Devido aos riscos de contaminação dos recursos naturais solo e água, ao alto custo, ao tempo e ao esforço humano nas investigações de campo, os modelos matemáticos, aliados às técnicas numéricas e aos avanços computacionais, constituem uma ferramenta importante na previsão do deslocamento de solutos, contribuindo assim, para o controle de alterações ambientais. No Brasil, a modelação de fluxo e transporte de solutos na zona não-saturada é voltada, quase que exclusivamente, aos problemas relacionados às atividades agrícolas. Entretanto, tão importante quanto a problemática dos produtos químicos nas atividades agrícolas é a questão de poluição e contaminação do solo e da água por chorume, gerado pelos resíduos sólidos domiciliares. Neste trabalho, é desenvolvido e validado um modelo computacional unidimensional para simulação de fluxo e transporte de solutos na zona não-saturada do solo. O modelo matemático é dado pela equação diferencial parcial não-linear de Richards, que rege o movimento de água no solo, e a equação diferencial parcial linear de advecção-dispersão, do transporte de solutos, acompanhadas das condições iniciais e de contorno. A equação de Richards é dada em função do potencial matricial da água e a equação de transporte de solutos estima a evolução temporal da concentração de solutos no perfil do solo. Devido à dificuldade de se obter soluções analíticas destas equações, são resolvidas numericamente pelo método de elementos finitos. As referidas equações são resolvidas utilizando-se malhas uniformes inicialmente. Com a finalidade de obter simulações mais eficientes, a um custo computacional reduzido, é empregada a adaptatividade com refinamento h na malha de elementos finitos. A função interpolação polinomial utilizada é de grau 2 ou maior que garante a conservação de massa. Na equação de Richards, a derivada temporal é aproximada por um quociente de diferença finita e é aplicado o esquema de Euler explícito e na equação de advecção-dispersão, é aproximada por um quociente de diferença finita, aplicando-se o esquema de Euler implícito, devido à linearidade da equação. O sistema operacional é o Linux Ubuntu 32 bits, o ambiente de programação é o PZ, escrito em linguagem de programação C++. Na validação do modelo, utilizam-se dados disponíveis na literatura. Os resultados são comparados, utilizando-se malhas uniformes e malhas adaptativas com refinamento h. Usando-se as malhas uniformes para o problema de Richards e de transporte de potássio, o tempo de execução é de 22 minutos e a memória utilizada de 6164 Kb. Com as malhas adaptadas, o tempo de execução é de 3 minutos e 27 segundos, consumindo 5876 Kb de memória. Houve, portanto, uma redução de 84,32% no tempo de execução, usando-se malhas adaptativas. A utilização da função interpolação polinomial de grau 2 ou maior e o refinamento h, permitem uma boa concordância do modelo na comparação com soluções disponíveis na literatura. / Due to the risks of contamination of soil and water resources, the high cost, time and human effort in the field investigations, the mathematical models, combined with numerical techniques and computational advances, are important tools in forecasting the movement of solutes thereby contributing to the control of environmental alteration. In Brazil, modeling of flow and solute transport in the unsaturated zone is focused, almost exclusively, on problems related to agricultural activities. However, as important as the problematical of chemicals products in agricultural activities is the issue of pollution and contamination of soil and water by leachate, generated by municipal solid wastes. In this work, an one-dimensional computational model for simulation of flow and solute transport in the unsaturated soil has been developed and validated. The mathematical model is given by the Richards\'s non-linear partial differential equation, which determines the movement of water in the soil, and the advection-dispersion linear partial differential equation, of the solute transport, together with initial and boundary conditions. The Richards equation is a function of the water pressure head and the solute transport equation estimate the temporal evolution of the solutes concentration in the soil profile. Due to the difficulty of obtaining analytical solutions of these equations, they are solved numerically using the finite element method. The governing equations are solved using initially a uniform mesh. In order to obtain more efficient simulations with low computational cost, adaptativity with h refinement on the finite element mesh is implemented. The interpolation function is of degree two or higher, assuring mass conservation. In Richards\' equation, the temporal derivative is approximated by Euler explicit finite difference. For the advection-dispersion equation, due to the linearity of the equation, an implicit finite difference scheme is used. The code is written in the programming language C++ based on the programming environment PZ using operating system Linux Ubuntu 32 bit. Model results are validated in comparison with data available in the literature. The results are evaluated using uniform meshes and with h refinement adaptive mesh. Using the uniform meshes for the problem of Richards and transport of potassium, the running time is 22 minutes and 6164 Kb of memory is used. With the adapted meshes, the execution time is 3 minutes and 27 seconds, consuming 5,876 Kb of memory. Therefore there was a reduction of 84.32% in execution time, using adaptive meshes. The interpolation function with degree two or higher and the h refinement, with reduction of the computation time, showed a good agreement in comparison with the literature.

