to 63 g C.m-2.a-1 (i.e. the annual new primary production rate of this area). A remote sensing approach allowed us to follow open-ocean convection episodes evolution, and to highlight the close relationship between this kind of physical forcing and the phytoplanktonic bloom development in the Northwestern Mediterranean. During the study of the impact of convection episodes on the role of microorganisms in the biogeochemical cycles regulation, we determined the influence of physical parameters and environmental factors on the modification of the microbial community diversity (pyrosequencing of Bacteria and Archaea), in relation with organic matter mineralization. Besides, we used convection mixing as a model to evaluate the ecological pertinence of SAR11, Marine group I and Marine Group II ecotypes, 3 taxonomic groups the most widespread and abundant in Mediterranean and in all the oceans. In a climate change context, my works allowed us to propose different coherent scenarios of the potential evolution of the Northwestern Mediterranean pelagic ecosystems. My study contribute to the understanding of the pelagic ecosystem evolution with the predictable modifications in frequency and/or intensity of open-ocean convection processes.

L'étude de la circulation générale de la Méditerranée Nord-occidentale et du couplage entre la dynamique océanique et les cycles biogéochimiques sont abordés dans ce travail de thèse. De très nombreuses données \textit{in situ} ont été collectées durant la dernière décennie dans cette région grâce notamment à des plateformes d'observation autonomes (gliders, mouillages et flotteurs Argo ). Les différentes phases de la convection profonde (préconditonnement, mélange vertical, restratification) dominant la variabilité saisonnière de l'océan peuvent ainsi être étudiées en détail. La circulation générale et les variations hydrographiques des masses d'eau du bassin sont décrites aux échelles saisonnière et interannuelle. Cela offre un contexte pour l'étude de la dynamique verticale de sousmésoéchelle dans les zones frontales et au sein de la zone de mélange. Les tourbillons cohérents responsables de l'étalement des eaux profondes et intermédiaires à l'échelle du bassin sont enfin caractérisés. L'impact de ces différents processus sur les cycles biogéochimiques est également analysé. / In this thesis, we study the general circulation of the northwestern Mediterranean Sea and the impact of the ocean dynamics on the biogeochemical cycles. In the last decade, lots of in situ observations have collected in this region thanks to the emergence of autonomous platforms (Argo profiling floats and gliders). The different phases of the deep convection (preconditionning, vertical mixing, restratifiaction) driving the oceanic seasonal variability are thoroughly studied. The general circulation and the water mass variability of the basin are examined at interannual and seasonal scales. The vertical dynamics of frontal zones and within the mixed patch are analyzed. The basin-scale spreading of deep and intermediate waters by coherent vortices is eventualy characterized. The impacts of these processes on the biogeochemical cycles are also investigated.

L'Oscillation de Madden-Julian (MJO) est le principal mode de variabilité intrasaisonnière (20-90 jours) dans les tropiques. La MJO se caractérise par une perturbation de la dynamique de grande échelle et des précipitations se propageant principalement vers l'Est à une vitesse 5 m/s à l'équateur, et aussi vers le Nord en été boréal. Malgré son importance, cette perturbation est mal reproduite dans les modèles de circulation générale (MCG). Ce défaut des MCGs a été attribué en partie à un déclenchement trop fréquent du schéma de convection profonde du modèle qui préserverait trop la stabilité statique dans les tropiques et empêcherait la formation de fortes perturbations organisées de la convection et le développement de la réponse dynamique de grande échelle qui en résulte. Cette thèse a donc pour objectif d'étudier l'impact de l'inhibition de la convection sur l'état moyen et la variabilité tropicale dans le MCG LMDZ. Pour cela, deux paramètres - la fermeture et l'entraînement - d'un même schéma convectif, qui étaient initialement basés sur le profil vertical de la convergence d'humidité, ont été modifiés. Le taux entraînement du schéma modifié est proportionnel à l'humidité relative de l'environnement. Des études de sensibilité dans un modèle unidimensionnel montrent que, par rapport au schéma initial, cette modification a pour effet d'inhiber la convection dans une atmosphère sèche et de la favoriser en atmosphère humide, les précipitations deviennent donc plus rares et plus intenses. Avec ce nouvel entraînement, les simulations globales du modèle atmosphérique LMDZ présentent effectivement une plus forte variabilité tropicale de la dynamique et des précipitations à toutes les échelles de temps. Le cycle saisonnier des précipitations est aussi mieux reproduit ainsi que la propagation vers l'Est et vers le Nord des perturbations intrasaisonnières. L'ajout d'une fermeture en CAPE modifie peu ce comportement, mais accélère légèrement la propagation vers le Nord et vers l'Est de la MJO, et donne un état moyen et une variabilité un peu plus réaliste dans les tropiques. / The Madden-Julian oscillation (MJO) is the dominant mode of the Tropical intraseasonal variability. The MJO is characterized by a wide region of rain perturbation propagating eastward along the equator at a speed of about 5 m/s, from the Indian Ocean to the Central Pacific with a period of 20-90 days. Its boreal summer counterpart, referred as the Boreal Summer Intraseasonal Oscillation (BSISO), propagates both eastward and northward. The LMDZ atmospheric global circulation model (GCM), like most climate models, still has difficulties to represent correctly these two modes of tropical intraseasonal variability. One of the causes of this deficiency has been attributed to the lack of intense rain events organized at large scale. If the convection is triggered too easily in a GCM, the convective instability cannot accumulate in a column and trigger an organized convection at a basin scale. This thesis consisted in testing the role of several ways of inhibiting the convection in the simulation of the MJO in the LMDZ GCM. For this purpose, we have first evaluated the impact of entrainment and closure assumptions of the convective scheme on the structure of the atmospheric column using a 1D model and on the tropical variability using the LMDZ GCM. An entrainment that is dependant on the relative humidity of the environment has been implemented in the Tiedtke (1989) convective scheme. The new entrainment inhibits the convection in a dry environment and promotes the convection in a humid environment. This favours strong ascents and subsidence and consequently increases the variance of precipitation at all time scales. The new closure, based on the convective instability (CAPE) instead of the moisture convergence, decreases the occurrence of strong rain events and gives a more realistic mean state. The east-west ratio is increased at intraseasonal scale but it is not sufficient to organise correctly the eastward propagation related to the MJO. The seasonal cycle of the tropical precipitation over India is however improved. The LMDZ is able to reproduce correctly the signature of the northward propagation of the BSISO with a period of 40 days in Boreal Summer. We have shown, with A Local Mode Analysis (LMA), that the new entrainment produces intraseasonal perturbations related to the northward propagation of the BSISO which are more reproducible and more organized on the northern Indo-Pacific region.

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