La péninsule gaspésienne est composée de petits bassins versants dont la dynamique fluviale est très sensible aux changements climatiques et environnementaux. Dans la perspective des changements climatiques en cours et anticipés, la variabilité des régimes d'écoulement, notamment ceux à charge sédimentaire liés aux cônes de déjection, devient moins prévisible et peut constituer un risque pour la sécurité publique, risque exacerbé par l'emplacement de ces cônes à l'interface versant-vallée. La présente étude constitue une analyse dendrogéomorphologique d'un petit cône de déjection en milieu forestier dans le but d'en caractériser la dynamique en termes de fréquence et d'intensité. Une démarche rétrospective faisant appel à la dimension historique des événements de forte intensité est privilégiée. La stratigraphie et la sédimentologie des dépôts étudiés indiquent que le développement du cône est associé à l'occurrence d'écoulements hyperconcentrés, processus hydrogéomorphologique encore peu connu au Québec. L'utilisation de méthodes issues de la dendrochronologie retrace la dynamique spatiotemporelle au sein des chenaux d'écoulement avec une résolution annuelle pour la période récente. Ces données fournissent un portrait précis des écoulements de forte intensité pour l'ensemble du XXe siècle et indiquent une récurrence approximative de neuf ans du processus à l'échelle du cône. Les déclencheurs météorologiques probables de ces événements extrêmes incluent des épisodes de pluie torrentielle ou une fonte nivale importante au printemps. Les résultats présentés apportent un éclairage nouveau sur la réponse des hydrosystèmes forestiers en contexte de changements climatiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Cône de déjection, dendrogéomorphologie, changements climatiques, écoulement hyperconcentré, risque.

La prévision des débits d'étiage est une question importante dans la gestion des bassins versants. Pendant les périodes de basses eaux, l'écoulement de base peut devenir une composante majeure des débits en rivière. Dans les modèles hydrologiques, la composante de l'écoulement souterrain est souvent très simplifiée. Ceci découle le plus souvent d'une caractérisation insuffisante des aquifères et les temps de calculs prohibitifs des modèles intégrant de manière complète l'écoulement souterrain. Cette thèse développe un modèle représentant les écoulements souterrains peu profonds et profonds qui nécessitent peu de paramètres et dont les calculs sont efficaces et fiables. Le modèle proposé peut être utilisé à la place d'un modèle d'écoulement souterrain en différences finies ou en éléments finis, mais il a été conçu dans le but d'être incorporé à un modèle hydrologique de bassin versant. Le modèle d'écoulement transitoire de versant "hillslope-storage Boussinesq" (hsB) (Troch et al., 2003, Paniconi et al., 2003) est sélectionné pour représenter l'écoulement souterrain peu profond à l'échelle locale. Le modèle hsB est couplé avec le modèle GLOW d'écoulement permanent basé sur la méthode des éléments analytiques (EA) (Strack, 1989; Haitjema, 1995) qui représente l'écoulement régional profond 2D horizontal. L'approche de couplage utilisée nécessite d'intégrer un terme de percolation à la base du modèle hsB. Ce terme de percolation est représenté par un flux vertical de Darcy à travers un aquitard hypothétique séparant le versant local de l'aquifère 2D régional. Afin de mieux comprendre les facteurs contrôlant la percolation, les facteurs tels que la géométrie du versant, l'inclinaison de la base, les propriétés des aquifères et les conditions limites sont évalués à l'aide d'un modèle 3D basé sur l'équation de Richards (Paniconi et Putti, 1994 ; Camporese et al., 2010). Les observations principales de cette analyse sont: i) l'eau peut circuler vers le bas ou vers le haut entre les aquifères de peu profonds et profonds et séparer les versants en trois