Les structures de (sous)mésoéchelle (tourbillons, filaments ou fronts) sont des composantes majeures de la circulation océanique et dirigent la distribution des éléments chimiques et biologiques dans l'océan. Cependant, encore peu d'observations attestent de cette influence. L'objectif de cette thèse est de regrouper divers jeux de données in situ, acquis aux échelles typiques de la (sous)mésoéchelle et de coupler ces informations à des observations satellites haute-résolution et des sorties de modèles numériques pour identifier et mieux comprendre l'influence de la circulation fine échelle sur la distribution spatiale des éléments. Dans un premier temps, une étude globale de la circulation océanique de surface dans le Pacifique Sud-Ouest permet de donner un aperçu de l'importance des circulations de chaque échelle (de la grande à la petite échelle) sur la distribution horizontale des éléments biogéochimiques dans cette région. Dans un second temps, l'influence de la mésoéchelle dans deux régions (mer de Corail et zone autour de 170°O et 19°S) mises en avant par la première étude pour leurs caractéristiques hydrodynamiques et biogéochimiques, est inspectée. Deux cas d'études montrent respectivement que les tourbillons océaniques, en particulier les anticyclones, sont responsables du transport et de l'échange de masses d'eau entre deux courants indépendants et que la circulation à mésoéchelle est une des sources de la formation d'un bloom phytoplanctonique. Enfin, deux autres études témoignent de l'influence des fronts et des vitesses verticales à sousmésoéchelle sur la distribution horizontale et vertical de matière et sur la structure des communautés phytoplanctoniques. / Meso- and submesoscale features (eddies, filaments, fronts) are key components of the oceanic circulation and drive the distribution of chemical and biological elements in the ocean. However, very few in situ observations confirm this influence. The aim of this PhD thesis is to use various in situ datasets, achieved at (sub)mesoscale, coupled with high-resolution satellite observations and modelled outputs to identify and better understand the impact of fine scale circulations on the spatial distribution of biogeochemical matter. Firstly, a global study of the entire southwest Pacific surface circulation provides an overview of the significance of each scale (from large to submesoscale) circulations on the horizontal distribution of biogeochemical components in this region. Secondly, the influence of mesoscale activity is inspected in two regions (Coral Sea and the region around 170°W and 19°S) highlighted by the previous study for their hydrodynamical and biogeochemical characteristics. Two cases study show, respectively, that eddies, and in particular anticyclones, are able to transport water masses between two independant jets and that mesoscale trajectories of surface water masses are responsible for a phytoplanktonic bloom formation. Finally, two other studies highlight the influence of submesoscale fronts and vertical velocities on the horizontal and vertical distribution of biogeochemical matter and on the phytoplanktonic community structure.

Les évaluations de vulnérabilité spécifiques pour les ressources d'eau souterraine sont des méthodes SIG qui établissent des indices qualitatifs spatiaux qui déterminent la sensibilité à l'infiltration de polluants superficiels. D'autre part, les fonctions de transfert, comme la Distribution de Temps de Séjour (DTS), sont utilisées pour prévoir le changement temporel de qualité de l'eau au forage, mais ils ne permettent pas de relier les concentrations aux pratiques observées sur le bassin versant. Basé sur une approche analytique, un modèle pour le transport souterrain des produits phytosanitaires liant la vulnérabilité spécifique SIG à la DTS a été développée. L’idée étant de relier les notions de vulnérabilité aux méthodes de prédiction des chroniques de la qualité des eaux. L'outil estime la qualité de l'eau à partir de l'ensemble de données des cartes de vulnérabilité. La validation de cette méthode de vulnérabilité spécifique est possible à partir des données de suivi de la qualité de l’eau au forage. Une formulation de paramètres équivalents a été proposée pour prendre en compte les caractéristiques hydrodynamiques des compartiments de sol (zone saturée et zone non saturée). Une validation théorique de l'approche est faite à l’aide de modèles souterrain à différence finie : HYDRUS et MODFLOW. Une application a été réalisée sur l'aquifère karstique du Val d'Orléans. Elle a permis de déterminer la DTS des concentrations en pesticides dans l'eau souterraine et a mis en évidence la présence non négligeable des métabolites du métazachlore dans le forage. En même temps, le modèle DTS, lié au SIG rend possible la localisation des zones contributrices dans le bassin versant. / The specific vulnerability estimations for the groundwater resources are GIS methods that establish spatial qualitative indices which determine the sensitivity of infiltration from surface contaminants. On the other hand, the transfer functions, using the Residence Time Distribution (RTD), are used to predict temporal water quality change in a borehole, but they do not integrate the spatial variability of the land use. Based on an analytic (advection / dispersion equation) approach, a simple GIS-linked RTD model for groundwater transport has been developed. The tool estimates the water quality from the vulnerability map dataset. This method enables to validate the specific vulnerability maps with the water quality monitoring at the borehole. It links the impacts of land use with the temporal evolution of the water quality. A equivalent formulation parameters is proposed to take into account the hydrodynamic characteristics of the soil compartments (unsaturated zone and Saturated Zone). A theoretical validation of the approach is made from finite-difference groundwater models: HYDRUS and MODFLOW. Also, an application of the RTD compilation was realized on the Val d’Orléans karstic aquifer. This last methodology allowed to determine the RTD of pesticides into the groundwater and highlighted the not insignificant presence of the metabolite of the metazachlor in the groundwater drilling. At the same time, the GIS-linked RTD model makes possible the localization of the contributing zones in the watershed.

