Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Les structures planaires de tailles finies sont de plus en plus utilisées dans les applications des satellites et des radars. Deux grands types de ces structures sont les plus utilisés dans le domaine de la conception RF à savoir Les Surfaces Sélectives en Fréquence (FSS) et les Reflectarrays. Les FSSs sont un élément clé dans la conception de systèmes multifréquences. Elles sont utilisées comme filtre en fréquence, et trouvent des applications telles que les radômes, les réflecteurs pour antenne Cassegrain, etc. Les performances des FSSs sont généralement évaluées en faisant l'hypothèse d'une FSS de dimension infinie et périodique en utilisant les modes de Floquet, le temps de calcul étant alors réduit quasiment à celui de la cellule élémentaire. Plusieurs méthodes permettant la prise en compte de la taille finie des FSSs ont été développées. La méthode de Galerkin basée sur l'approche rigoureuse permet la prise en compte des interactions entre les différents éléments du réseau, mais cette technique ne fonctionne que pour les FSSs de petite taille, typiquement 3x3 éléments. Pour les grands réseaux, cette méthode n'est plus adaptée, car le temps de calcul et l'exigence en mémoire deviennent trop grands. Donc, une autre approche est utilisée, celle basée sur la décomposition spectrale en onde plane. Elle permet de considérer un réseau fini comme un réseau périodique infini, illuminé partiellement par une onde plane. Avec cette approche, des FSSs de grande taille sont simulées, mais elle ne permet pas dans la plupart des cas, de prendre en compte les couplages qui existent entre les différentes cellules du réseau, les effets de bord non plus. La simulation des FSSs par les méthodes numériques classiques basées sur une discrétisation spatiale (méthode des éléments finis, méthode des différences finies, méthode des moments) ou spectrale (méthodes modales) aboutit souvent à des matrices mal conditionnées, des problèmes de convergence numérique et/ou des temps de calcul e xcessifs. Pour éviter tous ces problèmes, une technique appelée technique par changements d'échelle tente de résoudre ces problèmes. Elle est basée sur le partitionnement de la géométrie du réseau en plusieurs sous-domaines imbriqués, définis à différents niveaux d'échelle du réseau. Le multi-pôle de changement d'échelle, appelé Scale-Changing Networks (SCN), modélise le couplage électromagnétique entre deux échelles successives. La cascade de ces multi-pôles de changement d'échelle, permet le calcul de la matrice d'impédance de surface de la structure complète et donc la modélisation globale du réseau. Ceci conduit à une réduction significative en termes de temps de calcul et d'espace mémoire par rapport aux méthodes numériques classiques. Comme le calcul des multi-pôles de changement d'échelle est mutuellement indépendant, les temps d'exécution peuvent encore être réduits de manière significative en parallélisant le calcul. La SCT permet donc de modéliser des FSSs Finies tout en prenant en compte le couplage entre les éléments adjacents du réseau.

Ce travail de thèse poursuit l'objectif d'une simulation numérique multiéchelle d'un assemblage de réacteur à neutrons rapides. Malgré la puissance croissante des ordinateurs, la CFD fine complète d'un tel système demeure extrêmement coûteuse dans un contexte de recherche et développement. Nous proposons alors, une fois déterminé le comportement thermohydraulique moyen de l'assemblage, de reconstruire localement l'information aux fines échelles, l'ensemble de la démarche requérant un temps de calcul bien moindre qu'une simulation de la totalité de la structure. La description à l'échelle moyenne est obtenue soit par le formalisme de prise de moyenne volumique en milieu poreux, soit via une approche alternative historiquement développée pour les assemblages de RNR-Na. Elle fournit des informations utilisées comme contraintes d'un sous-problème de raffinement d'échelle, par l'intermédiaire d'une technique de pénalisation des équations de conservation locales. Ce sous-problème exploite le caractère périodique de la structure en s'appuyant sur des conditions aux limites de périodicité des champs recherchés ou de leur déviation spatiale. Après validation des méthodologies sur des applications modèles, nous entreprenons leur mise en oeuvre sur des configurations " industrielles " qui démontrent la viabilité de cette approche multiéchelle.