zones distinctes: une zone de flux descendant à l'amont, une zone de flux descendant à l'aval et une zone de transition entre les deux; ii) l'inclinaison des versants et leur géométrie déterminent la partition des flux échangés. Ces résultats sont utilisés dans la mise en œuvre du couplage entre les modèles hsB et EA, où chaque versant et l'aquifère sous-jacent sont subdivisés en trois zones de percolation constante. Le modèle hsB/EA est testé sur différents types de versants et sur un bassin hypothétique formé de deux versants convergeant vers un cours d'eau. La comparaison avec les résultats d'un modèle numérique 3D basé sur l'équation de Richards et utilisé comme référence démontrent: i) que les charges hydrauliques, les taux de percolation et les débits aux exutoires sont généralement bien simulés; ii) de meilleurs résultats ont été obtenus pour les versants peu ou très peu inclinés aux géométries uniformes et divergentes; iii) les débits cumulés sont simulés de manière convenable pour le bassin hypothétique. Les écarts entre le modèle de référence sont attribués au fait que la zone non-saturée n'est pas représentée dans le modèle hsB et à l'hypothèse de Dupuit-Forchheimer du modèle EA qui néglige l'écoulement vertical dans la nappe profonde. Le fait que le modèle EA ne permette pas de simuler l'écoulement en régime transitoire est une autre limitation du modèle hsB/EA (e.g. Kuhlman et Neuman, 2009). Une application du modèle hsB/EA sur un bassin versant de 30 km2 situé dans la région de Covey Hill au sud du Québec a été réalisée. Dans cette application du modèle hsB/EA, les débits de base sont assez bien reproduits à l'exutoire du bassin versant pendant les périodes d'étiage. Toutefois, des écarts importants sont observés au cours des débits de pointe. Les erreurs sur les charges sont également non négligeables dans les zones où un gradient vertical a été observé. Ces erreurs peuvent être attribuées en parties aux limitations du modèle développé. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : hydrologie des versants, percolation, équation de Boussinesq, équation de Richards, éléments analytiques, eaux souterraines stratifié, modèle couplé

Cette thèse traite du problème industriel de la modélisation et de<br />la simulation numérique du rayonnement acoustique à l'entrée d'air des nacelles<br />d'Airbus. Les hypothèses physiques subséquentes au contexte industriel<br />précis conduisent à un modèle simplifié de propagation acoustique linéaire sur<br />un écoulement porteur potentiel et non-linéaire. La modélisation de la source<br />modale de bruit du moteur se traduit par une condition de bord exprimée par<br />un opérateur Dirichlet-Neumann. L'existence et l'unicité du problème mathématique<br />général (auquel on a rajouté une condition de Sommerfeld convectée)<br />de la perturbation potentielle et locale autour d'un écoulement uniforme sont<br />démontrées. Un couplage discret alliant le potentiel acoustique (éléments finis<br />de volume) et sa dérivée conormale de bord (éléments finis de frontière) par une<br />équation intégrale est proposé. Le code informatique est validé analytiquement<br />et comparativement. Les résultats originaux prouvent la nécessité de la prise en<br />compte des non-linéarités de l'écoulement par des différences de plus de 5 décibels<br />en champ lointain. Le positionnement optimal de la surface rayonnante et<br />la possibilité d'adaptation de la méthode multipôle rapide rendent ce couplage<br />incontournable. Le modèle simplifié potentiel-linéaire, même si il n'est a priori<br />apte qu'à traiter l'entrée d'air, trouve toute sa justification en tant que brique<br />d'un code global basé sur la décomposition de domaine. Finalement, soulignons<br />l'avènement d'un élément fini axisymétrique naturel et d'une alternative originale<br />de calcul de l'écoulement non-linéaire par une méthode de point fixe.

