Ce travail de thèse présente l'implémentation de la simulation d'écoulements diphasiques dans des conditions de réacteurs nucléaires à caloporteur eau, à l'échelle de bulles individuelles. Pour ce faire, nous étudions plusieurs modèles d'écoulements thermohydrauliques et nous focalisons sur une technique de capture d'interface mince entre phases liquide et vapeur. Nous passons ainsi en revue quelques techniques possibles de maillage adaptatif (AMR) et nous fournissons des outils algorithmiques et informatiques adaptés à l'AMR par patchs dont l'objectif localement la précision dans des régions d'intérêt. Plus précisément, nous introduisons un algorithme de génération de patchs conçu dans l'optique du calcul parallèle équilibré. Cette approche nous permet de capturer finement des changements situés à l'interface, comme nous le montrons pour des cas tests d'advection ainsi que pour des modèles avec couplage hyperbolique-elliptique. Les calculs que nous présentons incluent également la simulation du système de Navier-Stokes incompressible qui modélise la déformation de l'interface entre deux fluides non-miscibles. / This PhD work presents the implementation of the simulation of two-phase flows in conditions of water-cooled nuclear reactors, at the scale of individual bubbles. To achieve that, we study several models for Thermal-Hydraulic flows and we focus on a technique for the capture of the thin interface between liquid and vapour phases. We thus review some possible techniques for Adaptive Mesh Refinement (AMR) and provide algorithmic and computational tools adapted to patch-based AMR, which aim is to locally improve the precision in regions of interest. More precisely, we introduce a patch-covering algorithm designed with balanced parallel computing in mind. This approach lets us finely capture changes located at the interface, as we show for advection test cases as well as for models with hyperbolic-elliptic coupling. The computations we present also include the simulation of the incompressible Navier-Stokes system, which models the shape changes of the interface between two non-miscible fluids.

Ce mémoire présente une étude spectroscopique de la nébuleuse Wolf-Rayet (WR) NGC 2359 à l’aide d’un ensemble de données recueillies avec le spectromètre imageur SITELLE et le spectromètre GMOS depuis 2018. Cette étude vise à approfondir nos connaissances sur cette nébuleuse ionisée par une étoile massive au stade final de sa vie, WR7, afin de localiser et de caractériser la section de la nébuleuse associée aux éjecta passés de l’étoile. L’analyse de l’ensemble de données permet d’identifier dans un premier temps les raies d’émission de plusieurs atomes à des états d’ionisation différents et dans un deuxième temps d’identifier les zones où ces raies sont les plus fortes à l’aide de la production de cartes de flux pour chacune d’entre elles. Deux structures sont associées au gaz ionisé de la nébuleuse. La première est en forme d’arc et est à la frontière à l’est de WR7 qui sépare le gaz ionisé du gaz atomique. La deuxième est une bulle filamenteuse qui a un état d’ionisation plus élevé que celui de l’arc par son flux très faible dans les raies d’émission d’atomes simplement ionisés, mais fort dans les raies d’atomes doublement ionisés. L’analyse cinématique vient ajouter des distinctions supplémentaires entre les deux structures. L’arc est immobile à 54 km s⁻¹ qui est la vitesse radiale systémique du gaz attendue à sa distance galactocentrique. La bulle démontre plutôt des groupes de filaments qui s’approchent de l’observateur et d’autres qui s’en éloignent, donnant une expansion de ∼ 30 km s⁻¹. De plus, ces résultats confirment le contact dynamique entre le gaz ionisé en expansion et le gaz moléculaire de CO allant à des vitesses similaires à des positions similaires. Ensuite, certains rapports d’intensité de raies sensibles à la présence de poussière, à la température électronique ou à la densité électronique permettent de cartographier ces propriétés. La poussière causant un rougissement interstellaire est surtout distribuée à l’est et au sud de la nébuleuse. La densité électronique est maximalement de 