Lorsqu'un fluide complexe s'écoule à travers un milieu poreux, à la non-linéarité de l'écoulement s'ajoute la spécificité de la structure poreuse, qui est souvent multi-échelle. Il émerge alors un grand nombre de problématiques fondamentales liées à l'interaction entre le fluide et la structure poreuse. L'interprétation et la modélisation de la grande variété des phénomènes physiques à petite échelle ainsi que leurs répercussions à grande échelle soulèvent de nombreuses questions. Dans cette thèse, les fluides étudiés sont des solutions de polymères, et les milieux poreux sont, entre autre, des roches issues de réservoirs pétroliers. Dans le contexte des méthodes de récupération améliorée pour les gisements pétroliers, l’injection d’eau avec polymères fait en effet partie des méthodes couramment utilisées, permettant d’augmenter l’efficacité du balayage et donc la production d’huile sur différents types de réservoirs. De part la rhéologie non-Newtonienne ainsi que les phénomènes particuliers proches de la paroi que développent les molécules de polymères, les fluides modélisés dans cette thèse peuvent être qualifiés de complexes. L'objectif de cette thèse est d'étudier la rhéologie non-Newtonienne ainsi que le comportement des molécules de polymère proches de la paroi. On relie alors ces phénomènes aux propriétés effectives macroscopiques. Pour cela, on simule numériquement les écoulements à travers desimages tomographiques de milieux poreux. Ainsi, on souhaite mieux cerner la physique qui est en jeu et également proposer des pistes d'amélioration des modèles actuellement implémentés dans les simulateurs de réservoirs. Dans une première partie de ce travail de thèse, on s'intéresse à la transition du régime d'écoulement macroscopique, de Newtonien à non-Newtonien, induite parune solution de polymère. Par des simulations numériques de l'écoulement à travers un large panel de milieux poreux, on étudie la transition entre ces deux régimes. Une analyse de la mécanique de l'écoulement permet de proposer un modèle simple et d'évaluer en ordre de grandeur la vitesse moyenne de transition. Ensuite, on étudie le glissement apparent induit par un mécanisme de répulsion des chaînes de polymère à la paroi liquide/solide. On propose un modèle à l'échelle des pores de ce phénomène et, par comparaison avec des données expérimentales,on montre que ce modèle permet de retrouver avec une précision acceptable les comportements macroscopiques observés. Enfin, avec des simulations directes sur des milieux périodiques, on relie les phénoménologies micro- et macroscopiques d'écoulements non-Newtoniens. D'un point de vue fondamental, on étudie notamment la compétition entre la non-linéarité induite par la rhéologie non-Newtonienne et le désordre inhérent à la structure poreuse. Les modèles actuellement utilisés dans les simulateurs de réservoirs sont reconsidérés au vu des résultats. / When a complex fluid is flowing through a porous medium, in addition to the fluid intrinsic physics, the multi-scale properties of the porous structure play a significant role. From the interaction between these features arise a great number of complex physical phenomena. The understandingand the modelling of the variety of these phenomena involved at the small scales and their impact on the large scales is the subject of intense work. In this thesis, the fluids we consider are polymer solutions and the porous media are typical sandstones met in petroleum applications. In petroleumengineering, the injection of a polymer slug into the oil-bearing reservoir is indeed a method commonly used in enhanced oil recovery. This method allows to increase the sweep efficiency, hence to improve the oil production of the reservoir. Due to the non-Newtonian rheology induced by the polymer molecules as well as specific mechanisms occurring at the liquid/solid interface, a polymer solution may be qualified as a complex fluid. The goal of this thesis is to investigate the non-Newtonian rheology and the behaviour of the polymer molecules near the liquid/solid interface. These phenomena are related to macro-scale effective properties. To thoroughly address this goal, we perform numerical simulations of flows through porous media. The goal is to obtain a better understanding of the underlying physics and, furthermore, we wish to propose possible improvements of the models that are currently used in reservoir simulators. Primarily, we are interested in the macro-scale transition from a Newtonian to a non-Newtonian flow. This transition is induced by the non-Newtonian rheology. By simulating flows through a wide panel of porous media, we study the macro-scale transition. An analysis of the fluid mechanics involved allows us to propose a simple model for the critical average velocity at which the transition occurs. In addition, we study the apparent slip induced by a repulsive mechanism of the polymer chains from the liquid/solid interface. We propose a pore-scale model to this mechanism. By performing comparisons with experimental datasets, we show that the model allows for a good description of the observed macro-scale behaviour. Finally, with direct simulations over periodic media, we link the phenomenology at the micro- and macro-scale for the flow of non-Newtonian fluids. On a fundamental level, we study the competition that emerges between the nonlinearity induced by the rheology and the disorder inherent to the porous structure. The results are related to modelscommonly used in reservoir simulators.