Cette thèse étudie, au niveau continu et au niveau discret sur des maillages polyédriques, les équations de transport tridimensionnelles scalaire et vectorielle. Ces équations sont constituées d'un terme diffusif, d'un terme advectif et d'un terme réactif. Dans le cadre des systèmes de Friedrichs, l'analyse mathématique est effectuée dans les espaces du graphe associés aux espaces de Lebesgue. Les conditions de positivité usuelles sur le tenseur de Friedrichs sont étendues au niveau continu et au niveau discret afin de prendre en compte les cas d'intérêt pratique où ce tenseur prend des valeurs nulles ou raisonnablement négatives. Un nouveau schéma convergeant à l'ordre 3/2 est proposé pour le problème d'advection-réaction scalaire en considérant des degrés de liberté scalaires associés aux sommets du maillage. Deux nouveaux schémas considérant également des degrés de libertés aux sommets sont proposés pour le problème de transport scalaire en traitant de manière robuste les différents régimes dominants. Le premier schéma converge à l'ordre 1/2 si les effets advectifs sont dominants et à l'ordre 1 si les effets diffusifs sont dominants. Le second schéma améliore la précision de ce schéma en convergeant à l'ordre 3/2 lorsque les effets advectifs sont dominants. Enfin, un nouveau schéma convergeant à l'ordre 1/2 est obtenu pour le problème d'advection-réaction vectoriel en considérant un seul et unique degré de liberté scalaire sur chaque arête du maillage. La précision et les performances de tous ces schémas sont examinées sur plusieurs cas tests utilisant des maillages polyédriques tridimensionnels / This thesis analyzes, at the continuous and at the discrete level on polyhedral meshes, the scalar and the vector transport problems in three-dimensional domains. These problems are composed of a diffusive term, an advective term, and a reactive term. In the context of Friedrichs systems, the continuous problems are analyzed in Lebesgue graph spaces. The classical positivity assumption on the Friedrichs tensor is generalized so as to consider the case of practical interest where this tensor takes null or slightly negative values. A new scheme converging at the order 3/2 is devised for the scalar advection-reaction problem using scalar degrees of freedom attached to mesh vertices. Two new schemes considering as well scalar degrees of freedom attached to mesh vertices are devised for the scalar transport problem and are robust with respect to the dominant regime. The first scheme converges at the order 1/2 when advection effects are dominant and at the order 1 when diffusion effects are dominant. The second scheme improves the accuracy by converging at the order 3/2 when advection effects are dominant. Finally, a new scheme converging at the order 1/2 is devised for the vector advection-reaction problem considering only one scalar degree of freedom per mesh edge. The accuracy and the efficiency of all these schemes are assessed on various test cases using three-dimensional polyhedral meshes

.Dans cette thèse, il a été étudié la structure des milieux poreux, en particulier sur des sols sableux et un paquet virtuel de sphères; Sur la base de références bibliographiques, nos propres outils ont été créés pour calculer la porosité, la surface spécifique et la distribution de la taille des pores. Nous avons construit un algorithme pour résoudre l'équation de diffusion de l'advection directement sur la structure du milieu poreux (en utilisant un résultat d'image 3D du scan $ mu $ CT du support poreux). Nous avons utilisé l'opérateur de division pour calculer la partie advective avec une méthode de volume fini (FV), mettant en œuvre un schéma de réduction de la variation totale (TVD). La partie diffusion a été calculée en utilisant une méthode de FV et avec l’aide du logiciel MUMPS pour résoudre le système linéaire résultant. A partir du champ de concentration obtenu avec l’algorithme et suivant une méthode de moyenne volumique, nous avons calculé les propriétés macroscopiques de: dispersivité et coefficient de dispersion à Pe = 223,23,2.3,0,23 pour un échantillon de sable de Fontainbleau NE34. Nous avons observé que ces résultats dépendent de la qualité de l'image 3D. Les propriétés structurelles et de transport ont été étudiées à l'aide d'images 3D à différentes résolutions. Les images à différentes résolutions ont été appelées images redimensionnées, elles ont été générées numériquement et prises directement à partir du micro CT scan. Comme premier résultat, nous avons proposé un critère basé sur la distribution de la taille des pores pour déterminer si une résolution d'image 3D convient ou non au calcul de la perméabilité d'un matériau granulaire avec une méthode de volume fini (FV). Dans un deuxième résultat, nous avons montré comment les propriétés des macros de transport de soluté sont moins affectées par une