Dans le contexte énergétique actuel, les pompes à chaleur (PAC) géothermiques sont parmi les technologies les plus performantes pour augmenter l’efficacité énergétique des bâtiments. Par contre le coût initial et l’encombrement des capteurs enterrés traditionnels peuvent être un obstacle à sa diffusion sur le marché des énergies renouvelables. Pour réduire ces coût et encombrement, une réflexion sur l’adjonction d’un système d’appoint et/ou de recharge thermique du sol aux capteurs enterrés est actuellement en cours de tests. Les outils actuels de modélisation des capteurs enterrés obtiennent en effet de bons résultats mais seulement pour un dimensionnement classique en régime permanent. Les modèles existants ne permettent donc pas de représenter correctement les dynamiques rapides des échanges entre le sol et les tubes et cela est d’autant plus vrai si l’on adjoint le système de recharge solaire. Par conséquence, cette thèse a pour objectif de développer les modèles fins et dynamiques nécessaires à l’analyse des phénomènes transitoires dans les capteurs enterrés eux-mêmes. Un maillage fin, sur les bases de la triangulation de Delaunay, est choisi pour le forage ainsi que pour le sol avoisinant. Une approche numérique en 3D (FVM + FEM) peut être obtenue sur les bases de la discrétisation spatiale du domaine. Cette approche appliquée brutalement induirait des temps de calcul très élevés et de toute façon incompatible avec les moyens informatiques ordinaires. Afin de répondre à l’ensemble de ces problèmes, différentes techniques ont été utilisées afin d’accélérer le temps de calcul: décomposition de domaine, emboîtement des pas de temps de calcul pour chaque sous-domaine, réduction des modèles d’états de chaque sous-domaine et finalement couplages temporels et spatiaux des équations de transferts de l’ensemble du problème. Ce dernier est développé particulièrement sur les bases de la méthode des éléments finis. Par ailleurs, un modèle hybride est développé en combinaison de différentes approches. Une approche numérique est adoptée pour la modélisation du puits et la modélisation des transferts de chaleur dans le sol environnant est faite par l’utilisation de solutions analytiques. Ainsi, ce modèle est implanté dans TRNSYS. Une plate-forme expérimentale comprenant trois puits verticaux couplés à une pompe à chaleur géothermique est également présentée. Les résultats expérimentaux sont comparés avec les résultats de la simulation aussi bien au niveau de la température du fluide qu’à la température à différentes profondeurs dans les puits. Le modèle développé donne des résultats très similaires avec ceux qui sont obtenus grâce à l’expérimentation même lors que les pas de temps sont très petits. Il y a des choses à améliorer dans ce modèle développé, mais cela concerne essentiellement l’accélération du temps de calcul. Nous avons constaté que les modèles que nous avons dévéloppés donnent des résultats meilleurs à pas de temps courts que les modèles classiques. Il faut donc bien préciser le domaine d’utilisation de chacun des modèles: consommation sur le long terme, stratégie de contrôle de la PAC, les transferts de chaleur à l’intérieur du puits et etc. De plus, une application du modèle dans le dimensionnement d’échangeurs ainsi que l’investigation de son impact sur le sol avoisinant est également envisagée. Finalement, la méthodologie de modélisation présentée dans ce travail pourrait être aussi utilisé pour différents types d’échangeurs, ouvrant aussi la porte à une analyse fine dans le domaine géothermique. / Ground-source heat pump systems with vertical ground heat exchangers (GHE) are gaining popularity worldwide for their higher coefficients of performance and lower CO2 emissions. However, the higher initial cost of installing the borehole GHEs is a main obstacle to spread the systems. To reduce the required total GHE length and efficiently operate the systems, various systems such as hybrid ones (e.g. solar heat injection) have recently been introduced. Accurate prediction of heat transfer in and around boreholes of such systems is crucial to avoid costly overdesigns or catastrophic failures of undersized systems as it is for typical GCHP systems. However, unlike the traditional sizing methods, it is increasingly required to take into account detailed borehole configuration and transient effects (e.g. short circuit effects between U-tubes). Many of the existing GHE models have been reviewed. Some of these models have serious limitations when it comes to transient heat transfer, particularly in the borehole itself. Accordingly, the objective of this thesis is to develop a model that is capable to accurately predict thermal behaviors of the GHEs. A precise response to input variations