L’ESS porte en elle des promesses de développement et d'émancipation citoyenne à l'échelle des territoires et des sociétés (Eynaud 2015 ; Laville, 2016 ; Laville, Young et Eynaud, 2015 ; Valéau, 2016). L'objectif général de cette thèse est de tenter de mieux comprendre ce qui permet le changement d'échelle de l'économie sociale et solidaire (ESS), c'est-à-dire l'institutionnalisation de logiques économiques, sociales et solidaires pérennes portée par les acteurs agissant en réseau. Suivant une démarche qualitative de type théorisation ancrée, sur la base de l'approche établie par Desjeux (2004), nous avons procédé à une analyse chronologique du cas de La Réunion de 2000 à 2016. L'analyse des articulations entre lesniveaux macro, micro et méso socioéconomiques nous a permis de mettre en évidence les changements dans les relations entre ces échelles et le caractère contingent des possibilités d'action institutionnelle en réseau. / SSE bears the promise of socioeconomic development and citizen emancipation at the territorial and societal level (Eynaud 2015; Laville, 2016; Laville, Young & Eynaud, 2015; Valéau, 2016). The overall objective of this dissertation is to better understand the factors that allow SSE to operate on a larger scale, i.e. institutionalizing sustainable social and solidarity rationality promoted by actors gathering in networks. Based on qualitative grounded theory, drawing on Dejeux’s (2004) method, we provide a chronological analysis of the case of Reunion from 2000 to 2016. The examination of the articulation between macro, micro and meso socioeconomic levels highlights the changes in in the relationships between them and the contingent nature of the possibility for networks to take institutional action.

La technologie la plus utilisée pour séparer les principaux composants de l'air est aujourd'hui ladistillation en colonne à garnissage structuré. Ce procédé se caractérise par un écoulement gazliquide contre-courant au sein d'une structure constituée de plaques corruguées placées parallèlement et agencées en packs. La description d'un tel procédé est rendue difficile par les très grandes dimensions du système et par la complexité des phénomènes à la petite échelle. La méthode de la prise de moyenne volumique, utilisée pour les problèmes de changement d'échelleen milieu poreux, est utilisée pour décrire le système à une échelle qui permet une résolution. Le travail est organisé en trois étapes. Dans un premier temps, pour les débits modérés, une méthode est proposée pour évaluer la perte de charge au sein de la structure en prenant en compte des rugosités de structure ou créées par des instabilités du film liquide. A ce stade, l'effet de la surface rugueuse est caractérisé par une condition limite effective. Le problème aux limites effectif pour la phase gaz est ensuite moyenné en volume pour obtenir un système d'équations à grande échelle. Le bilan de quantité de mouvement à grande échelle est une loi de Darcy généralisée aux écoulements inertiels, dans laquelle les paramètres effectifs contiennent les effets des instabilités de surfaces de la petite échelle. La seconde étape est dédiée à l'interaction entre les deux phases à plus hauts débits. On montre que des modèles qui incluent explicitement des termes croisés à grande échelle permettent de décrire l'écoulement au sein du garnissage à grands nombres de Reynolds. Plus généralement, ces modèles, peu utilisés dans la littérature sur les milieux poreux, s'avèrent adaptés pour les écoulements dans les milieux très perméables, pour lesquels des variations importantes de la perte de charge et des saturations sont observées. Enfin, on s'intéresse à la description de la distribution de la phase liquide au sein de la structurede garnissage. Une approche multiphasique, où la phase liquide est séparée en plusieurs pseudophases, est adaptée pour modéliser l'anisotropie de l'écoulement. Deux méthodes impliquant une approche à deux pseudo-phases et une approche à quatre pseudo-phases pour la phase liquide sont comparées. Cette dernière méthode est notamment utile pour décrire des régimes d'écoulement très différents, et permet de capturer à grande échelle les chemins préférentielssuivis par le film liquide au sein du garnissage. / Distillation in columns equipped with structured packings is today the most used technology for separating air in its primary components. This process is characterized by a counter-current gasliquid flow in a structure made of parallel corrugated sheets arranged in packs. The description of such system is constrained by the large dimensions of the columns and by the complexity of the local-scale phenomena. This leads to consider a strategy of upscaling, based on the volume averaging method, to describe the system at a scale at which a