190 cm⁻³ et généralement inférieure à 100 cm⁻³. En supposant une densité électronique constante de 100 cm⁻³, la carte de la température électronique montre des valeurs entre 9 000 et 14 000 K. / This work presents a spectroscopic study of the Wolf-Rayet (WR) nebula NGC 2359 using a set of data collected with the SITELLE imaging spectrograph and the GMOS spectrograph since 2018. The study aims to deepen our understanding of this nebula ionized by a massive star in the final stage of its life, in order to determine which gas structure of the nebula is associated with the past ejecta of the star. The analysis of the data set first identified emission lines of several atoms in different ionization states, and then identified the areas where these lines are strongest by producing flux maps for each of the identified lines. Two structures are associated with the ionized gas of the nebula. The first is arc-shaped and is at the western boundary separating the ionized gas from the atomic gas. The second is a filamentary bubble with a higher ionization state than the arc due to its very weak flux in the emission lines of singly ionized atoms, but strong in the lines of doubly ionized atoms. The kinematic analysis adds further distinctions between the arc and the bubble. The arc is stationary at 54 km s⁻¹ , which is the systemic radial velocity of the gas expected at its galactocentric distance. The bubble shows groups of filaments approaching and receding from the observer, demonstrating an expansion at 30 km s⁻¹. These results confirm the dynamic contact between the expanding ionized gas and the CO molecular gas moving at similar speeds in similar locations. Furthermore, some intensity ratios of lines sensitive to the presence of dust, electron temperature, and electron density allow for mapping these quantities. Dust causing interstellar reddening is mainly distributed to the east and south of the nebula. The electron density is maximally 190 cm⁻³ and generally below 100 cm⁻³. Assuming a constant electron density of 100 cm⁻³, an electron temperature map ranges between 9,000 K and 14,000 K.

Partant du constat d'une faible connaissance et d'une utilisation encore limitée des données climatiques en économie du développement, cette thèse propose une exploitation originale à la fois macroéconomique et microéconomique des données climatiques. Elle répond à un double objectif consistant d'une part, à enrichir les connaissances concernant les données climatiques en fournissant une nouvelle base de données mondiale directement exploitable par les économistes, d'autre part, à en proposer des exploitations variées et à différentes échelles de l'économie. La première partie propose une utilisation macroéconomique des données climatiques. Elle doit permettre une meilleure appréhension des données climatiques mondiales, afin d'améliorer des connaissances sur les caractéristiques du changement climatique d'un point de vue économique. Le chapitre 1 produit une base de données climatiques disponible pour près de 200 pays au niveau mensuel pour la période 1900-2008. S'appuyant sur ce premier travail, le chapitre 2 propose une utilisation originale de la base en construisant un indicateur de vulnérabilité physique au changement climatique pouvant servir d'outil pour guider l'allocation de l'aide à l'adaptation au changement climatique. La seconde partie de cette thèse est constituée de deux études microéconomiques dont le but est d'analyser les réactions des agents face à un choc climatique. Dans ces deux chapitres, les données pluviométriques pallient le manque de données concernant la production agricole. Au niveau du ménage agricole d'abord, le chapitre 3 s'intéresse aux conséquences d'un épisode de baisse de la pluviométrie sur l'état nutritionnel des enfants de moins de cinq ans et révèle que les ménages ruraux n'ont pas la capacité d'assurer ou d'absorber ces chocs climatiques. Au niveau d'un marché céréalier ensuite, le chapitre 4 s'attache à étudier la réaction des prix face à un choc pluviométrique et met en évidence la présence d'une spéculation, particulièrement sur des marchés mal intégrés et de petite taille.