O ensaio SPT (Standard Penetration Test), é o ensaio de campo geotécnico mais usado no Brasil e grande parte do mundo. A ampla utilização deste ensaio no âmbito da engenharia geotécnica deve-se à sua simplicidade, baixo custo, grande experiência prática e facilidade de aplicação dos seus resultados. Os principais objetivos do ensaio são a determinação do índice de resistência do solo (NSPT) e amostragem. Apesar de ser muito utilizado na estimativa da capacidade de carga de fundações, o ensaio SPT tem sido questionado pelo fato de que o índice NSPT é utilizado em correlações empíricas baseadas em observações práticas, sem nenhum fundamento científico. Além do mais, seus resultados apresentam significativas dispersões. Para analisar racionalmente os resultados do ensaio e de possibilitar a comparação dos diferentes resultados de distintas equipes, é necessário conhecer as quantidades de energia envolvidas na penetração do amostrador no solo. Tais análises requerem o conhecimento da eficiência do equipamento (η) e a força de reação dinâmica do solo à cravação do amostrador (RD). Neste cenário, o presente trabalho aborda a interpretação racional dos resultados de ensaios SPT a partir de simulações numéricas realizadas com o software Abaqus/Explicit®. Esse programa fornece os deslocamentos do amostrador (Δρ), força de reação dinâmica do solo (RD), e as forças de reação nas paredes laterais externa e interna do amostrador (R1 e R2). Baseando-se nos resultados dos modelos numéricos, foi possível calcular a eficiência do equipamento, a partir da força de reação dinâmica do solo, as resistências unitárias de atrito atuantes nas paredes e a resistência unitária na ponta do amostrador. Também foi possível determinar a relação entre as resistências unitárias de atrito desenvolvidas no interior e exterior do amostrador (fator de atrito a). Os resultados obtidos foram comparados com resultados de trabalhos experimentais e valores teóricos determinados com base no Princípio de Hamilton da conservação da energia. Também foi possível simular uma prova de carga dinâmica com energia crescente no amostrador, variando a altura de queda do martelo. Isso confirmou que a resistência mobilizada do solo para certa energia aplicada pode estar bem abaixo da ruptura e apenas representar um ponto na curva de resistência mobilizada versus deslocamento. / The Standard Penetration Test (SPT) is one of the most used geotechnical tests in the world. The wide use of this test in the context of geotechnical engineering is due to its simplicity, low cost, large practical experience and its ease of application of results. The main objectives of the test are the determination of soil resistance index (NSPT) and sampling. Despite being widely used in estimating the bearing capacity of foundations, the SPT test has been questioned by the fact that the NSPT index is used in empirical correlations based on practical observations, with no scientific basis. Furthermore, its results show significant dispersions. To analyze rationally the test results and to make possible to compare different results obtained from different equipment, it is necessary to know the amounts of energy existing during the penetration of the sampler into soil. Such analyses require information about the equipment efficiency (η) and the dynamic soil reaction force during the sampler penetration (RD). In this scenario, this work addresses the rational interpretation of SPT test results from numerical simulations performed with the Abaqus/Explicit software. This program provides the sampler displacements (Δρ), the dynamic soil reaction force (RD) and the external and internal reaction forces acting on the sampler walls (R1 e R2). Based on the results of the numerical models, it was possible to calculate the efficiency of the equipment, from the dynamic soil reaction force, the unit friction resistance acting on the sampler walls and the unit resistance at the sampler tip. In addition, it was possible to estimate the relationship between the unit friction resistance acting on the internal and external walls of the sampler (friction factor a). The numerical results were compared with experimental results and theoretical values, obtained using the Hamilton\'s principle of conservation of energy. Furthermore, it was possible to simulate a dynamic load test with increasing energy applied to the sampler, by varying the height of fall of the hammer. It was obtained the confirmation that resistance mobilized for a certain level of energy applied to the sampler may be below the failure load and represent only a point on the graph curve mobilized resistance versus displacement.