détérioration de la résolution que la propriété d’écoulement de la perméabilité (les deux cas sont calculés par une méthode FV). Et comme troisième résultat, nous avons montré qu'une image numérique redimensionnée préserve davantage le comportement des propriétés macroscopiques qu'une image réelle redimensionnée. / In this thesis it was studied the structure of the porous media, particularly on a sandy soils and a virtual pack of spheres; based on bibliographic references here were generated our own tools to compute the porosity, specific surface and pore size distribution. We built an algorithm to solve advection diffusion equation directly on the porous media structure (using a 3D image result of the $mu $ CT scan of the porous media). We used the splitting operator to compute the advective part with a Finite Volume (FV) method, implementing a Total Variation Diminishing (TVD) scheme. The diffusion part was computed using with a FV method with the assistance of the MUMPS software to solve the resulting linear system. From the concentration field obtained with the algorithm and following a volume averaging method, we computed the macroscopic properties of: dispersivity and dispersion coefficient at Pe=223,23,2.3,0.23 for a sample of Fontainbleau NE34 sand. We observing that these results depend on the quality of the 3D image, structural and transport properties were studied using 3D images at different resolutions. The images at different resolutions were called rescaled images, and they were generated numerically and taken directly from the micro CT scan. As a first result we proposed a criterion based on the pore size distribution to assess if a 3D image resolution is suitable or not for permeability computation of a granular material with a finite volume (FV) method. As a second result we showed how the solute transport macro properties are less affected by a deterioration of the resolution than the flow property of permeability (both cases computed through a FV method). And as a third result we showed that a numerical rescaled image preserve the behavior of the macroscopic properties more than a real rescaled image

Cette thèse est une étude numérique d'un écoulement d'air dans une cavité différentiellement chauffée bidimensionnelle en présence de gravité. Pour un rapport hauteur/largeur de deux et des parois horizontales supposées adiabatiques, l'écoulement de base correspond à une recirculation autour de la cavité avec un coeur stratifié et des couches limites verticales. Les équations de Navier-Stokes sont résolues par un code de simulation numérique directe spectrale instationnaire basé sur l’hypothèse de Boussinesq couplé à un algorithme de suivi de particules avec interpolation. Le nombre de Rayleigh basé sur la différence de température est choisi comme paramètre de contrôle de l’écoulement. La transition vers le chaos au sein de cet écoulement est explorée à la fois du point de vue eulérien (développement de l’instationnarité) et lagrangien (mélange chaotique).L'approche lagrangienne considère le mélange de traceurs passifs infinitésimaux non diffusifs. L'étude se base sur l'identification d'objets invariants de la dynamiques : points fixes, orbites périodiques et leurs variétés stable/instable, connections homoclines et hétéroclines, trajectoires toroïdales. Le mélange des traceurs est partiel lorsque l'écoulement subit une première bifurcation de Hopf. La dispersion globale des traceurs résulte d'un compromis entre la présence de tores Kolmogorov-Arnold-Moser qui jouent le rôle de barrières au mélange, et d'enchevêtrements homoclines/hétéroclines responsables du chaos lagrangien. L'étude statistique des temps de retour et du taux d'homogénéisation révèle la présence de zones où la dynamique est non hyperbolique. En augmentant le nombre de Rayleigh, le mélange devient progressivement complet avant que l'écoulement ne devienne quasi-périodique en temps. L'approche eulérienne considère les divers scénarios de transition vers le chaos par l'identification numérique d'attracteurs et des bifurcations associées lorsque le nombre de Rayleigh varie. Deux routes principales se distinguent en fonction des symétries associées aux deux premières bifurcations de Hopf du système, contenant chacune plusieurs branches hystérétiques. Trente trois régimes différents sont identifiés et analysés depuis l'écoulement stationnaire jusqu'à un écoulement chaotique voire hyperchaotique. Parmi ceux-ci, des branches de tores à deux et trois fréquences incommensurables, ainsi que des régimes intermittents sont examinés. Des diagrammes de bifurcations qualitatifs et quantitatifs sont proposés pour résumer l'ensemble des dynamiques observées. / This thesis is about the numerical study of an air flow inside a two dimensionally heated cavity. The aspect ratio height/width is set to two. Boundary conditions on horizontal walls