This study addresses the design challenges of a proposed Micro Pulse Detonation Engine (MPDE), a micropropulsion system devised to meet the needs of smallsats . It focusses in particular on one subsystem of the proposed MPDE, the explosive delivery system, hereafter refered to as an ejector of granular materials. This study has three major goals: (1) evaluate different ways of building ejectors of granular materials in space, (2) propose a design for an ejector of granular materials that could eventually be used to achieve ejection rates of 10 kHz, and (3) evaluate the new designs performance. We thus begin by reviewing devices that have been built or proposed in the past for ejecting granular materials. Finding them lacking for the objectives of the present project, we evaluate several other different ways of achieving granule ejection in the zero gravity environment of space, based on other previous work with granular materials generally. We conclude that the artificial gravity induced within a spinning apparatus provides for many of the design requirements in a way that none of the other options do. We then go on to discuss the novel challenges a rotating ejector of solids faces, and propose a way of overcoming them. We present the design of the simplest concept we could come up with to achieve controlled ejection from the rotating device. Finally, the performance of this system is evaluated experimentally, using glass ballotini as the granular material. We find that we are able to demonstrate an ejection rate of 50 ejections per second with the device rotating at 10 rotations per second, with the possibility of attaining even higher ejection rates at higher rotational velocities. We conclude that this device demonstrates that there is a very great likelihood that future designs based closely on it will be able to achieve the desired 10 kHz ejection rate, which is the highest ejection rate at which the proposed MPDE can operate while remaining in the higher efficiency vacuum mode.

Le travail de thèse concerne le développement d'un modèle numérique pour la détermination des propriétés hydromécaniques équivalentes pour les roches fracturées. Le rapport de thèse est organisé en 7 chapitres. Le premier chapitre décrit les objectifs de la thèse et présente brièvement une synthèse des travaux réalisés sur les roches fracturées. L'accent est mis sur l'Élément Composite et la détermination des propriétés hydrauliques et mécaniques équivalentes des roches fracturées. Le second chapitre présente les outils utilisés dans le travail de thèse, à savoir la méthode des éléments finis, l'Elément Composite, le couplage écoulement/contraintes, le Réseau de Neurones Artificiels et la méthode de Monte-Carlo. Le troisième chapitre présente le concept de la méthode numérique proposée pour obtenir les propriétés hydrauliques équivalentes des roches fracturées. Elle décrit aussi les données nécessaires à ('application de cette méthode, à savoir celles sur les fractures dominantes. Les chapitres 4 et 5 présentent la détermination des propriétés hydrauliques et mécaniques équivalentes des roches sans prendre en compte le couplage contraintes/écoulement. Le 6ème chapitre présente la détermination des propriétés hydrauliques équivalentes en considérant le couplage contraintes/écoulement. Ce chapitre comporte également la construction d'une base de données sur l'influence du couplage contraintes/perméabilité sur les propriétés hydrauliques équivalentes. Le dernier chapitre décrit un procédé basé sur une combinaison des approches implicite et explicite pour l'analyse d'un barrage poids. Les données de la méthode implicite sont déterminées en utilisant la méthode numérique proposée dans ce travail. / This thesis concerns the use of the "Numerical Test System" for the determination of the equivalent hydraulic and mechanical properties of fractured rock masses. The thesis is composed of 7 chapters. The first chapter describes the objective of the thesis and briefly presents the previous studies conducted on fractured rock masses, with a particular focus on the Composite Element Method as weil as the estimation of the equivalent hydraulic and mechanical properties of fractured rocks. The second chapter presents the tools used in the thesis development, namely the finite element method, the composite element method, the coupling theory, the artificial neural network and the Monte Carlo Method. The third chapter presents the concept of the "Numerical Test System (NTS)" for determination of the equivalent hydraulic properties offractured rock. This method requires field data on dominating fractures. Chapters 4 and 5 present the determination of the equivalent hydraulic and mechanical properties and the relevant REYs neglecting the seepage/stress coupling. The 6th chapter presents the determination of the equivalent hydraulic properties considering seepage/stress coupling. This Chapter also establishes a stress/permeability database for describing the relationship between stresses and the equivalent hydraulic property. The last chapter describes a procedure based on a combination of the implicit and explicit approaches for the analysis of a grravity dam. The eqivalent properties of the implicit method are determined using the NTS.