Les écoulements gaz-liquide constituent un axe de recherche très actif en microfluidique. Le rapport des débits entre les deux phases, la formation de bulles et les champs de vitesse des microcanaux ont été étudiés dans cette thèse, en utilisant une caméra numérique rapide et un microsystème de Particule Image Velocimetry (micro-PIV). En particulier, le diagramme des phases gaz-liquide ont été établi dans des microcanaux carrés ; la formation des bulles en fluides tant newtoniens que non newtoniens a été étudiée en détail dans plusieurs configurations géométriques telles que T-injonction et flow-focusing. Les mécanismes régissant la formation d'une bulle ont été modélisés pour chaque étape : expansion, amincissement et rupture. L'étape amincissement de la traînée d'une bulle est notamment contrôlée par une pression orthogonale qui dépend du débit du liquide. Dans le cadre de flow-focusing, le mécanisme de la rupture du film gazeux peut être décrit par une loi d'échelle reliant l'épaisseur minimale du film au temps restant juste avant la rupture avec un exposant 1/3. Le caractère non newtonien de fluides PAAm allonge la traînée d'une bulle par rapport aux fluides newtoniens. Enfin, l'étude de la coalescence entre bulles a été entreprise à l'échelle microscopique ainsi que le comportement complexe des trains de bulles dans des réseaux de microcannaux / Gas-liquid two-phase flow is an important research project in microfluidics. The gas-liquid two-phase flow, the bubble formation and moving behaviours in microchannels were investigated, by using a high speed digital camera and a micro Particle Image Velocimetry (micro-PIV). The gas-liquid two-phase flow in vertical rectangular microchannels was investigated and a flow pattern map was constructed; the bubble formation in both Newtonian and non-Newtonian fluids in cross-flowing microfluidic T-junctions and flow-focusing devices was investigated; the bubble formation process could be divided into expansion, collapse and pinch-off stages; the collapse speed of the gaseous thread in the second stage is controlled by the squeezing pressure, and is proportional to the liquid flow rates; while the minimum width of the neck of the gaseous thread in the third stage for bubble formation in flow-focusing devices could be scaled with the remaining time to the ultimate pinch-off as a power law relationship with an exponent of 1/3; the PAAm solutions prolong the gaseous thread in the tangential direction of the neck; bubble coalescence in a microchannel with an expansion section was studied; the bubble behavior in a microchannel with a loop was also investigated

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse est consacrée aux écoulements homogènes de bulles, ainsi qu'à leur couplage avec le transport d'un scalaire et la turbulence. Elle s'intéresse plus spécifiquement aux effets de taille finie, des interactions hydrodynamiques et de la microstructure de la suspension qui sont étudiés à l'aide de simulations numériques directes à l'échelle d'une seule bulle. La dynamique d'une suspension laminaire de bulles induite par la seule gravité est d'abord revisitée. L'influence de la fraction volumique sur la vitesse de dérive des bulles est établie analytiquement et numériquement pour une suspension parfaitement ordonnée, puis des ressemblances entre suspensions ordonnées et suspensions désordonnées sont mises en évidence. Ces résultats sont ensuite mis à profit pour la modélisation du transport d'un scalaire passif au sein d'une suspension laminaire, tel que décrit par une diffusivité effective tensorielle, et des différences essentielles entre systèmes ordonnés et systèmes désordonnés concernant le transport de scalaire sont mises en exergue. Enfin, la turbulence est prise en compte dans les simulations et son interaction avec une bulle de taille finie est caractérisée. Il est montré que le comportement dynamique d'une bulle de taille comparable à la microéchelle de Taylor ressemble qualitativement à celui d'une microbulle, avec, notamment, une préférence pour certaines régions caractéristiques de l'écoulement. Une définition de l'écoulement vu par la bulle compatible avec les modèles standards de masse ajoutée et de portance est finalement proposée / This thesis is devoted to the study of homogeneous bubbly flows and their coupling with scalar transport and turbulence. It focuses on the effects of finite size, hydrodynamic interactions, and suspension microstructure, which are investigated using direct numerical simulations at the bubble scale. The dynamics of laminar buoyancy-driven bubbly suspensions is first revisited. More specifically, the effect of volume fraction on the bubble drift velocity is clarified by connecting numerical results to theory for dilute ordered systems, and similarities between perfectly ordered and free disordered suspensions are evidenced. These results are then used for the modeling of passive scalar transport in laminar suspensions as described by an effective diffusivity tensor, and crucial differences between ordered and disordered systems with respect to scalar transport are highlighted. Lastly, turbulence is included in the simulations, and its interaction with a finite-size bubble is characterized. The behavior of a bubble as large as Taylor microscale is shown to share a number of common features with that of a microbubble, most notably, the flow sampled by the bubble is biased. A definition of the liquid flow seen by the bubble, as it enters in usual models for the added mass and the lift forces, is finally proposed