are taken as adiabatic. In this case, the base flow consists of a recirculation around the stratified core of the cavity and of boundary layers along the vertical walls. The Navier-Stokes equations are solved using a spectral direct numerical simulation code under the Boussinesq assumption coupled with a particle tracking scheme based on interpolation. The Rayleigh number, based on the temperature difference is chosen as the control parameter of the system. The transition to chaos in this flow is considered both from the Eulerian and Lagrangian point of view.The Lagrangian point of view considers the mixing of point-wise non-diffusive passive tracers. The study is based on the identification of invariant objects: fixed points, periodic orbits and their stable/unstable manifolds,homoclinic and heteroclinic connections, toroidal trajectories.The mixing of tracers is partial when the flow undergoes the first Hopf bifurcation. The complete mixing of tracers results from a compromise between Kolmogorov-Arnold-Moser's tori, which act as barriers to mixing, and homoclinic/heteroclinic tangles which are responsible for the mixing.The statistical study of return times and the homogenisation rate shows regionswhere the dynamics is non-hyperbolic. When the Rayleigh number is increased, mixing is increasingly complete before the flow becomes quasi-periodic in time.The Eulerian description considers the transition to chaos via the numerical identification of attractors and their associated bifurcations when the Rayleigh number is varied. Two main routes are found depending on the symmetries associated with the first two Hopf bifurcations of the system. A total of thirty three different regimes are identified from steady to hyperchaotic, among which two- and three-frequency tori as well as intermittent dynamics. Both quantitative and qualitative bifurcation diagrams are suggested for the system.

Le mélange de solutés par les écoulements en milieux poreux contrôle les réactions chimiques dans un grand nombre d'applications souterraines, dont le transport et la remédiation des contaminants, le stockage et l'extraction souterrains d'énergie, et la séquestration du CO2. Nous étudions les mécanismes du mélange à l'échelle du pore et plus précisément comment la topologie de l'écoulement est reliée à la dynamique du mélange d'espèces conservatives; en particulier, l'émergence d'un mélange chaotique est-elle possible dans un milieu poreux tridimensionnel (3D) ? Nous calculons donc numériquement ou mesurons expérimentalement les vitesses d'écoulement et l'évolution temporelle des champs de concentration afin de caractériser la déformation et le mélange à l'échelle du pore. Une première étude, expérimentale, permet de caractériser le mélange dans un fluide s’écoulant à travers un milieu poreux bidimensionnel (2D). Nous mesurons les vitesses par suivi de microparticules solides (''PTV''). L’évolution temporelle de la distance séparant deux particules permet de caractériser la dynamique de la déformation lagrangienne. Des mesures de transport conservatif dans le même milieu fournissent l'évolution temporelle du gradient de concentration moyen (une mesure du mélange). À partir de ces résultats expérimentaux nous proposons la première validation expérimentale à l'échelle du pore de la théorie lamellaire du mélange, reliant les propriétés de la déformation du fluide à la dynamique du mélange. Dans une deuxième étude nous examinons les conditions d'apparition du mélange chaotique dans l’écoulement dans des milieux poreux 3D granulaires ordonnés. Nous effectuons des calculs numériques hautement résolus de d'écoulement de Stokes entre des sphères empilées selon une structure cristalline (cubique simple ou cubique centrée), périodique. La déformation lagrangienne, obtenue à partir des champs de vitesse à l'aide d'outils numériques développés spécifiquement, met en lumière une large variété de dynamiques de la déformation dans ces milieux 3D, selon l'orientation de l'écoulement. Quand la direction de l'écoulement n'est pas normale à l'un des plans de symétrie de réflection du cristal, l'évolution temporelle de la déformation est exponentielle, traduisant une advection chaotique. L’émergence (ou non) du chaos est contrôlée par un mécanisme similaire à la ''transformation du boulanger'': les particules fluides se déplaçant autour d'un grain solide se retrouvent séparées par une surface virtuelle (appelée “variété”) qui émerge de la surface du grain. De multiples variétés existent dans l’écoulement, et la façon dont elles s'intersectent contrôle la nature - chaotique ou non - du mélange, et l'intensité du chaos. En particulier, l'exposant de Lyapunov (une mesure du chaos), est contrôlé par la fréquence spatiale des intersections appropriées à la génération du chaos, nommées ''connections hétéroclinines'' entre variétés. L'image conventionnelle, 