En Outaouais, les eaux souterraines sont une ressource essentielle pour les besoins domestiques et agricoles (hors ville de Gatineau, qui utilise les eaux de surface). La région d’étude repose sur le Bouclier Canadien, fait de roches silicatées fracturées recouvertes par les sédiments résultants de la dernière glaciation-déglaciation. Dans ce contexte, améliorer les connaissances sur le fonctionnement des aquifères est vital pour une utilisation durable de la ressource. Pour atteindre cet objectif, un modèle conceptuel a été proposé résultant de l’interprétation des données géochimiques couplée à la modélisation numérique. L’altération des silicates, l’intrusion d’eau saline de l’ancienne Mer de Champlain suivie de l’échange cationique dans les argiles marines affectant les aquifères confinés ainsi que les mélanges d’eaux sont les principaux processus identifiés par une analyse statistique multivariée. A échelle locale, une signature des isotopes stables similaire à celle de la pluie actuelle et la présence de tritium indiquent des temps de résidence relativement courts dans les 100 premiers mètres de profondeur, ce qui est confirmé par la modélisation des écoulements et des âges. La présence d’hélium 4 est attribuée à la diffusion depuis des eaux plus profondes et plus âgées, résultant de la diminution de la conductivité hydraulique avec la profondeur. Des mélanges résultent de l’échantillonnage dans des puits ouverts. Dans les aquifères non confinés, les activités en 14C sont principalement le résultat de l’équilibre de l’eau de recharge avec le CO2 du sol dans un système ouvert suivi de l’altération des silicates par du CO2 fossile ou de la dissolution des carbonates en milieu fermé plutôt que de la décroissance radioactive. Finalement, la simulation des chlorures montre que les restes de la Mer de Champlain seraient présents dans les argiles marines et dans les zones moins perméables de l’aquifère confiné par rapport aux eaux caractérisés par l’échange cationique. L’étude a permis de caractériser la qualité des eaux souterraines dans la partie fracturée du bouclier canadien dans les dépôts du Quaternaire à l’échelle régionale. Les systèmes locaux d’écoulement, avec des temps de résidence courts dans la partie supérieure du roc sont essentiels et doivent être pris en compte pour évaluer la vulnérabilité des ressources en eaux souterraines. / Throughout most of the Outaouais Region, groundwater is an essential resource for both for domestic and agricultural use (except in the city of Gatineau which uses surface water). The study area lies in the Canadian Shield, and includes a fractured silicate bedrock aquifer which is covered by sediments from the last glacial-deglacial period. In this context, improving our understanding of aquifers is vital for a sustainable use of this resource. To fulfill this objective, a conceptual model was proposed based on the interpretation of geochemical data coupled to numerical modelling. Silicate weathering, seawater intrusion by the former Champlain Sea and subsequent cation exchange in marine clays affecting groundwater quality in confined aquifers, and mixing between waters of different ages are identified by a multivariate statistical analysis as the principal geochemical processes. At the local scale, a stable isotope signature similar to current precipitation and the presence of tritium indicate relatively short residence times in the first 100 m below ground surface, which was confirmed by numerical flow and age modelling. The occurrence of helium 4 is attributed to diffusion from deeper older groundwater within lower hydraulic conductivity zones. Some mixing due to sampling in open boreholes may also have occurred. In the unconfined aquifer, 14C activities appear to be the result of such as equilibration of recharge water with soil CO2 in open conditions coupled to silicate weathering by fossil CO2 or carbonate dissolution under closed conditions, rather than from radioactive decay. Finally, chloride transport simulations show that remnants of the Champlain Sea would still be found in marine clays and in the less permeable zones of the confined aquifer whereas groundwater characterised by cation exchange are found in more permeable zones. The study has helped characterize regional groundwater quality in the upper fractured zone of the Canadian Shield and in the Quaternary sediments of the Outaouais region. It has shown the importance of local scale groundwater flow systems and relatively rapid flow in the upper part of the bedrock which need to be considered when assessing the vulnerability of these regional groundwater resources.