even in a short time-step is also expected in the model. The model also has to account for a correct temperature and flux distribution between the U-tubes and inside the borehole that seems to be important in the solar heat injection case. Considering these effects in 3D with a detailed mesh used for describing the borehole configurations is normally time-consuming. This thesis attempts to alleviate the calculation time using state model reduction techniques that use fewer modes for a fast calculation but predict similar results. Domain decomposition is also envisaged to sub-structure the domain and vary the time-step sizes. Since the decomposed domains should be coupled one another spatially as well as temporally, new coupling methods are proposed and validated particularly in the FEM. For the simulation purpose, a hybrid model (HM) is developed that combines a numerical solution, the same one as the 3D-RM but only for the borehole, and well-known analytical ones for a fast calculation. An experimental facility used for validation of the model has been built and is described. A comparison with the experimental results shows that the relatively fast transients occurring in the borehole are well predicted not only for the outlet fluid temperature but also for the grout temperatures at different depths even in very short time-steps. Even though the current version of 3D-RM is experimentally validated, it is still worth optimizing the model in terms of the computational time. Further simulations with the 3D-RM are expected to be carried out to estimate the performance of new hybrid systems and propose its appropriate sizing with correspondent thermal impacts on the ground. Finally, the development of the model 3D-RM can be an initiation to accurately model various types of GHE within an acceptable calculation time.

Dans un contexte de performance énergétique et de durabilité dans le secteur du bâtiment, la maîtrise du comportement hygrothermique des matériaux d'enveloppe, notamment hygroscopiques, est essentielle. Les travaux réalisés concernent la compréhension et la modélisation des transferts de chaleur et d'humidité au sein d'une paroi multicouche de bâtiment composée de matériaux biosourcés.Une attention particulière est portée sur les phénomènes d'hystérésis observés sur les isothermes de sorption. Un modèle numérique 1D développé sur COMSOL Multiphysics est exploité pour simuler en régime transitoire les champs de température et de pression de vapeur dans trois situations. La première concerne l'étude du comportement hygrothermique de matériaux fortement hygroscopique (béton de chanvre) et faiblement hygroscopiques (enduits à base de chaux) soumis à diverses variations cycliques d'humidité relative. Un bon accord est constaté entre les simulations et des mesures d'humidité relative, de température et de teneur en eau. Néanmoins, les résultats présentent une forte sensibilité aux propriétés hydriques. Dans un second temps, une étude est menée sur une paroi de béton de chanvre instrumentée placée dans une enceinte bi-climatique et exposée à des variations de température et d'humidité relative. La confrontation des évolutions mesurées et calculées montre la nécessité de bien définir le champ de teneur en eau initiale. La dernière étude concerne une paroi multicouche (béton de chanvre et enduits). Il apparaît que les enduits jouent un rôle important sur le comportement de la paroi et il est nécessaire de prendre en compte l'influence de la température sur les courbes de sorption. / In a context of energy efficiency and durability in the field of building, the understanding of hygrothermal behaviour of building materials, especially hygroscopic ones, is essential. This study aim to understand and model heat and moisture transfers in a multi-layer building wall made of biosourced materials. We focus in particular on hysteretic phenomena observed on sorption isotherms. A one-dimensional numerical model developed with the COMSOL Multiphysics software is used to simulate transient temperature and vapour pressure in three situations. The first one is about the hygrothermal behaviour of materials, highly hygroscopic (hemp concrete) and lowly hygroscopic (lime-based plasters), exposed to several cyclical variations of relative humidity. A good agreement is observed between simulated and measured values of relative humidity, temperature and moisture content. However, results are highly sensitive to hydric properties. Then, a study is performed on an instrumented hemp-concrete wall built in a bi-climatic chamber and exposed to simultaneous temperature and relative humidity variations. The confrontation between measured and simulated values shows the importance of initial moisture content.