Made available in DSpace on 2016-12-12T17:38:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JULIA GRASIELA BUSARELLO WOLFF.pdf: 4663430 bytes, checksum: 6c78e4867094b8623e5a0412abf9b544 (MD5) Previous issue date: 2011-08-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Magnetic induction tomography is a developing technique for visualization of electromagnetic properties of an object. It differs from others imaging techniques from electromagnetic signals because it is a noninvasive and contactless method whose main purpose is to obtain the distribution of conductivity in objects, which has important applications in industry and medicine. This master s degree dissertation discusses the development of the impedance method in three dimensions and its use in a modeling system of magnetic induction tomography. This method allows the calculation of induced currents in an object from an applied magnetic field, using valid approximations for quasi-static conditions of operation, which allows the modeling of the medium by a three-dimensional network of impedances. Thus, the impedance method was used for the calculation of eddy currents while the primary and secondary fields were calculated using the Biot-Savart Law. A simulation program in the C language has been developed to obtain the current and field distributions and calculate the sensitivity matrix of the system. The simulation has been compared with analytical models and experimental results. Two methods have been used to obtain images of the conductivity distribution from the simulated values of phase variation in signals from sensors in the tomograph: Tikhonov regularization and an original method proposed in this study called successive approximations. The methods are discussed and their results compared. It has been found that both underestimate the conductivity value, but they provide images with good linear correlation with respect to the real object. The successive approximations method has slightly better performance. / A Tomografia de Indução Magnética é uma técnica em desenvolvimento para a visualização das propriedades eletromagnéticas de um objeto. Difere de outras técnicas de produção de imagens a partir de sinais eletromagnéticos por se tratar de um método não invasivo e sem contato cuja sua finalidade principal é a obtenção da distribuição de condutividade em objetos, o que encontra aplicações importantes na indústria e na medicina. Essa dissertação aborda o desenvolvimento do método das impedâncias em três dimensões e o seu uso na modelagem de um sistema de tomografia de indução magnética. Este método permite o cálculo de correntes induzidas em um objeto a partir de um campo magnético aplicado, usando aproximações válidas para as condições quaseestáticas de operação, o que permite a modelagem do meio por uma rede tridimensional de impedâncias. Assim, o método das impedâncias foi utilizado para o cálculo das correntes eddy enquanto que os campos primário e secundário foram calculados usando a lei de Biot-Savart. Um programa em linguagem C foi desenvolvido para realizar as simulações, obter as distribuições de corrente e campos e calcular a matriz de sensibilidade do sistema. Os resultados das simulações foram confrontados com modelos analíticos e com resultados experimentais. Dois métodos foram usados para obter imagens da distribuição de condutividade a partir de valores simulados da variação de fase nos sinais obtidos nos sensores do tomógrafo: a regularização de Tikhonov e um método original proposto neste estudo denominado aproximações sucessivas. Os métodos são discutidos e seus resultados comparados. Verificou-se que ambos subestimam o valor da condutividade, mas fornecem imagens com boa correlação linear em relação ao objeto real. O método de aproximações sucessivas apresenta desempenho levemente superior.