Ce travail de thèse a été consacré à la simulation numérique des transferts par convection forcée dans des écoulements turbulents pleinement développés. Deux configurations ont été considérées : la conduite cylindrique et l'espace annulaire. Les champs turbulents sont analysés statistiquement en moyennant dans le temps et dans l'espace les champs instantanés de vitesse et de température afin d'en déduire les profils moyens, les écart-types, les flux de chaleur turbulents ainsi que des statistiques d'ordres plus élevés telles que les coefficients de dissymétrie et d'aplatissement. Une approche plus poussée dans l'analyse des écoulements turbulents est aussi utilisée : les fonctions de densité de probabilité (pdf) et les fonctions de densité de probabilité jointes (jpdf). On s'intéressera à l'influence de la diffusivité thermique du fluide sur les transferts thermo-convectifs dans les deux géométries. On étudiera l'effet de la rotation de la paroi sur le transfert de chaleur dans la conduite cylindrique. Dans la géométrie annulaire, l'influence du rapport des flux de chaleur imposés sur les parois est analysée / This thesis was devoted to the numerical simulation of heat transfer by forced convection in fully developed turbulent flows. Two configurations were considered : the pipe and the annulus flows. The turbulent fields are statistically analyzed by averaging the instantaneous fields of velocity and temperature in order to deduce the mean profiles, root mean square, turbulent heat fluxes as well as higher order statistics such as skewness and flatness coefficients. A more thorough in the analysis of turbulent flows is also used : probability density functions (pdf) and joined probability density functions (jpdf). We look at the influence of the thermal diffusivity of the fluid on the convective heat transfer in both geometry, the influence of the ratio of heat fluxes imposed on the walls is analyzed

Cette thèse a pour objectif de comprendre les mécanismes physiques régissant la formation de capsules submillimétriques à coeur aqueux possédant une membrane fine d'hydrogel et ainsi de mieux maitriser ce procédé. Des bigouttes sont d'abord formées dans l'air par fragmentation d'un jet cylindrique composé d'un coeur aqueux enveloppé par une solution d'alginate. La coque est ensuite gélifiée après immersion dans une solution de calcium. L'étude du co-Écoulement au sein de l'injecteur a montré l'existence d'une instabilité élastique qui est amplifiée en présence de cations, du fait du caractère polyélectrolyte de l'alginate. Nous avons montré que cette instabilité était à l'origine d'un battement du jet composé en sortie d'extrusion. En provoquant un décentrage du coeur, l'instabilité induit une relaxation asymétrique du profil de vitesse, ce qui crée un couple qui courbe le jet. Nous avons mis en évidence cet effet en produisant des jets courbés à partir d'une pointe biseautée. La fragmentation du jet est ensuite contrôlée par une perturbation harmonique des débits d'injection. Nous observons une décroissance de la vitesse d'onde à la surface du jet pilotée par la tension de surface. La viscosité élevée des solutions d'alginate entraine une amplification de fluctuations de cette vitesse donnant lieu à des coalescences au sein du jet. L'ajout de tensioactifs peut exacerber cet effet en induisant une tension de surface dynamique à la surface du jet. Finalement, nous parvenons à produire des capsules submillimétriques de taille contrôlée, monodisperses, possédant une membrane fine, avec un taux d'encapsulation supérieur à 99%. Ces capsules trouvent des applications dans le domaine des biotechnologies comme nouvel outil pour la culture cellulaire. / The purpose of this work is to understand physical mechanisms that control the formation of aqueous-Core submillimetric capsules with a thin hydrogel membrane. This comprehension will allow a better control of the process. Compound drops are first formed in the air by the break-Up of a cylindrical jet composed of an aqueous core surrounded by an alginate solution. The shell is then solidified after immersion in a gelling calcium solution. The study of the co-Flow inside the injector showed the existence of an elastic instability which is amplified in the presence of cations, due to the polyelectrolyte property of alginate. We showed that this instability causes the flapping of the compound jet out of the injector. The instability induces a displacement of the core fluid position which leads to an asymmetric velocity relaxation that creates a torque and finally bends the jet. We produced curved jets with a beveled capillary to demonstrate this effect. The jet break-Up is controlled by a harmonic perturbation of the injection flow rates. We measured a decrease of the wave speed on the jet surface which is controlled by the surface tension. The alginate solution high viscosity causes an amplification of speed fluctuations that induces coalescence inside the jet. This amplification is enhanced by the addition of surfactants which create a dynamic surface tension at the jet interface. Finally, we managed to produce submillimetric and monodisperse capsules with a thin membrane, an encapsulation yield above 99% and a size that we can tune. These capsules can be used in biotechnology applications as a new tool for cell culture.