Au sein des discours accompagnant les volontés de transition énergétique, apparaît de manière grandissante une promotion de circulations d’énergie à des échelles infra-urbaines entre des activités diverses. Des acteurs locaux, nationaux ou transnationaux proposent par exemple de valoriser la chaleur dite « fatale », produite par de multiples activités (industries, data centers, eaux usées …). Parallèlement, on promeut le partage de productions d’énergie décentralisées entre différentes fonctions (résidentiel, tertiaire, commercial …) à des échelles allant de l’îlot au quartier. En somme, des formes de connexion entre activités urbaines pour échanger de l’énergie sont promues et les exemples de mise en œuvre se multiplient.Cette thèse propose de saisir ces connexions comme des nouvelles formes de réseaux urbains, qui se substituent ou se superposent à un modèle de grand réseau centralisé plus que centenaire, fondé sur l’efficacité technico-économique, la solidarisation du territoire et la croissance des consommations. Elle vise à comprendre ce que change l’émergence de ces circulations locales à la co-construction de la ville et des réseaux d’énergie.Pour saisir ces transformations, la thèse combine les apports de deux ensembles de travaux. D’un côté, les recherches urbaines et sociotechniques sur les réseaux permettent de saisir les reconfigurations de ces infrastructures. D’un autre, le champ de l’écologie industrielle et territoriale analyse les dynamiques qui mènent à des échanges de flux matériels entre activités humaines. La combinaison de leurs résultats permet ainsi de saisir l’objet considéré dans ses dimensions sociale, technique et métabolique, c’est-à-dire dans une perspective sociomatérielle.L’analyse se fonde principalement sur trois études de cas dont on s’attache à comprendre l’émergence, le fonctionnement et l’évolution : l’approvisionnement du réseau de chaleur de Dunkerque par une source de chaleur industrielle, la récupération de chaleur sur un data center pour approvisionner un quartier de Marne-la-Vallée et la mutualisation des productions d’énergie dans le quartier de La Confluence à Lyon. Plus largement, un regard est porté sur les reconfigurations concrètes ou proposées de l’organisation de la chaîne d’approvisionnement énergétique à la ville.Les résultats de la thèse sont de trois ordres. En premier lieu, ces mises en réseau ne sont plus motivées par la seule efficacité technico-économique de la forme réticulaire pour l’approvisionnement du territoire. Les intérêts des différents acteurs impliqués ont tous à voir avec un objectif d’optimisation de l’usage des flux : on passe ainsi d’une recherche d’efficacité technico-économique à celle d’une efficacité métabolique. En second lieu, les réseaux qui émergent de ces échanges sont instables, tout particulièrement en raison des incertitudes quant à l’évolution à court et à long terme des flux disponibles. Ainsi, ils ne reproduisent pas l’effet solidarisant permis par la stabilité des grands réseaux conventionnels. Enfin, face à ces instabilités, les acteurs proposent des évolutions qui visent à réduire les dépendances à des flux incertains. Ces évolutions ont pour caractéristique de s’appuyer sur une croissance du réseau qui ne suit plus un objectif d’universalisation. Au contraire, une forte sélection spatiale de l’extension du réseau est opérée, en fonction de la matérialité des flux perçue par les acteurs. Plutôt que d’engendrer de nouvelles consommations dans une logique d’offre, il s’agit ainsi d’intégrer de nouveaux flux déjà présents sur le territoire.En somme, la thèse montre un certain « tournant métabolique » dans le processus de mise en réseau de la ville par l’énergie. Alors que l’extension des infrastructures est pendant longtemps restée au centre des problématiques de construction des réseaux, les flux produits et consommés qui préexistent sur le territoire peuvent à présent être la motivation première de la création de connexions / Within the framework of the ongoing energy transition objectives, energy circulations at the infra-urban level are increasingly promoted. For instance, local, national and transnational stakeholders suggest the reuse of heat currently being wasted by diverse human activities (industries, data centres, wastewaters …). Alternatively, distributed energy sharing between different urban functions (residential, services, retail …) at the urban block or district scale is promoted. In short, several forms of connections through energy exchange between urban activities are encouraged and examples of those are multiplying.The thesis offers to capture those connections as new forms of urban networks that supersede or overlap a century-old network model based on techno-economic efficiency, socio-economic and socio-spatial solidarity and consumptions growth. It aims at understanding what these local circulations change to the co-construction of cities and energy networks.To do so, the approach combines the results of two different strands of work. On the one side, urban and sociotechnical studies of networked infrastructures allow to understand the reconfigurations of those systems. On the other side, industrial ecology works analyse the dynamics that lead to material circulations between human activities. The articulation of their results makes it possible to grasp the considered object in its social, technical and