These thesis review some recent results on the construction of very high order multidimensional upwind schemes for the solution of steady and unsteady conservation laws on unstructured triangular grids. We also consider the extension to the approximation of solutions to conservation laws containing second order dissipative terms. To build this high order schemes we use a sub-triangulation of the triangular Pk elements where we apply the distribution used for a P1 element. This manuscript is divided in two parts. The first part is dedicated to the design of the high order schemes for scalar equations and focus more on the theoretical design of the schemes. The second part deals with the extension to system of equations, in particular we will compare the performances of 2nd, 3rd and 4th order schemes. The first part is subdivided in four chapters: The aim of the second chapter is to present the multidimensional upwind residual distributive schmes and to explain what was the status of their development at the beginning of this work. The third chapter is dedicated to the first contribution: the design of 3rd and 4th order quasi non-oscillatory schemes. The fourth chapter is composed of two parts: We start by understanding the non-uniformity of the accuracy of the 2nd order schemes for advection-diffusion problem. To solve this issue we use a Finite Element hybridisation. This deep study of the 2nd order scheme is used as a basis to design a 3rd order scheme for advection-diffusion. Finally, in the fifth chapter we extend the high order quasi non-oscillatory schemes to unsteady problems. In the second part, we extend the schemes of the first part to systems of equations as follows: The sixth chapter deals with the extension to steady systems of hyperbolic equations. In particular, we discuss how to solve some issues such as boundary conditions and the discretisation of curved geometries. Then, we look at the performance of 2nd and 3rd order schemes on viscous flow. Finally, we test the space-time schemes on several test cases. In particular, we will test the monotonicity of the space-time non-oscillatory schemes and we apply residual distributive schemes to acoustic problems.

La réduction de la diffusion numérique des structures tourbillonnaires est un point clé de la simulation de nombreux problèmes de Mécanique des fluides. S'appuyant d'une part sur la notion définie par Morton et Roe de schéma numérique préservant exactement la vorticité pour les équations de l'acoustique et d'autre part sur une forme de schémas basés sur le résidu introduits par Lerat et Corre, cette thèse présente un schéma RBV (Residual Based Vorticity preserving), d'ordre 2 implicite basé sur le résidu qui préserve la vorticité pour les équations de l'acoustique, de l'acoustique avec advection et les équations d'Euler. Le schéma RBV permet d'advecter un tourbillon sur de longues distances avec très peu de diffusion numérique. Il a été formulé en maillage curviligne dans l'approche des volumes finis et, par construction, conserve son ordre de précision et ses propriétés de préservation de la vorticité en maillage irrégulier sans nécessiter de termes correctifs. Le schéma RBV a été appliqué à des calculs d'écoulements stationnaires et instationnaires autour de profil pour les équations d'Euler, puis au cas de l'interaction frontale, subsonique instationnaire, entre un tourbillon de Scully et un profil NACA0012 à incidence nulle pour lequel existent des données expérimentales. Ce problème modèle est représentatif de l'interaction parallèle entre une pale de rotor d'hélicoptère et le tourbillon émis en extrémité d'une pale précédente, qui est à l'origine du bruit BVI ("Blade Vortex Interaction noise") dominant dans le cas du vol de descente basse vitesse de l'hélicoptère. Les résultats obtenus avec le schéma RBV sur ce cas d'interaction pale tourbillon 2D démontrent la capacité de la méthode à simuler des écoulements aérodynamiques réalistes. Des comparaisons avec les solutions de schémas classiques d'ordre 2 montrent l'apport de la méthode proposée.