2D, des mécanismes du mélange, impose des contraintes topologiques qui ne permettent pas le développement de ces mécanismes 3D. Elle pourrait donc être inadaptée aux milieux poreux naturels. La troisième étude a deux objectifs: (i) fournir une preuve expérimentale de la nature chaotique de l'advection, par la visualisation des variétés et par l'obtention d'une mesure de l'exposant de Lyapunov; et (ii), évaluer si nos résultats numériques obtenus pour des milieux granulaires ordonnés peuvent être généralisés à des milieux désordonnés, plus proches des milieux naturels. L’expérience est fondée sur un empilement désordonné de sphères rendu transparent par l'ajustement optique du liquide avec les sphères. La fluorescence induite par laser (''LIF'') permet de détecter les variétés au sein de l'écoulement, et des techniques PTV de mesurer les vitesses d'écoulement et quantifier l'exposant de Lyapunov. Les premiers résultats expérimentaux sont prometteurs. / Solute mixing in porous media flows plays a central role in driving chemical reactions in a number of subsurface applications, including contaminant transport and remediation, subsurface energy storage and extraction, and CO2 sequestration. We study the mechanisms of solute mixing, in particular how the pore scale flow topology is related to the mixing dynamics of conservative solutes, with a particular emphasis on the possible emergence of chaotic mixing processes in three-dimensional (3D) porous media. To do so, we perform numerical computations or experimental measurements of the flow velocities and temporal evolution of the concentration fields, and characterize fluid deformation and mixing at the pore scale. This PhD work consists of three main studies. In the first study, we experimentally characterize mixing in a fluid flowing through a two-dimensional (2D) porous medium built by lithography. We measure the velocity distributions from Particle Tracking Velocimetry (PTV). The time evolution of the separation distance between two particles is analyzed to characterize the Lagrangian deformation dynamics. In parallel we perform conservative transport experiments with the same porous media, and quantify the temporal evolution of the mean concentration gradient, which is a measure of the mixing rate. From these experimental results we obtain the first experimental pore scale validation of the lamella mixing theory, which relates the fluid deformation properties to the mixing dynamics. In the second study, we investigate the conditions of emergence of chaotic mixing in the flow through 3D ordered granular porous media. In these periodic cubic crystalline packings (Simple Cubic - SC - and Body-Centered Cubic - BCC) of spheres, we are able to perform highly resolved computations of the 3D Stokes flow. Using custom-developed numerical tools to measure the Lagrangian deformation from the computed velocity fields, we uncover the existence of a rich array of Lagrangian deformation dynamics in these 3D media, depending on the flow orientation. When the flow direction is not normal to one of the reflection symmetry planes of the crystalline lattice, we find that the Lagrangian deformation dynamics follow an exponential law, which indicates chaotic advection. This chaotic behavior is controlled by a mechanism akin to the baker's transformation: fluid particles traveling around a solid grain along different paths end up either separated by, or on the same side of, a virtual surface projecting from the grain surface and called a manifold. Multiple such manifolds exist within the flow, and the way they intersect controls the nature of mixing (that is, either non-chaotic or chaotic), and the strength of chaos. We show in particular that the magnitude of the Lyapunov exponent (a measure of the vigor of chaos) is controlled by the spatial frequency of transverse connections between the manifolds (called heteroclinic intersections). We thus demonstrate that the conventional 2D picture of the mechanisms of mixing may not be adapted for natural porous media because that picture imposes topological constraints which cannot account for these important 3D mechanisms. The third study has two objectives: (i) provide experimental evidence of the chaotic nature of pore scale advection/mixing, both by visualizing the manifolds and by obtaining a quantitative estimate of the Lyapunov exponent; and (ii) assess if the results obtained numerically in ordered packings of spheres extend to random packings, which are closer to natural porous media. The experiment features a random packing of glass beads rendered transparent by optical index-matching between the fluid and solid grains. We use Laser Induced Fluorescence (LIF) to detect the manifolds, and PTV techniques to measure flow velocities and subsequently quantify Lyapunov exponent. The first experimental results are promising.