metabolic dimensions, that is, in a sociomaterial perspective.The analysis is mainly based on three French case studies of which the emergence, running and evolution are investigated: industrial waste heat reuse in the heat network of the city of Dunkirk, heat extraction from a data center to be distributes the in a district of Marne-la-Vallée and energy sharing in the La Confluence district in Lyon. More broadly, suggested or implemented reconfigurations of the organisation of energy provision are reviewed.The results of the study are threefold. First, these new forms of urban network are not solely motivated by techno-economic efficiency. The interests of the stakeholders all come into alignment with an objective of optimization of energy flows uses: from techno-economic efficiency, the goal becomes metabolic efficiency. Second, the networks formed by those circulations are unstable, in particular because of the uncertainties that regard short and long term availability of energy flows. Hence, they do not reproduce the solidarities that emerge from conventional large and stable networks. Third, to reduce those instabilities, actors suggest evolutions that aim at reducing their dependencies on uncertain flows. These evolutions all result in the growth of the network, but do not follow an objective of universalisation. On the contrary, an important spatial selection is operated, according to the perceived materiality of flows by actors. Instead of leading to new consumptions in a supply rationale, the logic becomes one of existing flows integration.To sum up, the thesis shows a “metabolic turn” in the process of networking the urban through energy circulations. While infrastructures extension has long been at the centre of networks construction, pre-existing produced and consumed flows can now become the primary motivation of building connections

L'Ilot de Chaleur Urbain (ICU) est l'un des phénomènes du changement climatique les plus documentés. Il est le résultat de températures plus élevées dans le centre des villes que dans leurs banlieues ou les zones rurales alentour et peut avoir des conséquences néfastes sur les habitants des villes, notamment au niveau de la qualité de l'air, la consommation d'énergie, la santé publique et même le taux de mortalité. À Beyrouth, capitale du Liban, la littérature scientifique existante dénote un déficit de recherche sur ce sujet. L’objectif de cette thèse est donc d'étudier l'intensité de l'ICU à Beyrouth, d'identifier les mesures les plus appropriées susceptibles d'en alléger les effets d'un point de vue technique, d'en évaluer les conséquences sur les politiques d'urbanisme et de faire des propositions pour la planification urbaine et la conception des bâtiments à Beyrouth. Dans cette thèse, l'ICU à Beyrouth a été étudié à l'aide du modèle Town Energy Balance (TEB), outil de modélisation servant à calculer les échanges d'énergie et d'eau entre les villes et l'atmosphère, développé par Météo France (Masson, 2000). TEB est inclus dans le système de modélisation des surfaces continentales SURFEX. SURFEX est une contraction de « Surface Externalisée » et c'est un code qui modélise les processus d'échange d'énergie entre l'atmosphère et les surfaces urbaines. Des simulations ont été effectuées à Beyrouth durant une journée, en hiver, le 1er janvier de 00:00 UTC (soit 02:00 heure locale) à 23:00 UTC et une journée, en été, le 1er juillet de 00:00 UTC à 23:00 UTC à des intervalles d'une heure. En été, des écarts significatifs allant jusqu'à 6°C ont été enregistrés pour les températures de canyon. Typiquement, les températures les plus élevées ont été enregistrées dans les zones à forte densité de construction où la part de surfaces travaillées par l'homme est la plus grande et où on a mesuré les albédos les plus bas (généralement 0.2). En hiver, les écarts de température ont été moins significatifs avec un différentiel de 1°C entre les zones à forte densité de construction et les espaces naturels. On en a déduit que les zones avec une grande proportion de végétations ont un rôle réfrigérant à Beyrouth. De plus, nous avons mesuré un écart significatif dans la consommation d'énergie pour la climatisation en été dans différentes parties de Beyrouth ; les simulations ont déterminé la demande requise d'énergie à 50 W/m2 dans les quartiers caractérisés par une grande proportion de jardins et jusqu'à 800 W/m2 dans les quartiers à forte densité de construction. En hiver également, les simulations ont montré des écarts importants au niveau de la demande d'énergie pour le chauffage dans différents quartiers de Beyrouth variant de 20 à 300 W/m2. Six scénarios ont été modélisés sur TEB et ils ont indiqué que l'augmentation de la surface des végétations et l'augmentation de l'albédo des toits produisaient les effets de refroidissement les plus notables. Cette thèse a mis en évidence des opportunités pour améliorer les lois de l'Urbanisme et le Code de la Construction au Liban pour une meilleure prise en compte des aspects microclimatiques urbains et recommande la mise en place de stratégies pour le développement d'espaces verts urbains et pour l'optimisation du refroidissement par les toits. Cette thèse a donc contribué à une meilleure compréhension de l'environnement urbain de la ville de Beyrouth et des paramètres urbains pouvant avoir le plus grand impact sur la réduction des effets de