La mousse métallique a des propriétés mécaniques et thermodynamiques uniques qui pourraient s'avérer utiles dans de nombreux domaines, tels que la construction légère et ingénierie automobile. Cependant, la mousse métallique n'est pas encore établie en génie.Une des raisons sont les difficultés et les prix élevés dans le processus de fabrication. Causée par drainage gravitaire en état liquide, peuvent se produire des distributions de matériel non homogènes. En outre, dépassant le drainage peut provoquer rupture de bulle et la génération de soufflures. Ces effets négatifs potentiellement peuvent être évités en ajoutant magnétique ou champs électromagnétiques au cours du processus de génération.Dans cette thèse, l'influence de ces champs est donc étudié en réalisant la phase de résolution des simulations. Ces simulations sont effectuées avec le code interne premier. Une modification de la modélisation de la collision était nécessaire pour enquêter sur l'agglomération de bulles dans le métal liquide.Calcul d'une configuration statique-drainage, les mécanismes de l'agglomération sont étudiés sans la présence de champs électriques ou magnétiques. Aux vitesses élevées de drainage, les bulles flottent. À des vitesses inférieures de drainage, les bulles s'agglomèrent dans la partie supérieure du domaine, formant des structures cristallines compacte.La préférence expérimentalement bien connue de commande cubes axés sur le visage, plus hexagonale compacte vous passez votre commande de volume égal bulles est reproduit numériquement. Appliquant davantage des simulations et expériences, un mécanisme de l'instabilité de la commande de façon hexagonale compacte est identifié, ayant pour résultat la préférence de commande de cubes axés sur le visage.Afin de déterminer les propriétés mécaniques de la mousse métallique solide avec la fraction de gaz faibles et aux fonctionnalités avantageuses et désavantageuses d'état d'arrangements de bulle, simulations par éléments finis de la mousse métallique solide avec cavités sphériques sont réalisées et comparées. Une influence significative de la quantité de cristaux de bulle sur la mécanique de la mousse se trouve. Le type de l'ordre cristallin est moins important.On étudie l'influence d'un champ magnétique horizontal sur l'agglomération de bulle. La résistance de drainage peut être augmentée sensiblement en ajoutant un champ magnétique. La structure résultante des bulles est moins sensible à un champ magnétique.Combinant un courant électrique horizontal et une perpendiculaire, champ magnétique horizontal se traduit par une force verticale de Lorentz. Cette force peut équilibrer la gravitation et donc, provoquer la rotation des bulles. Simuler cet État révèle une distribution homogène de bulle. Dans le même temps, friser les champs de force dans le voisinage de chaque bulle induire un mouvement continu en remuant. Petit champ électromagnétique forces n'empêchent pas les bulles d'agglomération, mais peuvent varier le montant de la commande cristallisé et par conséquent, les propriétés mécaniques de la mousse solide qui en résulte.En conclusion, un champ magnétique horizontal augmente la résistance de drainage, tandis que sa combinaison avec un courant électrique provoque des distributions de bulle homogène et peut modifier la structure de la mousse et la fraction de gaz. Les résultats de cette thèse pourraient aider à améliorer le processus de fabrication industrielle de mousse métallique ou même permettre la production de métal poreux avec la fraction de gaz définie par l'utilisateur. / Metal foam has unique mechanical and thermodynamic properties which could prove useful in many fields, such as light-weight construction and automotive engineering. However, metal foam is not yet established in engineering. One reason are the difficulties and high prices in the fabrication process. Caused by gravity-driven drainage in liquid state, inhomogeneous material distributions can occur. Also, exceeding drainage might cause bubble rupture and the generation of blow-holes. These negative effects potentially can be avoided by adding magnetic or electromagnetic fields during the generation process. In this thesis, the influence of these fields is therefore investigated by conducting phase resolving simulations. These simulations are carried out with the in-house code PRIME. A modification of the collision modelling was necessary in order to investigate the agglomeration of bubbles within liquid metal. Computing a static-drainage setup, the agglomeration mechanisms are investigated without the presence of electric or magnetic fields. At high drainage velocities the bubbles float. At lower drainage velocities the bubbles