Les industriels du secteur aéronautique sont, de plus en plus, à la recherche de procédés de fabrication à forte valeur ajoutée sans modifier les paramètres d’infusabilité de la résine lorsque l’on change de tissu. Nous avons donc mis en œuvre le procédé d’infusion de résine liquide sur des composites carbone/époxyde de forte épaisseur (e>4 mm) en modifiant les cycles de polymérisation, les matériaux utilisés et les séquences d’empilement. Tous les tissus sont en carbone et la résine utilisée est la résine commerciale RTM6. Les structures aéronautiques sont sollicitées, en service, de différentes façons. Elles peuvent être accidentellement impactées par des engins de maintenance, des outils, de la grêle ou toute autre forme d’impact. Le problème pour les industriels est de pouvoir détecter l’endommagement créé et de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de l’impact mais aussi leur évolution pendant un cyclage en fatigue. Nos travaux se sont donc inscrits dans cet objectif et différentes méthodes ont été mises en œuvre : détection de défauts d’impact et suivi en temps réel par thermographie infrarouge, détection de l’indentation résiduelle par numérisation par projection de franges. Parallèlement, le phénomène d’impact a aussi été traité par une étude statistique par plan d’expérience et une modélisation avancée a été créée avec l’utilisation de surfaces cohésives. / Aeronautical manufacturers are looking for the best manufacturing process giving high benefits. Moreover, it has to be implemented easily with change of woven fabrics. So, we realize thick carbon/epoxy composites (t>4 mm) by modifying cure cycles, woven fabrics and lay-up sequences. Concerning the constituent materials of the composites, woven fabrics are carbon made and the resin is the commercial product named RTM6. Aeronautical structures can be unfortunately stressed, in service, with different solicitations: holding, engine impact, falling objects impacts or other way. The main problem for industrials is to be able to detect the created damage, to understand the phenomena dealing with it and the damage evolution during fatigue cycles. By following this direction, different methods are developed: impact damage defects detection and evolution monitored with infrared thermography, impact residual depth measurement by fringes projection digitalization. At the same time, a statistical study made by design of experiments is completed. A numerical impact modeling is also developed by using cohesive surfaces.

O uso de fundações por estacas helicoidais tem aumentado consideravelmente nos últimos anos, devido às suas vantagens comparadas a outros tipos de fundação, como a sua rápida instalação e sua capacidade de resistir simultaneamente a esforços de tração e de compressão. No entanto, os métodos de previsão do comportamento deste tipo de fundação submetida a esforços de tração (denominadas ancoragens helicoidais neste caso), ainda são insatisfatórios, e normalmente são observadas discrepâncias entre os resultados estimados por métodos teóricos e medidos em provas de carga. Entre outras razões, estas diferenças ocorrem principalmente pelo fato dos efeitos da instalação destas ancoragens no solo não serem considerados nos métodos de previsão disponíveis. No momento da instalação, os parâmetros do solo atravessado são modificados, e como é o volume de solo alterado que deve resistir ao carregamento da ancoragem sob tração, é essencial entender e quantificar este efeito de instalação para uma previsão adequada da capacidade de carga deste tipo de ancoragem. Para contribuir com o entendimento deste efeito, no presente trabalho foram realizadas simulações numéricas com o software FLAC3D, para se conhecer as modificações ocorridas no solo devido à instalação de uma ancoragem helicoidal em areia compacta. Para este fim, na simulação do solo penetrado pela hélice, foram reduzidos os valores de ângulo de atrito e do módulo de elasticidade da areia. O modelo foi validado por meio da comparação com a curva carga-deslocamento obtida experimentalmente em ensaios realizados em centrifuga. Após o ajuste do modelo numérico, foi realizada uma análise paramétrica com o objetivo de investigar o efeito da instalação no fator de capacidade de carga (Nq). Por meio da análise paramétrica também foram avaliados o deslocamento da ancoragem sob carga máxima e as tensões horizontais atuantes na superfície de ruptura. Os resultados estimados de Nq foram comparados com estudos anteriores, e mostraram um bom ajuste com resultados de provas de carga in situ e em centrifuga. Além disso, o estudo paramétrico indicou que as tensões horizontais atuantes na zona de ruptura são distribuídas em forma de tronco de cone, e variam de acordo com o diâmetro da hélice. / The use of helical foundations has increased considerably in recent years due to its advantages compared to other types of foundations, such as rapid installation and the capacity of resisting tensile and compressive loads. However, the methods normally used to predict the behavior of this type of foundation under tensile loads (called helical anchors in this case), are still unsatisfactory, and discrepancies are usually