La recherche de la genèse des méandres en général se fait selon deux approches qui doivent se valider mutuellement: la dynamique géomorphologique et la dynamique des fluides, où la modélisation des flux 3D permet de simuler le mouvement hélicoïdal, avec des difficultés liés au temps et procédure de calcul et en simplifiant le problème par des géométries simples (Camporeal, et al, 2007). Smoothed particle hydrodynamics (SPH) est une méthode à maille libre, devenu très populaire, en particulier pour simuler les flux de surface libre. C’est une méthode robuste et puissante pour décrire les milieux soumis à des déformations (Gomez-Gesteira, et al, 2010). L’objectif de cette recherche est de modéliser les écoulements hélicoïdaux en 3D. Le modèle à éléments finis utilisé dans cette étude, RMA, a montré sa capacité à simuler les caractéristiques clés des méandres et sont en accord avec les expérimentations de Hasegawa (1983), et Xu et Bai (2013). Les procédures SPH sont élaborées à partir du modèle 3D d'écoulement du fluide, en tenant compte des collisions entre les particules et des conditions aux limites de canal courbe. Avec le code SPH, l’écoulement hélicoïdal est initié par l'addition de flux de tourbillon visqueux aux conditions initiales. Le modèle d'écoulement hélicoïdal est compatible avec les modèles issus des expérimentations de Wang et Liu (2015), ainsi que celles de Wu (2008) qui tient compte de flux secondaires dans un canal courbe. Ainsi, SPH est capable de simuler l’écoulement hélicoïdal lié à la courbure du canal, en accord avec Camporeal et al. (2007), et da Silva (2006) et Yalin (1993). / Meandering channels research in general is separated, but still correlated, into two approaches: geomorphologic and fluid dynamics, where 3D flow modeling receive more attention for its ability to simulate helicoidal motion even though it is high in computational efforts and limited to simple geometry (Camporeal, et al., 2007). Smoothed particle hydrodynamics (SPH) is one most noticeable meshfree method and now become very popular, particularly for free surface flows, it is a robust and powerful method for describing deforming media (Gomez-Gesteira, et al., 2010). SPH is a very promising method to answer 3D flow modeling in meander dynamics. Objective of this research that helical flow patterns from flow simulation with 3D nearly incompressible flow SPH method is comparable to flow simulation with 3D stratified flow finite element method with RMA. The finite element model using in this study, RMA has shown its capability to simulate the meander key characteristics and are agreed with experiments of Hasegawa (1983), and Xu and Bai (2013). SPH procedures are developed from 3D fluid flow model, collision handling between water particles, and curved channel boundary conditions. With SPH simulation, helical flow is initiated by adding up viscous flow and vorticity at initial conditions. The helical flow pattern is consistent with the patterns from very recently experiment investigation by Wang and Liu (2015), and theoretical sketch of secondary flows in a curved channel by Wu (2008). Thus, SPH method is able to develop helical flow as a result of curvature, agreed with Camporeal et al. (2007), and even without sediment transport, agreed with da Silva (2006) and Yalin (1993).