Les travaux de thèse sont consacrés à l’étude numérique de l’application de macro-déformations successives alternées a la paroi d’un tube. La modification de l’écoulement du fait des déformations permet de modifier ses propriétés en termes de transfert thermique et de mélange. L’objectif de l’étude d’un tel dispositif est entre autre de l’appliquer pour des configurations d’échangeurs multifonctionnels, qui sont à la fois échangeurs de chaleur et réacteurs chimiques. L’étude s’intéresse principalement aux écoulements laminaires. Les calculs sont réalisés avec le code ANSYS Fluent. L’étude est tout d’abord consacrée à la caractérisation de l’écoulement secondaire créé par les déformations ainsi qu’à l’influence des différents paramètres de déformation. Afin d’améliorer le mélange dans l’écoulement, l’étude d’une configuration coaxiale déformée a été envisagée (cette géométrie correspond de plus à une configuration d’écoulement utilisée dans l’industrie). Deux configurations annulaires ont été considérées. Dans un premier temps, les déformations pariétales ont été appliquées aux tubes interne et externe : différents déphasages longitudinaux et angulaires entre ces deux déformations ont été étudiés pour optimiser les performances thermo-hydrauliques. La seconde configuration combine des déformations sur la paroi externe et un swirl sur la paroi interne de la géométrie. Cette configuration particulière permet en régime laminaire d’augmenter significativement le mélange du fait de l’apparition d’advection chaotique dans l’écoulement. Cette dernière géométrie est appliquée dans le cas d’un échangeur solaire à concentration et permet d’améliorer les performances par rapport à un tube lisse dans des conditions similaires. La dernière partie de l’étude est consacrée à une validation expérimentale des résultats numériques lorsque les déformations sont appliquées à une plaque. Des mesures par PIV et LDA ont été réalisées pour mesurer la vitesse locale de l’écoulement. / The work presented here is focused on the numerical study of specific successive wall deformations in alternate directions, applied to a tubular geometry. Those deformations help modifying the flow structure and thus its heat transfer and mixing properties. One of the main aims of the study is to apply those deformations to multifunctional exchangers which are heat exchangers and chemical reactors at the same time. The study is mainly focused on laminar flows and all the numerical calculations were performed using the CFD code ANSYS Fluent. The first step of the study is to assess the secondary flow created by the wall deformations. The influence of several deformation geometrical parameters has also been studied. In order to enhance the mixing in the deformed tube, the wall deformations have been applied to coaxial configurations (often used in the industry). Two kinds of annular configurations have been evaluated. At first, the wall deformations are applied to the external and internal walls of the coaxial tube. The effect on the heat transfer enhancement of the longitudinal and angular phase-shifting between the two deformations has been specifically assessed. The second configuration considered combines the alternate deformations on its external walls and a swirled internal wall. This particular annular configuration creates chaotic advection in laminar flows, therefore helping increasing the mixing. This geometry is used as a solar captor and helps increasing the global performances when compared with a smooth tube usually used. The last part of the presented work is focused on the experimental validation of the numerical results. Techniques such as PIV and LDA are used to measure local velocity fields in a plane duct with alternate deformations applied to its lower wall.