observed between the results estimated by theoretical methods and measured in load tests. Among other reasons, these differences occur mainly because the effects of helical anchor installation in the soil are not considered in the available predicting methods. During installation, the parameters of the soil penetrated are modified, and since it is this disturbed soil volume that must support the loading of the anchor under tension, it is essential to understand and quantify this installation effect for an adequate prediction of the uplift capacity of this type anchor. In order to contribute to the understanding of this effect, in the present work numerical simulations with the software FLAC3D were performed to evaluate the modifications occurred in the soil due to the installation of a helical anchor in dense sand. For this purpose, in the simulation of the soil penetrated by the helices, the values of friction angle and modulus of elasticity of the sand were reduced. The model was validated by means of the comparison with a load-displacement curve obtained experimentally in centrifuge model tests. After adjusting the numerical model, a parametric analysis was carried out to investigate the effect of the installation on the breakout factor (Nq). The parametric analyses were also used to investigate the anchor displacement at the peak load and the horizontal stresses acting on the failure surface. The estimated Nq values were compared with previous studies, and showed a good agreement with experimental results obtained by field and centrifuge tests. Additionally, the parametric study indicated that the horizontal stresses acting on the failure zone are distributed in the shape of a truncated cone, and vary with the helix diameter.

O presente trabalho apresenta os resultados obtidos na avaliação dos problemas ambientais relacionados a lixiviação de poluentes do lixão próximo ao Ribeirão dos Moinhos na cidade de Poços de Caldas (MG). O estudo considera as características geológicas - geotécnicas e climáticas da área e os vários tipos de técnicas de \"cleanup\". O software Visual Modflow foi usado para desenvolver simulações em termos de fluxo de água subsuperficial e de transporte de poluentes. / This work presents the results obtained from assessment of the environment problems related to the pollutant lixiviation from the urban wastes disposed near the Moinho River in Poços de Caldas (MG) city. The study considered the geological - geotechnical and climatic characteristics of the area and the main kinds of cleanup techniques. The software Visual Modflow were used to developed the simulation in terms of groundwater flow and pollutant transport.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:18:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ErikaSakai.pdf: 1917728 bytes, checksum: 5cc92bff51598c6d8147b5abba80383d (MD5) Previous issue date: 2010-12-16 / Through studies on the choice of type of foundation to use a certain work, always when the foundation is to pile it is necessary to build another structural element, the block of crowing or also called pile caps. Several studies have been made taking into account the block on stilts without the influence of soil. So this work demonstrates the relationship of methods of calculation of reactions in piles and tensions in chunks of some authors that take into account the influence of soil or not, with the numerical analysis. To analyzethe fundations the program DIANA was used in conjunction with MIDAS / FX +. With these results, ground-structure in the study of these blocks can be concluded on the importance of the interaction, being distinguished that as example, that if the ground are taken in consideration in the analyses of rigid blocks, the biggest reactions if are concentrate near the corners of the block, independent of the type of load application studied and not in the props central offices as some simplified methods consider. This leads to a closer examination of reality and therefore more accurate. / Através de estudos sobre a escolha do tipo de fundação a usar numa determinada obra, sempre quando a fundação for com estaca faz-se necessário a construção de outro elemento estrutural, o bloco de coroamento ou também denominado bloco sobre estacas. Vários estudos foram feitos levando-se em consideração o bloco sobre estacas sem a influência do solo. Portanto este trabalho demonstra a relação de métodos de cálculos de reações nas estacas e tensões nos blocos de estacas envolvidas pelo solo, através de análise numérica baseado no Método dos Elementos finitos, com características tridimensionais e não-lineares. Para a análise foi usado o programa DIANA em conjunto com o MIDAS/FX+. Com os resultados obtidos, pode-se concluir sobre a importância da interação solo estrutura no estudo destes blocos, destacandose que como exemplo, que se o solo é levado em consideração nas análises de blocos rígidos, as maiores reações se concentram nas estacas laterais do bloco, independente do tipo de aplicação de carga estudada e não nas estacas centrais como alguns métodos simplificados propõem. Isto leva a uma análise mais próxima da realidade e, consequentemente, mais preciso.