l'ICU. Ce faisant, cette étude a préparé le terrain pour des travaux plus poussés en vue de réduire les effets de l'ICU à Beyrouth dans le but de créer un environnement confortable et sain pour ses habitants et pour les générations futures / The urban heat island (UHI) is one of the more commonly documented phenomena of climate change. It is related to higher urban temperatures in the city centers as compared to the surrounding rural or suburban areas and can lead to unpleasant effects on urban dwellers not least of all on air quality, energy consumption levels, human health, and even mortality rates. In Beirut, the capital city of Lebanon, the literature clearly points to a lack of research on this topic. In addition, there is no evidence that there is a systematic transfer of urban climatic knowledge between concerned stakeholders like urban planning and environmental authorities which is cause for concern given the ever-increasing worldwide attention being given to climate change adaptation and mitigation measures and sustainable city developments. The objective of this research is to therefore investigate the intensity of UHI in Beirut, to identify most suitable measures to alleviate the effects of UHI from a technical perspective, to assess the implications on urban planning processes and to accordingly find opportunities for planning and design practices in Beirut. Beirut is a coastal city that sits on a peninsula that extends westward into the Mediterranean Sea. It covers a surface area of about 20 square kilometers, has a population of approximately 500,000 inhabitants, with a very high population density of about 21,000 inhabitants / km2.The UHI in Beirut was investigated using the Town Energy Balance (TEB) urban surface exchange modeling scheme developed by Météo France (Masson, 2000). TEB is included in the SURFEX land-surface modeling system. SURFEX means “surface externalisée” and it is a code that represents the energy exchange processes that occur between the atmosphere and the urban surfaces. Simulations were accordingly run across Beirut using TEB for 1 day during the winter season on 1 January, from 00:00 UTC (equivalent to 2:00AM local standard time) to 23:00 UTC, and 1 day during the summer season on 1 July from 00:00 UTC to 23:00 UTC with one hour time steps or one hour output results. During the summer significant variations of up to 6oC were found for canyon temperatures whereas areas characterized by dense urban fabrics had higher temperatures typically due to the larger fraction of man-made as opposed to natural surfaces and due to the lower albedo values (generally 0.2). During the winter, temperature variations were not as significant, differing by up to 1oC between aforementioned areas across Beirut. Therefore areas with high garden fractions were found to play an important cooling effect in the simulations for Beirut. In addition, a significant variation in cooling energy usage was found during the summer across Beirut where simulations showed energy demands as low as 50 W/m2 in areas characterized by higher garden fractions whereas simulations were much higher, up to 800 W/m2, in areas with dense urban fabrics. In the summer heating energy demands were also significant ranging from as low as 20-300 W/m2 across Beirut. Six scenarios were also run on TEB which showed that increasing the albedo of roofs and the fraction of gardens had the most noteworthy cooling effects. This research found that there are opportunities for improvement of the Urban Planning Law and the Building Code of Lebanon for better consideration of the urban microclimatic issues and recommended emphasis on urban greening strategies and cool roofing strategies. this thesis contributed to a better understanding of the urban environment of the city of Beirut and the respective urban parameters that have the most significant impact on reducing some of the impacts of the urban heat island phenomenon. In doing so, this research has paved the way for further work on reducing the UHI effect in Beirut, with the ultimate aim of creating a comfortable and safe environment for its residents, and future generations

Le GIEC (groupe d’expert Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat) dans leur 4 ème rapport souligne que les villes européennes seront impactées par des épisodes caniculaires plus fréquents et plus intenses dû aux modifications climatiques ayant lieu au cours du XXI ème siècle. La ville, espace climatique particulier, sensiblement plus chaud que son espace environnant amplifie le phénomène de l’îlot de chaleur urbain (ICU). Pour la ville de Paris, les îlots de chaleur urbains peuvent dépasser de 8 à 10°C les températures relevées quelques kilomètres plus loin. Cet effet est d’autant plus néfaste lors de période caniculaire comme a connu la France en 2003, 2006, 2010 ou bien même en 2015. La connaissance sur le phénomène de la canicule nécessite de mettre en relation des données autant spatiales que temporelles afin de définir des zones à risques .Pour pouvoir simuler une canicule, le modèle SURFEX-TEB, conçu par Météo-France, CNRS, a été choisi. Il permet d’estimer la température en ville à partir de conditions climatiques des plus hautes atmosphères. Ces prévisions sont importantes notamment en période de canicule où les écarts de température entre la ville et sa banlieue peuvent dépasser 8C°. Le risque