resolution is possible. The work is organized in three steps. As a first step, considering moderate flow rates, a methodology ofupscaling is developed to predict the pressure drop in the flow of the gas phase taking into account small scale roughnesses due to the structure itself or perturbations of the liquid film. At this stage, the effect of this rough surface is characterized by an effective boundary condition. The boundary value problem for the flow of the gas phase is volume averaged in order to derive a system of equations at large scale. The resulting momentum balance is a generalized Darcy's law for inertial flows, involving effective parameters accounting for the roughness at the microscale. The second step of this work focuses on the interaction between the two phases at higher flow rates. It is shown that models involving non-standard macroscopic cross-terms are more prone to describe the flow in packings at high Reynolds numbers than the models usually used in porousmedia sciences. More generally, these models are shown to characterize accurately processes in highly permeable media, where drastic changes of pressure drop and retention are observed. We finally study the distribution of the liquid phase in the structured packing. It is shown that a specific approach involving a multiphase model with liquid decomposition is required to capture the anisotropy generated in the flow of the liquid phase. Two methods involving two pseudo-phases and four pseudo-phases for the liquid phase are compared. This last method captures a number of very different distribution regimes in the column and offers additional flexibility to describepreferential paths of the liquid.

Cette thèse s'inscrit dans le développement de la plateforme EauDyssée de modélisation intégrée des hydrosystèmes régionaux, au sein du bassin pilote de la Seine. L'objectif principal est de contribuer à une meilleure simulation des tirants d'eau à l'échelle régionale afin d'améliorer la simulation des interactions nappe-rivière et de mieux quantifier les niveaux piézométriques dans les aquifères. La première partie de la thèse vise à évaluer la sensibilité d'un modèle hydraulique à la précision de la description géomorphologique des lits pour identifier le meilleur compromis entre parcimonie et réalisme et identifier les facteurs morphologiques les plus importants pour obtenir une simulation satisfaisante des tirants d'eau à l'échelle régionale. Cette étude est menée sur le Serein (affluent de l'Yonne), entre les stations limnimétriques de Dissangis et Beaumont, dans un bief bien renseigné (20 sections transversales sur 89 kms). Débits et tirants d'eau sont simulés par le modèle hydraulique HEC-RAS (équations de Saint-Venant 1D), en fonction des apports latéraux simulés par le modèle régional EauDyssée. Les résultats de cette étude montrent qu'un modèle 1D type Saint-Venant n'est pas adapté à la simulation des écoulements à l'échelle régionale. Nous avons donc développé une méthode de changement d'échelle originale, dans laquelle la modélisation fine des processus hydrauliques à haute résolution permet d'améliorer la représentation des profils d'eau en rivière et les interactions nappe-rivière simulées à l'échelle régionale par le modèle intégré EauDyssée. Cette méthodologie de changement d'échelle a été validée dans un sous bassin versant de l'Oise d'une superficie de 4500 km2, pour la période 1990-1995. Nous avons utilisé HEC-RAS pour la modélisation hydraulique d'un tronçon de l'Oise de 188 km, où 420 sections transversales sont disponibles. Le modèle permet d'interpoler des courbes de tarage simulées tous les 200m en moyenne. Ces courbes de tarage sont ensuite projetées sur les mailles rivière du modèle régional EauDyssée (résolution de 1 km), où elles permettent de simuler la fluctuation du niveau d'eau en fonction du débit à l'échelle régionale par EauDyssée. La cote de la surface libre de la rivière définissant sa charge hydraulique, ces fluctuations influencent alors les échanges entre les mailles rivière et les nappes, qui dépendent des gradients de charge verticaux entre rivière et nappe (loi de Darcy). Ce travail montre l'intérêt de l'approche pour mieux évaluer les interactions nappes-rivières à l'échelle régionale avec un faible coût de calcul. Il offre des perspectives intéressantes pour simuler des processus jusque là négligés par le modèle EauDyssée : élimination de nitrate dans les zones humides qui sont souvent situées à la zone de contact entre les nappes souterraines et la rivière, ou l'impact du changement climatique sur le fonctionnement des hydrosystèmes et plus particulièrement sur l'élimination ou le relarguage de polluants par des processus biogéochimiques, ainsi que de mieux estimer les risques d'inondation à l'échelle régionale.