agglomerate in the upper part of the domain, forming close-packed crystalline structures. The experimentally well known preference of face-centred cubic ordering, over hexagonally close-packed ordering of equal-volume bubbles is reproduced numerically. Applying further simulations and experiments, an instability mechanism of hexagonally close-packed ordering is identified, resulting in the preference of face-centred cubic ordering. In order to determine the mechanical properties of solid metal foam with low gas fraction and to state advantageous and disadvantageous features of bubble arrangements, Finite-Element simulations of solid metal foam with spherical voids are carried out and compared. A significant influence of the amount of bubble crystals on the foam mechanics is found. The type of the crystalline ordering is less important. The influence of a horizontal magnetic field on the bubble agglomeration is investigated. The drainage resistance can be increased significantly by adding a magnetic field. The resulting structure of the bubbles is less sensitive to a magnetic field. Combining a horizontal electric current and a perpendicular, horizontal magnetic field results in a vertical Lorentz force. This force can balance gravitation and thus, cause rotation of the bubbles. Simulating this state reveals a homogeneous bubble distribution. At the same time, curling force fields in the vicinity of each bubble induce a continuous stirring motion. Small electromagnetic field strengths do not prevent the bubbles from agglomerating, but can vary the amount of crystallized ordering and therefore, the mechanical properties of the resulting solid foam. In conclusion, a horizontal magnetic field increases the drainage resistance, while its combination with an electric current causes homogeneous bubble distributions and can alter the foam structure and the gas fraction. The results of this thesis could help improve the industrial fabrication process of metal foam or even allow production of porous metal with user-defined gas fraction.

Les réacteurs-échangeurs à plaques (HEX) sont une technologie clé en intensification des procédés. Cependant, la plupart des recherches existantes portant sur ce type d'équipement ont été réalisées dans le cas d’écoulements monophasiques. Pour les réactions gaz-liquide, peu d'études ont été conduites. Cette thèse a pour objectif d’étudier localement le transfert de matière gaz-liquide autour de bulles de Taylor en écoulement dans des canaux millimétriques droits et ondulés par une méthode dite colorimétrique. Ceci constitue une étape préliminaire indispensable avant la mise en œuvre de systèmes réactifs diphasiques. Il a d’abord déterminé si une possible accélération du transfert de matière gaz-liquide pouvait avoir lieu en présence de la réaction chimique utilisée. La deuxième phase de ce travail s’est focalisée sur l'étape de formation des bulles de Taylor dans un microréacteur. Ensuite, l'hydrodynamique gaz-liquide a été caractérisée et les effets des coudes sur le mécanisme de transfert de masse ont été étudiés localement dans un canal carré millimétrique ondulé. Enfin, une comparaison rigoureuse a pu être effectuée entre les différentes géométries de canaux (ondulé et droit). Elle a permis de montrer comment et pourquoi une géométrie ondulé permet d’intensifier le transfert de masse gaz-liquide (notamment en terme d’efficacité de transfert). L’ensemble de ces résultats ont conduit à la formulation une loi d'échelle, exprimée en termes de nombres de Sherwood, de Graetz et de Péclet, capable de décrire l'évolution du transfert de matière gaz-liquide en fonction de la position axiale dans le canal et des conditions opératoires mises en œuvre. / Compact Heat-EXchanger reactors (HEX) are an important part of process intensification technology. However, most of the existed research dealing with such type of equipment has been focused on the application of one-phase reactive flows. For gas-liquid reactions, few investigations have been out carried. This thesis aims at locally studying gas-liquid mass transfer around Taylor bubbles flowing in straight and meandering millimetric channels using a colorimetric method; this is a preliminary step essential before implementing two-phase reactive systems. Firstly, the occurrence of a possible enhancement of the gas-liquid mass transfer by the chemical reaction involved was investigated. Secondly, the gas-liquid mass transfer occurring in Taylor flows right after the bubble formation stage in a microreactor was studied. Thirdly, the gas-liquid hydrodynamics were characterized and the effects of bends on the mass transfer mechanism were locally investigated in a millimetric meandering channel. At last, a rigorous comparison could be made between the meandering and straight channels. It showed how and why the meandering geometry leads to intensify gas-liquid mass transfer. All these findings enabled to formulate a scaling law, expressed in terms of Sherwood, Graetz and Péclet numbers, able to describe the evolution of gas-liquid mass transfer as a function of axial position and operating conditions.