caniculaire, induit par les ICU, est complexe à appréhender et à représenter.Pour caractériser, appréhender et représenter la canicule, avec l’aide du modèle SURFEX-TEB, nous avons effectué une assimilation avec des mesures réalisées pendant la canicule de 2015 sur Paris. Cette assimilation met en évidence par exemple les phénomènes d’accumulation et l’impact des configurations des appartements sur les températures intérieures et extérieures. Nos différentes configurations ont permis de confirmer l’importance de considérer les températures intérieures lors de périodes caniculaires.Ce travail de recherche propose donc un éclairage spécifique et technique de la représentation des canicules. Son objectif est une meilleure représentation des canicules et l’estimation de leur dangerosité en fonction de la durée du phénomène, de son intensité et des caractéristiques urbaines et humaines. Des cartes décrivant la canicule et sa dangerosité sont mises en valeur grâce à l’élaboration d’un site web grand public.Les résultats de cette recherche soulèvent une interrogation sur les seuils de canicule. Ils soulignent l’importance d’introduire un seuil de canicule intérieur et démontrent le rôle de la configuration urbaine et en particulier des types d’habitation pour mieux prendre en compte la dangerosité des canicules et espérer mieux atténuer leurs effets / The IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) in its 4th report underlines that the European cities will be impacted by more frequent and more intense scorching episodes due to the climatic modifications taking place during the XXIth century. Peculiar climatic areas, significantly hotter than their surroundings, cities amplify the phenomenon of the urban heat island (UHI). In the example of Paris, the urban islands of heat can exceed by 8°C to 10°C the temperatures measured a few kilometers away. This effect is all the more fatal as heat wave periods become more and more regular (2003, 2006, 2010, 2015). The knowledge on the heat wave phenomenon requires to put in relation spatial and temporal data so as to define high-risk areas.To be able to simulate a heat wave, the SURFEX-TEB model, designed by Météo-France, and CNRS, was chosen. It allows to estimate the temperature in town from weather conditions of the highest atmospheres. These forecasts are particularly important in heat wave periods where temperature differences between cities and suburban areas can exceed 8°C. The heat wave risk, resulting from the UHI, is complex to both understand and represent.To characterize, understand and represent the heat wave by the means of the SURFEX-TEB model, we made a data fusion with measures realized during the 2015 heat wave in Paris. This assimilation highlights, for instance, the accumulation phenomena and the impact of the apartments configuration on the inside and outside temperatures. Our various configurations allowed to confirm the importance of taking into account the internal temperatures during heat waves periods.This research thus proposes a specific and technical perspective of the heat waves representation. Its objectives are a better representation of heat waves and a sharper estimation of their dangerousness according to the phenomenon duration, its intensity and the urban and human features. Maps describing the heat wave and its dangerousness are highlighted thanks to the elaboration of a public Web site.The results of this research rise an interrogation on the thresholds of heat wave. They underline the importance to introduce an internal threshold of heat wave and demonstrate the role of the urban configuration, particularly the types of house. This should contribute to better take into account the dangerousness of heat waves and to improve the mitigation of their effects

Le développement actuel de la technologie induit une constante nécessité d’obtenir des tailles de plus en plus petites pouvant descendre jusqu’à des dimensions micrométriques et sub -micrométriques. L’ablation laser, qui a le grand avantage d’un enlèvement de matière très précis, est un candidat prometteur. Dans cette thèse on démontre la faisabilité de tirer avantage des impulsions laser femtosecondes avec la matière pour la micro et nano structuration, et ceci en ayant développé une machine compacte de grande précision et flexibilité. Une approche théorique comparant les régimes d’interaction à haute et basse cadence est présentée. Des investigations de l’efficacité du temps de procédé aussi bien que l’effet de la cadence pendant l’ablation de métaux ont été effectuées. Le potentiel de l’outil multifonctionnel couplé avec un oscillateur laser femtoseconde à haute cadence est montré pour différentes applications en biotechnologie. Les résultats sur la cartographie d’une large zone aussi bien que la nano découpe de précision de tissus biologiques et de matériaux variés sont présentés. Cet outil polyvalent couvre de larges domaines de recherche de la nano découpe d’échantillons biologiques aussi bien que la nanostructuration de différents types de matériaux. C’est d’un grand intérêt pour de nombreuses applications en science des matériaux, nanobiotechnologie et nanomédecine / The current development of technology makes constant the necessity of getting smaller and smaller features sizes down to micrometer and sub micrometer scales. Laser ablation, which has the great advantage of precise