Ce mémoire aborde la question de la production d’observables intrinsèques au comportement thermomécanique des matériaux pour mieux en formuler les lois d’états. Ces observables sont les sources de chaleur thermomécaniques, activées par sollicitation mécanique. Ces sources peuvent être reconstruites dans l’espace et le temps par inversion de mesures de champs de température obtenus par thermographie IR. Nous présentons essentiellement deux méthodes développées lors de ce travail de thèse qui reposent sur des approches spectrales réduites (dont la décomposition sur Modes de Branche) et des inversions séquentielles (méthode de Beck) ou itératives (Gradient Conjugué). Concernant cette dernière, nous proposons d’y adjoindre une régularisation efficace en s’inspirant de techniques de filtrage par TSVD. S’agissant de matériaux sujets aux instabilités plastiques (PolyEthylène Haute Densité) pour lesquels les vitesses locales peuvent être non négligeables, l’inversion des mesures en température nécessite que l’on considère un opérateur d’advection-diffusion, qui impose alors l’apport d’une connaissance supplémentaire : le champ de vitesses locales. Celui-ci est mesuré par corrélation d’images 3D et nous détaillons le travail expérimental mené ainsi que les résultats obtenus sur des essais de traction pilotés par vidéo-extensométrie. Nous montrons que pour des essais quasi-statiques à vitesses relativement élevées, les effets d’advection sont généralement négligeables. Nous montrons également en quoi la richesse des informations thermomécaniques (Sources) et cinématiques (Taux de déformation, vitesses) permet de mieux comprendre la dynamique de l’instabilité plastique. Enfin nous critiquons les résultats obtenus sur la reconstruction de source par confrontation des deux algorithmes développés et par une analyse physique des phénomènes observés / This work concerns the way intrinsic observables can be produced, which are related to the thermomechanical behavior of materials and necessary for better formulation of state laws. These observables are Thermomechanical Heat Sources (THS) which are activated through mechanical excitation. These sources can be reconstructed both in space and time by the inversion of measured temperature fields obtained through IR thermography. We develop two main methods in this work which rely on spectral reduced approaches (one of them being the decomposition on Branch Modes) and both on a sequential inversion (Beck’s method) and an iterative one (Conjugated Gradient). Regarding the latter, we suggest to combine the standard approach with an efficient regularization method which comes from the filtering techniques based on TSVD. As we are concerned with materials which can be subjected to plastic instabilities (High Density PolyEthylene) for which local velocities of matter displacement can be non negligible, the inversion of the measurements must be performed with the advection-diffusion operator of heat transfer. It is then necessary to obtained additional knowledge: the velocity field. This one is measured by 3D Digital Image Correlation and we detail the experimental work we have carried out, which are based on tensile tests monitored with video-extensometry. We show that for quasi-static tests at relatively high strain rates, the advective effects are generally negligible. We also show the richness of the information brought by this dual thermomechanical (heat sources) and kinematical (strain-rates, velocities) information. It allows for a better understanding of the plastic instability (necking) dynamics. Lastly, we criticize the obtained results on THS reconstruction by the confrontation between the two algorithms and by a physical analysis of the observed phenomena

Les objectifs de cette thèse sont d'analyser l'influence des processus humides sur les dépressions des moyennes latitudes en s'intéressant plus particulièrement aux déplacements des dépressions et à la formation des vents forts près de la surface. Ces recherches ont été effectuées à l'aide de simulations idéalisées du modèle de méso-échelle Méso-NH. La première étude s'est focalisée sur l'effet des processus humides sur le déplacement des dépressions dans la direction perpendiculaire à l'axe du courant-jet, c'est à dire principalement le déplacement vers les pôles. Le mécanisme expliquant ce déplacement est dû à l'advection non-linéaire de la dépression de surface par les anomalies cyclonique et anticyclonique d'altitude se trouvant de part et d'autre de la dépression de surface. En présence d'humidité, l'anomalie anticyclonique d'altitude se renforce du fait du dégagement de chaleur latente dans les zones d'ascendances, et ainsi le déplacement perpendiculairement à l'axe du jet et vers les pôles s'accélère. On montre aussi que le déplacement vers l'est des dépressions s'accélère en incluant les processus humides. La seconde étude porte sur la formation des vents forts près de la surface et notamment sur ce qu'on appelle les "sting jets". Les "sting jets" sont des jets dont les masses d'air associées descendent rapidement du milieu de la troposphère au niveau de la tête