Este trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento de tubos metálicos enterrados, submetidos ao carregamento móvel de um veículo. Foram realizadas análises numéricas utilizando o método de elementos finitos para o cálculo da tensão vertical no solo, momento fletor, tensão normal e deformação diametral vertical do tubo. Foram analisados 630 modelos, obtidos da variação das características do solo (módulo de elasticidade) com o objetivo de representar diferentes níveis de compactação do solo, características do tubo (espessura da parede do tubo) e da altura da camada de recobrimento do solo. O programa utilizado nas análises numéricas foi o SIGMA/W do pacote Geostudio. Os resultados encontrados apontam que as maiores tensões no solo, momentos, tensões normais e deformações no tubo ocorrem devido ao carregamento móvel quando este se localiza exatamente acima do tubo. Observou-se que o aumento da espessura da camada de solo que recobre a tubulação causa uma diminuição de 15% a 55% das tensões verticais no solo, momentos fletores, tensões normais e deformações no tubo. Foram desenvolvidas equações para o cálculo das deformações para os casos estudados. Foi também desenvolvido um procedimento para a moldagem de corpos de prova de areia no estado fofo (índice de vazios máximo) para realização de ensaios triaxiais. / This paper presents a study on the behavior of buried metal pipes, subjected to the vehicle live load. Numerical analysis using the finite element method to calculate the vertical stress were made on the ground, bending moment, normal stress and diametral vertical pipe deformation. 630 models were analyzed, obtained from the variation of the soil characteristics (modulus) in order to represent different levels of soil compaction, the pipe characteristics (thickness of the pipe wall) and the height of the soil cover layer. The program used in numerical analysis was the SIGMA/W Geostudio package. The results show that the highest stresses on the ground moments, normal stresses and strains in the tube occur due to live loading when it is located just above the tube. It was observed that increasing the thickness of the layer of soil covering the pipe causes a decrease from 15% to 55% of the vertical tensions in the ground, bending moments, normal stress and strain on the pipe. Equations were developed to calculate the deformations in the cases studied. It has also developed a procedure for molding sand specimens into the soft state (maximum void ratio) to perform triaxial tests.