La description aux échelles macroscopiques et gigascopiques des feux de forêts permet l'établissement de modèles physiques aptes à représenter l'évolution d'un feu avec une meilleure précision que les modèles empiriques de type Rothermel développés jusqu'alors. Cependant ces modèles nécessitent l'ajustement de paramètres dont la mesure directe est impossible, car les équations associées à ces modèles ne sont pas relatives à l'air et à la matière végétale mais aux milieux équivalents à la végétation pour l'échelle considérée. Les propriétés des milieux équivalents sont alors liées aux propriétés des milieux les constituant, mais la connaissance des propriétés des milieux constitutifs ne permet pas de connaître directement les propriétés du milieu équivalent. Ce travail consistera tout d'abord en la reconstruction du milieu végétal à l'aide d'outils issus de la géométrie fractale. Des méthodes de mesures de paramètres géométriques venant de la foresterie ont ensuite été utilisées pour valider nos modèles de végétation. Enfin, des expériences numériques ont été menées sur nos structures reconstruites afin d'identifier les paramètres macroscopiques qui nous intéressent. Ces expériences permettent également de valider ou non les hypothèses effectuées lors de l'établissement des équations du milieu équivalent. Les paramètres ajustés sont la viscosité du milieu équivalent, le coefficient d'échange convectif et le coefficient d'extinction / The macroscopic and gigascopic scale description of forest fires allows physical modelings of the propagation which can predict the fire evolution with a better accuracy than usually developed empirical Rothermel-like models. However, those models need fitting for their parameters which cannot be measured directly as the models equations are related to the equivalent media at the considered scale and not related to the air and the vegetal material. The equivalent media properties are related to the inner media properties, but the inner media properties knowledge does not allow directly the equivalent media properties knowledge. This work is then aiming on the vegetal medium reconstruction using fractal geometry. Geometrical parameters measurement methods used in forestry sciences are applied for the vegetal modeling validation. Numerical studies are finally done on the reconstructed structures to fit the relevant macroscopic scale parameters. Those studies also allow us to validate or invalidate the assumptions which have been done for the equivalent medium equation development. Those parameters are: the equivalent medium viscosity, the convective heat transfer coefficient and the extinction coefficient

L'optimisation d'une opération de mélange de poudre repose essentiellement sur un travail expérimental à l'échelle du laboratoire qui doit pouvoir être transposer aux mélangeurs de plus grandes tailles. Définir des lois d'extrapolation et améliorer notre connaissance de la dynamique du mélange est donc nécessaire. Dans ces travaux, la dynamique de mélange au sein des mélangeurs Turbula® a été étudiée en s'appuyant sur l'analyse des cinétiques de mélange et des fonctions d'autocorrélation pour plusieurs systèmes particulaires. Selon les vitesses de rotation de l'axe moteur, 3 régimes d'écoulement ont été définis et les principaux mécanismes de mélange et de ségrégation apparaissant pour chacun de ces régimes ont été identifiés en lien avec les propriétés d'écoulement des produits. Dans un deuxième temps, les qualités de mélange obtenues dans différentes tailles de mélangeurs ont été comparées sur la base du principe des similitudes afin de mettre en évidence les facteurs ayant une influence lors du passage d'une taille de mélangeur à une autre. Enfin dans le cadre d'une application industrielle, une méthodologie s'appuyant sur l'intensité de ségrégation et l'autocorrélation spatiale, a été développée pour identifier des défauts d'homogénéité au sein de plaques bipolaires composites / The optimization of a powder mixing step typically involves an experimental work at lab scale in order to be transposed to larger mixers. Defining scale-up laws and improving our knowledge of the mixing dynamics remains some of the mains industrial issues of this century. In this work, the mixing dynamics of several particulate systems has been studied in Turbula mixers thanks to the analysis of mixing kinetics and autocorrelation functions. According to the engine speed, three flow regimes have been defined. The corresponding main mixing and segregation mechanisms at play for each of these regimes have been identified in relation with the flow properties of the products. In a second phase, the qualities of the mixtures obtained in the different mixer sizes have been compared on the basis of the principle of similarities in order to shed light the factors which influencing scale-up. Finally, as part of an industrial application, a methodology has been developed using the concept of intensity of segregation and the spatial autocorrelation tools to identify heterogeneities in bipolar plates made of composite materials