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Le travail de thèse porte sur l'analyse du couplage écoulement – contrainte dans les roches fracturées et son application aux barrages. Le rapport de thèse est composé de 5 chapitres. Le premier chapitre présente une synthèse des travaux réalisés sur les roches fracturées et plus particulièrement sur le couplage écoulement – contrainte. L’accent est mis sur la modélisation numérique. Le second chapitre concerne la formulation de l’Élément Composite pour les roches fracturées. Il présente cet élément pour le problème mécanique ensuite pour le problème d’écoulement. Le 3ème chapitre présente l’extension de l’élément composite aux roches fracturées en prenant en compte le couplage contrainte – écoulement. Après une présentation de la formulation mathématique, on décrit l’introduction de cet élément dans un code de calcul. Le chapitre décrit aussi le fonctionnement de cet élément pour une fracture soumise à une contrainte normale puis à un cisaillement. Le 4ème chapitre traite de l’application de l’élément composite aux masses de roches fracturées contenant des drains. La performance de l’élément composite pour ce type d’applications est montrée à travers sa confrontation à la méthode des éléments finis classique. Le dernier chapitre présente l'application de l'élément composite à l'analyse du barrage de Xiaowan ayant un système de fondation complexe. La fondation contient trois ensembles de fractures et des drains. Cet exemple montre les performances de l'élément composite pour l'analyse des projets à géométrie complexe contenant des fractures. / The thesis concerns analysis of the stress-seepage coupling in fractured rock mass and its application on dams. The thesis is composed of 5 chapters. The first chapter presents a literature review on researches conducted on fractured rock mass and on seepagestress coupling in fractured rock with a particular focus on numerical modeling. The second chapter concerns the formulation of the composite element method for fractured rock mass. It presents the composite element method for stress and seepage problems. The third chapter concerns the formulation of the composite element for fractured rock mass considering seepage- stress coupling. After the mathematical formulation, it presents the numerical implementation of the composite element and its performances under both normal and shearing stress states. The 4th chapter presents analysis of the seepage-stress coupling for fractured rock mass with drainage holes. The numerical model is validated by its comparison to the convention al finite element method. The last chapter presents the use ofthe composite element for the analysis of the Xiaowan arch dam with complex fractured rock mass. The later contains three sets of fractures and drainage holes. This example shows the advantage and performances of the composite element for the analysis of complex projects.

A l'heure actuelle, il ne fait plus aucun doute que les processus hétérogènes de chimie atmosphérique affectent le bilan radiatif terrestre et jouent un rôle crucial dans les cycles d'oxydation troposphérique. L'objectif de notre étude est d'identifier des réactions hétérogènes qui jouent un rôle important dans la troposphère et de déterminer leurs paramètres cinétiques notamment le coefficient de capture (?). Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié la réactivité hétérogène de NO2 sur des surfaces aqueuses (H2O, HNO3, H2SO4, NaCl) à l'aide d'un réacteur à écoulement à film liquide tombant couplé à un spectrophotomètre d'absorption UV/Visible. Nous avons déterminé des coefficients de capture de l'ordre de 10-7/10-6 à température ambiante pour des concentrations initiales de NO2 comprises entre 10 14 et 10 16 molécules.cm-3. Nos résultats montrent que ? augmente avec la concentration initiale en NO2 dans la phase gazeuse mais diminue avec la concentration de NaCl dans la phase aqueuse. Dans la deuxième partie, les interactions entre NO2 et des pastilles de NaCl et de (NH4)2SO4 sont étudiées en fonction de l'humidité relative par spectrophotométrie d'absorption infrarouge à transformée de Fourier. Nous avons mesuré des coefficients de capture de l'ordre de 10-7/10-6 à température ambiante et nous avons mis en évidence l'augmentation de ? avec l'humidité relative. La formation des nitrates sur la phase solide est observée par microspectrométrie et imagerie Raman. / There is no doubt nowadays that heterogeneous processes of atmospheric chemistry affect significantly the radiation balance and the oxidative capacity of the atmosphere. The goals of our study are the identification of heterogeneous tropospheric reactions and the determination of their kinetic parameters such as the uptake coefficient (y). On one band, the heterogeneous interactions between NO2 and aqueous surfaces (H2O, HNO3, H2SO4, NaCI) were monitored with a wetted wall flow tube reactor coupled to an UV Visible absorption