du nuage jusqu'au sommet de la couche limite et peuvent déclencher des vents dévastateurs en surface. Ceux-ci se forment lorsque le front chaud se déplace à l'arrière de la dépression et qu'une fracture frontale apparaît. Les simulations montrent que, lorsqu'une dépression traverse l'axe du courant-jet de son côté chaud à son côté froid, le retour en arrière du front chaud se produit tandis qu'une dépression naissant côté froid du courant-jet possède un front chaud beaucoup moins actif. Ainsi, la formation d'un " sting jet " n'apparaît que dans le premier cas , moyennant une résolution verticale élevée. C'est la présence d'un forçage géostrophique dans un environnement neutre vis-à-vis de l'instabilité symétrique qui facilite la descente des masses d'air et la formation du " sting jet ". / The objective of this thesis is to analyze the influence of moist processes on mid-latitude cyclones, and specifically the tracks of cyclones and the formation of strong winds near the surface. These researches have been made using idealized simulations of the mesoscale model Méso-NH. The first study focused on the effects of moist processes on the motion perpendicularly to the zonal jet axis, poleward. The main mechanism explaining this motion involves the nonlinear advection of the surface cyclone by the upper-level cyclonic and anticyclonic perturbations located on both sides of the surface cyclone. In the presence of humidity, the upper-level anticyclonic anomaly strengthens due to the latent heat release in the ascent zones, and the poleward motion is reinforced. The eastward motion of the cyclone is also reinforced with the inclusion of moist processes. The second study focuses on the formation of near-surface strong winds which are triggered by the so-called " sting-jets ". These jets correspond to descending air masses from the mid-troposphere near the cloud head down to the top of the boundary layer, and can trigger devastating surface winds. In the case where synoptic perturbations are initialized south of the baroclinic zonal jet, the bent-back warm front phase occurs, whereas when they are initialized on the zonal jet axis, the surface cyclone has a less active warm front. Thus, the formation of a sting-jet only occurs in the first case, and with a high vertical resolution. It is the geostrophic forcing in a globally neutral environment relative to conditional symmetric instability which facilitates the airstreams descent and the formation of the sting-jet.

La compréhension du cycle de la matière organique du sol (MOS) est un outil majeur dans la lutte contre le réchauffement climatique, la préservation de la biodiversité ainsi que dans la consolidation de la sécurité alimentaire. Dans ce contexte, cette thèse porte sur la modélisation et l'analyse mathématique de modèles de la dynamique du carbone organique dans le sol.Dans le chapitre 2, nous avons étudié la robustesse et les propriétés mathématiques d'un modèle non linéaire (MOMOS). Nous avons montré que si les données sont périodiques nous obtenons l'existence d'une solution périodique attractive. Le chapitre3 est consacré à la validation mathématique d'un modèle spatialisé basé sur les équations de MOMOS, auxquels nous avons ajouté des opérateurs de diffusion et de transport. L'effet de l'hétérogénéité spatiale sur ce modèle est étudié dans le chapitre4 en utilisant des techniques d'homogénéisation. Suivant la méthodologie de Bosattaet Agren, nous dérivons un autre modèle à qualité continue, qui prend en compte l'effet de l'âge sur la décomposition de la MOS. Le chapitre 5 contient la validation mathématique et expérimentale du modèle. Enfin, nous considérons dans les chapitres6 et 7, un modèle incluant l'effet de la chemotaxie. Nous montrons l'existence, la positivité et l'unicité des solutions dans des domaines suffisamment réguliers de dimension inférieure ou égale à 3. / Understanding the soil organic matter (SOM) cycle is a major tool in the effort toreduce global warming, to preserve biodiversity and to improve food safety strategies.In this context, this thesis is about modelling and mathematical analysis of thedynamics of the organic carbon in soil.In chapter 2, we validate mathematically a nonlinear soil organic carbon model(MOMOS) and we prove that, if data is periodic, then there is a unique attractiveperiodic solution. In chapter 3, we focus on the mathematical validation of a spatialmodel derived from MOMOS and where we used diffusion and transport operators.We prove also the existence of a periodic solution. In addition, the effect of soilheterogeneities on the model is studied in chapter 4 using homogenization techniques.Moreover, following the Bosatta and Agren methodology, we derive a continuousquality model taking in consideration the effect of age on the quality of SOM. Wevalidate the model mathematically and experimentally in chapter 5. Finally, weconsider in chapters 6 and 7 another model that takes into account the chemotaxismovement of soil microorganisms. We prove mainly the existence and uniqueness of apositive solution in a regular spatial domain of dimension less or equal to 3.