Ce mémoire de HDR résume les dix dernières années de recherche effectuée au Laboratoire d'Optique Appliquée sur l'accélération d'électrons par interaction laser-plasma. Les résultats principaux sont l'obtention d'une source d'électrons relativiste (100-300 MeV), mono-énergétique, ultracourte (quelques fs), compacte (quelques millimètres), stable et réglable. Le manuscrit décrit les étapes qui ont permis d'élucider la physique en jeu puis de la maîtriser, ce qui a finalement abouti à la génération de cette nouvelle source. Les aspects de propagation non linéaire de l'impulsion laser dans un plasma sous-dense sont tout d'abord traités: la création d'onde de sillage linéaire et non linéaire, l'auto-focalisation relativiste et pondéromotrice d'impulsions courtes et intenses, l'auto-compression dans les ondes plasmas. Puis l'accélération et l'injection des électrons dans les ondes de sillage est rappelée d'un point de vue théorique. La démonstration expérimentale de l'injection des électrons dans le régime de la bulle et/ou par collision de deux impulsions laser est ensuite développée. Ces expériences ont été parmi les premières à permettre l'obtention de faisceaux mono-énergétiques de bonne qualité dans un premier temps, et stable et réglable dans un deuxième temps. Les deux derniers chapitres sont consacrés aux diagnostics du faisceau d'électrons par rayonnement de transition puis aux applications en radiographie gamma et radiothérapie. Finalement les perspectives de cette recherche sont présentées en conclusion. En particulier, on s'est intéressé aux paramètres atteignables sur les lasers petawatt en cours de construction.

Les films librement suspendus de cristal liquide 8CB en phase smectique A sont très stables du fait de leur structure lamellaire. En effet, l'élasticité des couches compense la pression capillaire imposée par le ménisque qui le borde et qui joue le rôle de réservoir de matière. Lors de ce travail, nous nous sommes intéressés à la dynamique de ces films. Nous avons mis en évidence que le ménisque se comporte<br />comme un réservoir dissipatif.<br /><br />En régime quasi-statique, lorsque les échanges de matière entre le film et le ménisque sont lents, les écoulements de perméation autour des dislocations coin qui le composent sont à l'origine de sa perméabilité finie. Un modèle hydrodynamique montre que la dissipation est localisée à son entrée, dans la zone bien orientée et qu'elle dépend fortement de l'épaisseur du film. Dans les films fins, le ralentissement des boucles de dislocation et dans les films épais, la dynamique de relaxation de deux ménisques reliés par un même film ont permis de confirmer expérimentalement ce modèle.<br /><br />La dynamique d'effondrement d'une bulle a permis de caractériser la dissipation dans des régimes d'écoulements plus rapides en mettant en évidence un écart à la loi de Laplace (statique). Les expériences montrent qu'après une étape conduisant à la déstructuration du ménisque, ce qui le rend plus perméable, la bulle peut s'effondrer, la matière s'engouffrant dans le ménisque avec un comportement rhéofluidifiant. De plus, la nucléation et la croissance d'îlots peut rendre le processus moins dissipatif, ce qui est essentiellement observé dans les films fins.