spectrometer. We have measured uptake coefficients in the range of 10-7/10-6 al ambient temperature and for NO2 densities between 1014 and 1016 cm-3. We have observed an enhancement of y as function of the NO2 density. On the other band, the heterogeneous interactions between NO2 and solid minerai surfaces (NaCl and <NH4)2S04) pellets) were monitored in situ using a Fourier transform infrared absorption spectrometer. The uptake coefficients were measured at difIerent relative humidity (RH). We obtained y in the range of 10-7/10-6 al ambient temperature and for NO2 density equal to 1016 cm-3. An enhancement of the uptake was observed as function of the RH parameter. The nitrate formation on the solid phase was detected by Raman microspectrometIy

La transition vers la turbulence pour un fluide rhéofluidifiant avec seuil en écoulement dans une conduite cylindrique est étudiée. Une analyse linéaire de stabilité est effectuée moyennant des approches modale et non modale. Les résultats numériques montrent que l'écoulement de Hagen-Poiseuille d'un fluide à seuil est linéairement stable. L'effet du comportement rhéologique du fluide sur les caractéristiques de la perturbation optimale est clairement mis en évidence. Pour de faibles valeurs du nombre d'Herschel-Bulkley (Hb << 1), la perturbation optimale se présente pratiquement sous forme de rouleaux longitudinaux et l'amplification de l'énergie est assurée par le mécanisme lift-up. Par contre pour des valeurs suffisamment élevées de Hb, la perturbation optimale est axisymétrique et l'amplification de l'énergie est assurée par le mécanisme Orr. D'un point de vue expérimental, l'écoulement d'une solution de Carbopol à 0.2 % en masse dans une conduite cylindrique est étudié à partir de la mesure des profils des vitesse axiale et analyse statistique des fluctuations de celle-ci. Il a été constaté qu'en régimes laminaire et turbulent, les profils moyens (au sens temporel) sont axisymétriques et présentent une asymétrie croissante avec le nombre de Reynolds lors de la transition. Une description tridimensionnelle de cette asymétrie a été obtenue à partir des profils de vitesse axiale mesurés à différentes positions angulaires. Les résultats obtenus suggèrent l'existence d'une structure cohérente robuste constituée de deux rouleaux longitudinaux contra-rotatifs de longueur comparable à celle du dispositif expérimental. L'analyse statistique des fluctuations de la vitesse axiale fait apparaître deux phases lors de la transition vers la turbulence. Dans la première phase, le système passe du régime laminaire à un état non linéaire asymétrique où les spectres de puissance sont très similaires à ceux observés dans le cas d'une turbulence bidimensionnelle. La deuxième phase correspond au passage de cet état asymétrique à un régime turbulent avec apparition de spots classiques de la turbulence hydrodynamique. / The transition to turbulence for shear-thinning fluid with a yield-stress in a cylindrical pipe flow is studied. A linear stability analysis is performed using modal and non-modal approches. The numerical results show that the Hagen-Poiseuille flow of yield stress fluid is linearly stable. The effect of rheological behavior of the fluid on the characteristics of the optimal perturbation is clearly highlighted. At very low Herschel-Bulkley number (Hb << 1), the optimal perturbation consists of almost streamwise vortices, and the amplification of the kinetic energy is provided by the lift-up mechanism. In contrast for sufficiently large values of $Hb$, the optimal perturbation is axisymmetric and the growth of the kinetic energy is provided by the Orr-mechanism. From experimental point of view, the flow of 0.2 wt % aqueous solution of Carbopol 940 in a pipe is investigated from the measurement of the mean, i.e., time-averaged, axial velocity profiles as well as the statistical analysis of the fluctuations. It is observed that the velocity profiles are axisymmetric in the laminar and turbulent regimes, and present an increasing asymmetry with increasing Reynolds number in the transitional regime. A three-dimensional description of this asymmetry is provided from velocity profiles measurements at different azimuthal positions. The observed transitional flow suggest the existence of a robust non-linear coherent structure characterized by two weakly modulated counter-rotating longitudinal vortices, which length is comparable to that of the test section. The statistical analysis of the axial velocity fluctuations indicate that the transition occurs essentially in two stages. The first stage corresponds to the transition from the laminar regime to a stable non linear asymmetric state, where the spectra of axial velocity fluctuations are similar to those obtained in the case of two-dimensional turbulence. The second stage corresponds to the transition from this non linear asymmetric state to the hydrodynamic turbulence with the apparition of the classical spots of turbulence.