material removal, is a promising candidate. In this dissertation we have demonstrated the feasibility to take advantage of the interaction of femtosecond laser pulses with matter for micro- and nano-structuration and this by having developed a compact and high accurate and flexible apparatus. An analyse of the specific physical mechanisms of laser-matter interaction in the femtosecond regime is presented. Investigations on processing time efficiency as well as the effect of the repetition rate during ablation of metals have been performed. The potential of the multifunctional tool coupled with a compact high repetition rate femtosecond oscillator is shown for different applications in biotechnology. Results on large area mapping as well as accurate nanoprocessing of biological tissue and various materials are presented. This versatile tool covers wide research fields from the nanoprocessing of biological samples as well as the nanostructuring of different type of materials. It is of great interest for many applications in material science, nanobiotechnology and nanomedicine

Nous considérons dans cette thèse la discrétisation par la méthode spectrale et la simulation numérique de l'écoulement d'un fluide visqueux incompressible occupant le domaine ? modélisé par les équations de Navier-Stokes. Nous avons choisi de les coupler avec l'équation de la chaleur dans le cas ou la viscosité dépend de la température avec des conditions aux limites portant sur la vitesse et la température.La méthode s'avère optimale en ce sens que l'erreur obtenue n'est limitée que par la régularité de la solution. Elle est de type spectrale. Nous donnons des estimations d'erreur a priori optimales et nous confirmons l'étude théorique par des résultats numériques. Nous considérons aussi les équations de Navier-Stokes/chaleur instationnaires dont nous proposons une discrétisation en temps et en espace en utilisant le schéma d'Euler implicite et les méthodes spectrale. Quelques expériences numériques confirment l'intérêt de la discrétisation. / In this thesis we consider the discretization by spectral method and the numerical simulation of a viscous incompressible fluid in the domain ?, the model being the Navier-Stokes equations. We have chosen to couple them with the heat equation where the viscosity of the fluid depends on the temperature, with boundary conditions which involve the velocity and the temperature. The method is proved to be optimal in the sense that the order of convergence is only limited by the regularity of the solution. The numerical analysis of the discrete problem is performed and numerical experiments are presented, they turn out to be in good coherence with the theoretical results. Finally, we consider the unsteady Navier-Stokes/heat equations which models the time-dependent flow. We propose a discretization of this problem that relies on a backward Euler's scheme in time and spectral methods in space and present some numerical experiments which confirm the interest of the discretization.

Cette thèse se donne comme ambition de montrer que la simulation numérique de transfert de chaleur et de masse dans un milieu poreux, peut être traitée de manière efficace par un programme de calcul basé sur une discrétisation spatiale de type spectral. La méthode spectrale s'avère optimale en ce sens que l'erreur obtenue n'est limitée que par la régularité de la solution. Le point de départ de cette étude est le système des équations de Darcy non linéaire et non stationnaire qui modélise l'écoulement instationnaire d'un fluide visqueux dans un milieu poreux quand la perméabilité du milieu dépend de la pression. Le deuxième problème proposé est le transfert de la chaleur dans un milieu poreux décrit par un couplage des équations de Darcy avec l'équation de la chaleur. Dans la dernière partie, la concentration de masse est prise en compte dans le milieu, nous décrivons un problème non linéaire instationnaire qui modélise le transfert de chaleur et de masse dans un milieu poreux.Dans les trois problèmes proposés, les résultats d'existence et unicité sont établis. Puis les problèmes discrets correspondants sont décrits. Nous avons prouvé des estimations d'erreur a priori et nous avons confirmé l'étude théorique par des résultats numériques. / This thesis aims to show that the numerical simulation of heat and mass transfer in porous media can be effectively treated by a numerical program which is based on a space discretization of spectral type. The spectral method is optimal in the sense that the error obtained is only limited by the regularity of the solution. The starting point of this study is the system of nonlinear unsteady Darcy equations that models the unsteady flow of a viscous fluid in a porous medium when the permeability of the medium depends on the pressure. The second problem which we study models transfer of heat in a porous medium which is described by Darcy equations coupling with the heat equation. In the last part, the concentration of mass is taken into account in the medium, we describe a nonlinear problem that models unsteady transfer of heat and mass in porous media. In the three proposed problems, the results of the existence and the uniqueness are established. Then the corresponding discrete problems are described. We prove the error a priori estimates and we confirm the theoretical study with numerical results.