[pt] O presente trabalho trata do desenvolvimento de uma modelagem numérica para estruturas cilíndricas com materiais compósitos. Uma classe especial de materiais compósitos, os materiais com gradação funcional (FGM), também é investigada. O modelo constitutivo adotado para o material compósito é baseado na regra das misturas. Esta metodologia é aplicada na análise de reparo e reforço de dutos, considerando as solicitações usuais de campo, notadamente as decorrentes da variação de temperatura e das pressões internas, bem como os efeitos da interação solo-estrutura. O sistema duto-reforço é modelado como elemento de viga conforme o método dos elementos finitos, e as tensões na seção são integradas numericamente. Para tanto, o material, tanto do duto quanto da camada de reforço, é admitido com comportamento elastoplástico. Alguns exemplos, simulando as condições típicas, são apresentados e discutidos, de maneira a avaliar o comportamento dos dutos recuperados com materiais compósitos, e a propor a solução mais eficiente no dimensionamento da camada de reforço, inclusive em termos do material com gradação funcional. / [en] This work presents a numerical model for the investigation of pipe constituted by composite materials. A special class of composite materials, functionally graded materials (FGM), is considered. The composite material model is based on the rule of mixture and an elastoplastic material behavior is incorporated. A finite element model based on the beam element discretization is employed, by which the section integration allows the representation of the non-linear material behavior. This methodology is applied to the analysis of reinforced and repaired pipelines. The soilstructure interaction, accomplished through transversal and longitudinal springs, besides transversal, axial and pressure loading are incorporated. Some examples, simulating the conditions in field, are shown and discussed in order to evaluate the behavior of reinforced pipes, proposing the soluction more efficient in modeling of the reinforcement, included in terms of the functionally graded materials .

Le biofilm épilithique (anciennement périphyton), agrégat phototrophe d’organismes se développant sur le fond des cours d’eau, joue un rôle essentiel dans le fonctionnement des hydroécosystèmes fluviaux comme la Garonne. Pour améliorer la modélisation à l’échelle du tronçon de rivière de ces systèmes, il est nécessaire de prendre en compte les caractéristiques locales de l’écoulement notamment pour la prédiction de l’évolution de la biomasse. Les méthodes expérimentales actuelles ne permettent pas d’accéder aux grandeurs hydrodynamiques locales proches du fond rugueux, dans la zone dite de ’canopée’. Le travail présenté ici vise donc à compléter ces résultats par des simulations numériques directes, avec une méthode de frontières immergées, d’écoulements turbulents de couche limite hydrauliquement rugueuse formée d’hémisphères. L’objectif est double : il s’agit d’une part de mettre en relation les motifs de colonisation et la croissance du biofilm observés expérimentalement aux caractéristiques locales de l’écoulement, et d’autre part, de quantifier les flux d’espèces chimiques entre la canopée et la pleine eau et ce, en fonction du type d’arrangement des obstacles formant le fond, du confinement et du nombre de Reynolds rugueux. Après avoir validé la méthode numérique sur des cas proches de ceux rencontrés dans les expériences, et vérifié que les grandeurs hydrodynamiques moyennes et turbulentes dans la pleine eau sont en bon accord avec les résultats expérimentaux, plusieurs campagnes de simulations ont été réalisées pour deux types d’arrangements du fond (aligné et décalé), plusieurs confinements et une gamme de nombre de Reynolds rugueux représentatifs des écoulements en rivière. Ce travail a pu mettre en évidence que le biofilm colonise préférentiellement les zones de faible cisaillement local et un critère de colonisation a été déterminé. Des simulations avec transfert d’espèce chimique ont été réalisées pour différentes valeurs du nombre de Schmidt et ont permis de quantifier les flux d’échange en fonction de ce paramètre. / The epilithic biofilm, aggregate set of phototrophic organisms growing on the bed of rivers, plays an essential role in the functioning of hydro-ecosystems such as the Garonne river. To improve the modeling of these systems it is necessary to take into account the local conditions in the region close to the rough bottom, named ’canopy’. Direct numerical simulations with a immersed boundary method are used to simulate turbulent boundary layer flows with a rough wall composed of hemipheres. The aim of these simulations is twofold : (1) investigate the influence of local flow conditions on the biofilm colonization and growth processes and (2) quantify the transfers of chemical species between the canopy region and the main water column, for various hemispheres arrangement, confinement and turbulent Reynolds number encountered in natural rivers. This work allowed to show that biofilm colonization first occurs in low-to-moderate local shear stress at the hemisphere surface. Simulations with the transport of a passive scalar were performed for various Schmidt number, and gave an estimation of the mass fluxes as a function of this parameter.