Les maladies pulmonaires obstructives touchent aujourd'hui plusieurs millions de personnes dans le monde. Ces maladies se manifestent par l'accumulation d'un liquide appelé mucus dans les poumons, pouvant aboutir, lorsqu’elle est trop importante, à la formation de ponts liquides entravant la circulation de l’air. Les voies pulmonaires peuvent néanmoins se rouvrir via la rupture de ces ponts liquides. Ces réouvertures peuvent résulter du cycle respiratoire, d’écoulements plus violents provoqués par le mécanisme de toux ou encore nécessiter des séances de kinésithérapie respiratoire pour les malades atteints de bronchites chroniques ou de mucoviscidose. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés à la rupture de ponts liquides engendrée par un cycle de respiration ou via un forçage unidirectionnel d’intensité suffisante. En particulier nous avons caractérisé expérimentalement et théoriquement les pressions critiques nécessaires pour rouvrir des voies obstruées. Nous avons aussi étudié les derniers instants de vie d’un pont liquide et mis en évidence à la fois expérimentalement et numériquement différents régimes de rupture. A forte vitesse, cette rupture est obtenue via l’atomisation du liquide, c’est à dire la formation de gouttelettes qui pourraient correspondre aux éjectas lors de la toux. Enfin nous nous sommes intéressés à un problème plus éloigné des poumons mais néanmoins fondamental en microfluidique : la dynamique de ponts liquides sur des surfaces partiellement mouillantes. Nous avons montré qu’au-dessus d’un certain seuil en vitesse, le déplacement d’un simple doigt de liquide à débit constant aboutit à la formation d’un train de bulles et de ponts liquides calibrés. / Obstructive pulmonary disease now affects several million people worldwide. These diseases are manifested by the accumulation of a liquid called mucus in the lungs which, when too large, can lead to the formation of liquid plugs which impede air circulation Pulmonary pathways can nevertheless reopen via the rupture of these liquid plugs. These reopenings may result from the respiratory cycle, more violent outflows caused by the cough mechanism or require respiratory physiotherapy sessions for patients with chronic bronchitis or cystic fibrosis. In this thesis we were interested in the rupture of liquid plugs generated by a breathing cycle or by a unidirectional forcing of sufficient intensity. In particular, we have experimentally and theoretically characterized the critical pressures necessary to reopen obstructed pathways. We also studied the last moments of life of a liquid plug and demonstrated both experimentally and numerically different regimes of rupture. At high velocity, this rupture is obtained via the atomization of the liquid, ie the formation of droplets that could correspond to the ejections during the cough. Finally, we were interested in a problem more distant from lungs but nevertheless fundamental in microfluidics: the dynamics of liquid plugs on partially wet surfaces. We have shown that above a certain velocity threshold, the displacement of a single liquid finger at constant flow results in the formation of a train of calibrated bubbles and liquid plugs.