Des écoulements instationnaires au niveau du distributeur des turbines à réaction ont été expérimentalement étudiés dans ce projet doctoral. Le but est de développer une expertise intégrée pour mesurer des écoulements instationnaires au niveau des distributeurs des turbines à réaction en utilisant une vélocimétrie par image de particules (PIV) et d'autres techniques de mesure. Les expériences ont été effectuées en deux phases appelées configuration 1 et configuration 2. La configuration 1 est composée d'une directrice, installée dans un canal bidimensionnel d'eau, examinée aux nombres de Reynolds comparable à ceux dans les modèles standards de turbines Francis. La configuration 2 consiste en un distributeur d'un modèle réduit d'une turbine Francis. Dans la configuration 1, les champs d'écoulement ont été mesurés avec un PIV autour d'une directrice asymétrique dans un canal d'eau, à différents angles d'attaque entre 0° et 20°. Les données obtenues comprennent les champs de vitesse instantanée et moyenne. Pour les mêmes conditions, les pertes de charge dues à la directrice ont été mesurées et comparées. Dans la configuration 2, les champs d'écoulement entre deux directrices voisines ont été mesurés avec le PIV au travers d'un accès optique spécifique. Des résultats instantanés tels que les champs de vitesse et les résultats moyens tels que la fluctuation de vitesse et les iso-contours de vitesse ont été présentés. La distribution de pression du côté intrados et du côté extrados de deux directrices voisines a été mesurée avec des capteurs de pression miniatures montés sur les surfaces des directrices. 'Basé sur les mesures, les effets des points d'opération sur le comportement des écoulements sont analysés.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Un nouveau concept d’hydrolienne basée sur des ailes oscillantes est étudié. La présente étude a pour but d’étudier l’hydrodynamique instationnaire d’une aile oscillante, d’optimiser son mouvement afin de maximiser l’extraction de puissance et de démontrer le potentiel d’une turbine à ailes oscillantes par une campagne expérimentale sur un prototype. L’analyse et l’optimisation de la turbine à ailes oscillantes ont été effectuées par simulations numériques à bas nombre de Reynolds (laminaire) ainsi qu’à haut nombre de Reynolds (Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes; URANS). Une stratégie numérique 2D et 3D impliquant l’utilisation d’interfaces de glissement a été développée spécifiquement pour cette application de corps oscillants avec de grandes amplitudes de mouvement. À l’aide de cette stratégie numérique, une étude paramétrique fut effectuée et permit l’identification des paramètres dominants en ce qui a trait à la performance hydrodynamique de la turbine à ailes oscillantes. Basé sur un grand nombre de simulations, les zones optimales de production de puissance ont été identifiées dans les espaces paramétriques pertinents. De plus, des configurations spatiales optimales ont été identifiées pour le cas de turbines à ailes oscillantes en tandem. Le potentiel de l’hydrolienne à ailes oscillantes a été formellement établi dans ce travail grâce à une campagne expérimentale sur un prototype à ailes en tandem de 2 kW. La performance de ce dernier s’avéra compétitive avec celle des hydroliennes de type rotors à axe horizontal que l’on retrouve dans la majorité des designs d’hydrolienne proposés. Les données de la campagne expérimentale ont également permis de valider les résultats des simulations numériques par leur accord avec les simulations 3D. / A new concept of hydrokinetic turbine based on oscillating hydrofoils is investigated. The objective of this study is to analyze the unsteady hydrodynamics of oscillating foils, to optimize their motions for maximum power extraction and to demonstrate in practice the potential of such a concept of turbine through experiments on a prototype. The analysis and optimization have been conducted via low Reynolds number, laminar numerical simulations as well as high Reynolds number, Unsteady Reynolds- Averaged Navier-Stokes (URANS) computations. A 2D and 3D numerical methodology relying on the use of sliding interfaces and suitable to the case of foils undergoing oscillations of large amplitudes is presented. Using that numerical strategy, a parametric study is conducted and leads to the identification of the dominant parameters impacting the hydrodynamic performance of the oscillating-foil turbine. Based on a large number of simulations, the performance of the oscillating-foil turbine has been mapped in relevant parametric spaces. In addition, optimal spatial configurations of turbines with tandem foils is also provided. The potential of the oscillating-foils hydrokinetic turbine has also been formally established in this work through field tests on a 2kW tandem-foils prototype. Its performance has been found to be competitive with the best competing technologies based on horizontal-axis rotor-blades. The experimental data have also been used here to validate the numerical models and have been found to strongly support the 3D numerical simulations.