Dans la première partie de cette thèse, nous obtenons l’existence d’une densité et des estimées gaussiennes pour la solution d’une équation différentielle stochastique rétrograde. C’est une application du calcul de Malliavin et plus particulièrement d’une formule d’I. Nourdin et de F. Viens. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à la simulation d’une équation aux dérivées partielles stochastique par une méthode probabiliste qui repose sur la représentation de l’équation aux dérivées partielles stochastique en terme d’équation différentielle doublement stochastique rétrograde, introduite par E. Pardoux et S. Peng. On étend dans ce cadre les idées de F. Zhang et E. Gobet et al. sur la simulation d’une équation différentielle stochastique rétrograde. Dans la dernière partie, nous étudions l’erreur faible du schéma d’Euler implicite pour les processus de diffusion et l’équation de la chaleur stochastique. Dans le premier cas, nous étendons les résultats de D. Talay et L. Tubaro. Dans le second cas, nous étendons les travaux de A. Debussche. / No English summary available.

Le marché du gaz naturel liquéfié (GNL) est en plein essor et présente l'avantage de diversifier les approvisionnements. Le GNL est acheminé à une température de -162 °C et à pression atmosphérique. L'objet principal de la thèse vise à valoriser l'exergie contenue dans le GNL lors de sa gazéification et de son réchauffage avant d'être distribué sur le réseau. La thèse étudie un nouveau concept de gazéification qui se différentie des développements en cours par l'usage de l'air ambiant comme seule source de chaleur et par la valorisation d'une partie de l'exergie du GNL en énergie mécanique.Une analyse énergétique et exergétique a permis de définir des architectures de cycles moteurs utilisant l'énergie calorifique de l'air comme source chaude (récupérée par un fluide intermédiaire qui est le propane) et le GNL comme puits froid.L'usage de l'air ambiant conduit à gérer les cycles de givrage et dégivrage sur les évaporateurs du fluide intermédiaire récupérant les calories de l'air. Ceci nécessite la compréhension des phénomènes couplés de transferts de chaleur et de masse. Pour cela un banc d'essai a été construit afin de caractériser des échangeurs à ailettes rondes discontinues en condition de givrage et de valider un modèle numérique simulant le comportement de ces échangeurs en présence de givre. Cette modélisation a permis de proposer une logique de dimensionnement et d'exploitation des évaporateurs à air en prenant en compte l'effet du givre. Une étude saisonnière a montré que le procédé proposé est énergétiquement excédentaire tout au long de l'année. / The market of liquefied natural gas (LNG) is growing and presents the advantage of diversifying supplies. The LNG is fed at a temperature of -162°C and at atmospheric pressure. The main objective of the thesis aims at the valorization of the LNG exergy during its gasification and heating before being delivered through the network. The thesis investigates a new concept of gasification that differs from the current developments by the use of ambient air as the only heat source and by partial valorization of the LNG exergy in mechanical energy.An energy and exergy analysis helped to the definition of engine-cycle architectures using the air heating capacity as a heat source (recovered by an intermediate fluid, here propane) and LNG as a cold sink.The use of ambient air led to manage frosting and defrosting cycles on the evaporators of intermediate fluid recovering heat from the air. This requires understanding the coupled heat and mass-transfer phenomena. A test bench was built to characterize Circular Finned-Tube Heat Exchangers in frosting conditions and to validate a numerical model simulating the behavior of such heat exchangers in presence of frost. As a result, a logic for the design and operation of air heat exchangers is proposed taking into account the frosting effect. A seasonal study showed that the output power generated by the new concept of gasification is superior to its energy consumption throughout the year.