Ce travail de thèse effectué au Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine s'inscrit dans le cadre d'une étude à caractère expérimental sur la propagation des ondes acoustiques dans des guides traités acoustiquement en présence d'un écoulement. Les guides d'onde considérés sont des conduits droits dont la paroi peut être localement modifiée. Les traitements pariétaux appliqués sont caractérisés globalement par leur impédance. Déterminer l'impédance de ces éléments permet d'en déduire l'atténuation sonore pour des applications industrielles possibles, telles que la réduction des nuisances sonores dans des pots d'échappement ou des réacteurs d'avion. <br />La présente étude se limite à des traitements à réaction dite locale, dont l'impédance est estimée en fonction de la fréquence.<br /><br />Une méthode basée sur la décomposition modale de la pression est exposée. La modélisation est adaptée aux différents traitements pariétaux étudiés et permet d'obtenir les caractéristiques de la transmission d'une onde acoustique. Les applications sont effectuées dans le cas de la propagation d'un mode plan, dans le cas où plusieurs modes sont considérés, ou enfin, dans le cas où le profil d'un écoulement non uniforme est pris en compte. Cette méthode est associée à une méthode inverse permettant d'estimer l'impédance des traitements pariétaux.<br /><br />Les résultats sont confrontés aux mesures réalisées. Les expériences ont été menées sur des bancs à écoulement où des mesures de matrice de diffusion sont réalisées à partir d'une méthode multi-microphonique classique.

L'étude des écoulements souterrains et du transport de contaminant en conditions de terrain est souvent très difficile, notamment en raison de l'hétérogénéité souvent importante des formations aquifères. Pour mieux comprendre les processus en jeu, les paramètres hydrodynamiques et hydrodispersifs sont souvent estimés en laboratoire dans des conditions entièrement contrôlées. L'objectif de ce mémoire est de vérifier s'il est possible de reproduire l'écoulement et le transport de contaminant dans une maquette hydrogéologique munie d'un simulateur de pluie en laboratoire dont les sables auraient été caractérisés en laboratoire. Cinq sables sont d'abord étudiés par des techniques classiques: des courbes granulométriques ainsi que des essais de Darcy et de traçage au NaCI dans un dispositif de Darcy de 43 cm de longueur. Ces techniques ont permis de déterminer les conductivités hydrauliques et les dispersivités des sables. Des essais d'écoulement et des traçages au NaCI sont ensuite réalisés en laboratoire dans une maquette hydrogéologique représentant un aquifère de dimensions 2 m x 1.32 m x 0.25 m. La maquette est d'abord remplie d'un seul des cinq sables pour représenter un aquifère homogène. Des expériences d'écoulement et de transport sont réalisés dans cet aquifère, avec et sans la recharge imposée au moyen d'un simulateur de pluie. La maquette hydrogéologique est par la suite vidée et remplie à nouveau d'une combinaison des cinq sables disposés en blocs de 4 cm x 4 cm x 25 cm suivant un variogramme exponentiel. Les expériences d'écoulement et de transport sont réalisées avec cet aquifère hétérogène, à nouveau avec et sans recharge. Les charges, les débits et les concentrations mesurés dans toutes ces expériences sont ensuite simulés avec un modèle Modflow et un modèle MT3D. Les paramètres calés pour reproduire les résultats de laboratoire sont comparés à ceux déterminés expérimentalement. Les résultats montrent que les conductivités hydrauliques estimées au moyen des courbes granulométriques sont peu représentatives des valeurs obtenues par l'expérience de Darcy. Les conductivités hydrauliques calées dans Modflow avec et sans recharge, pour les aquifères homogène et hétérogène sont quant à elles très similaires aux valeurs obtenues avec le dispositif de Darcy. Ceci indique que les paramètres hydrodynamiques mesurés en laboratoires sont fiables et représentatives des sables testés. Par ailleurs, les dispersivités mesurées dans le dispositif de Darcy sont jusqu'à 60% supérieures à celles calées dans MT3D pour reproduire les traçages réalisés en laboratoire. Ceci s'explique par la différence d'échelle entre le dispositif de Darcy (43 cm) et les blocs de l'aquifère hétérogène (4 cm). Ces résultats confirment qu'il est beaucoup plus difficile d'estimer en laboratoire les propriétés hydrodispersives d'un matériau aquifère que ses propriétés hydrodynamiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Traçage, Simulateur de pluie, Maquette hydrogéologique.