Dans les appareils de robinetterie équipant les centrales nucléaires, l'étanchéité interne est réalisée par le contact direct entre surfaces métalliques. Dans ce contexte, ce travail porte sur l'étude de fuites liquides au travers d'un contact entre deux surfaces rugueuses serrées l'une contre l'autre. Deux approches sont menées en parallèle : l'une théorique/numérique, l'autre expérimentale. Les modèles mis en place permettent de prédire les fuites à partir des textures non déformées des surfaces en contact et en fonction du serrage appliqué. Les déformations des surfaces sont tout d'abord calculées à l'aide d'un modèle semi-analytique élasto-plastique parfait. L'écoulement liquide est ensuite résolu au travers du champ d'ouverture résultant. Des modèles pour caractériser et simuler les textures rugueuses ont également été développés à partir d'une approche fractale, permettant ainsi de prédire les fuites à partir d'outils purement numériques, sans avoir recours à la mesure d'états de surfaces. Grâce à ces modèles, une corrélation a pu être établie entre les textures des surfaces et les performances du contact vis-à-vis de l'étanchéité. Pour tester les modèles mis en place, des mesures de débits de fuite au travers de contact rugueux ont de plus été effectuées. La confrontation directe entre essais et simulation a montré que les modèles surestiment les débits de fuite, en particulier à fort serrage. Une étude détaillée de la chaîne de prédiction a permis de montrer que les écarts proviennent principalement du modèle de déformation. Une modélisation prenant en compte le caractère hétérogène du matériau semble une piste intéressante pour améliorer les prédictions.

Ce travail de thèse traite de la relation entre les propriétés thermiques effectives de matériaux fibreux à base de bois d'une part et leur microstructure d'autre part. La technique de prise de moyenne est utilisée, dans le cadre général du non-équilibre thermique local, pour écrire les équations de transfert macroscopique de matériaux pouvant présenter une anisotropie locale de conductivité thermique (liée ici aux propriétés intrinsèques des fibres de bois) et exprimer le tenseur de conductivité thermique effective. Le modèle est renseigné par l'analyse quantitative d'images 3D de matériaux réels acquises par microtomographie X. Des outils issus de la morphologie mathématique sont mis en oeuvre pour caractériser finement la microstructure du réseau fibreux et en quantifier l'anisotropie locale et globale. Un volume élémentaire représentatif (VER) qui satisfait aux contraintes de la méthode de prise de moyenne peut être défini grâce à ces informations. Une méthode de segmentation basée sur un algorithme de squelettisation par amincissement homotopique est également développée afin d'identifier chaque fibre individuellement, ce qui permet d'accéder à de nombreux paramètres comme la longueur, la tortuosité ou encore le nombre de contacts. Le modèle thermique macroscopique développé ainsi que son implémentation numérique sont d'abord validés par une comparaison avec les prédictions théoriques dans des cas simples puis les valeurs des tenseurs de conductivité thermique effective, obtenus à partir des images de différents matériaux, sont finalement confrontés aux résultats expérimentaux.

Dans les appareils de robinetterie équipant les centrales nucléaires, l'étanchéité interne est réalisée par le contact direct entre surfaces métalliques. Dans ce contexte, ce travail porte sur l'étude de fuites liquides au travers d'un contact entre deux surfaces rugueuses serrées l'une contre l'autre. Deux approches sont menées en parallèle : l'une théorique/numérique, l'autre expérimentale. Les modèles mis en place permettent de prédire les fuites à partir des textures non déformées des surfaces en contact et en fonction du serrage appliqué. Les déformations des surfaces sont tout d'abord calculées à l'aide d'un modèle semi-analytique élasto-plastique parfait. L'écoulement liquide est ensuite résolu au travers du champ d'ouverture résultant. Des modèles pour caractériser et simuler les textures rugueuses ont également été développés à partir d'une approche fractale, permettant ainsi de prédire les fuites à partir d'outils purement numériques, sans avoir recours à la mesure d'états de surfaces. Grâce à ces modèles, une corrélation a pu être établie entre les textures des surfaces et les performances du contact vis-à-vis de l'étanchéité. Pour tester les modèles mis en place, des mesures de débits de fuite au travers de contact rugueux ont de plus été effectuées. La confrontation directe entre essais et simulation a montré que les modèles surestiment les débits de fuite, en particulier à fort serrage. Une étude détaillée de la chaîne de prédiction a permis de montrer que les écarts proviennent principalement du modèle de déformation. Une modélisation prenant en compte le caractère hétérogène du matériau semble une piste intéressante pour améliorer les prédictions.

La rétification^® est une pyrolyse ménagée qui améliore l'hygroscopie, la stabilité dimensionnelle et la durabilité du bois. Elle se déroule en atmosphère inerte entre 180°C et 250°C, sans produits chimiques. L'industrialisation du traitement a ici été accompagnée par une double approche matériaux et procédés. D'une part, un plan d'expérience fractionnaire 2^5-2 et un complément sur le sapin pectiné ont permis d'analyser des paramètres comme l'essence, l'injection d'azote, la température et la durée de pyrolyse afin d'adapter le traitement à l'utilisation finale. Le démarrage du four prototype de 2 m³ a validé des protocoles de dispositions des thermocouples et des planches-tests. Un empilement soigneux est nécessaire et les planches sur dosse se comportent moins bien au traitement. On a testé à grande échelle et écarté une méthode non destructive des propriétés mécaniques par ultrason. D'autre part, la mise au point de traitements sur pilote, prototype et four industriel a permis de tester des modèles de simulation ou d'identification de l'avancée du traitement. Par analogie avec la métallurgie, un modèle simplifié établit une relation différentielle simple entre la température moyenne au coeur des planches et celle du four. La formulation incorpore implicitement les caractéristiques des planches et des transferts à leur surface et elle permet de reconstituer le profil des températures à l'intérieur de celles-ci. Elle est valable en l'absence de réaction et s'applique aussi au refroidissement du bois rétifié. On dispose ainsi d'outils de dimensionnement et d'optimisation du procédé en termes de puissance de chauffe ou de refroidissement accéléré. L'homogénéité des fours est simulée en fonction des rampes de températures et de la vitesse de brassage. La différence entre les températures expérimentales et celles modélisées en l'absence de réaction pourrait permettre de suivre en temps réel le début du séchage et l'avancée de la pyrolyse.

La plupart des méthodes pour la modélisation des réservoirs fracturés reposent sur le modèle de Warren et Root (1963). Mais ce modèle reste limité par : l'hypothèse d'un volume élémentaire représentatif, l'évaluation des transferts matrice-fractures, l’idéalisation du système fracturé, l'emploi de conditions aux limites locales. La méthode développée répond à ces quatre points. Un réseau de fractures et une grille de matrice sont discrétisés conjointement, puis un changement d'échelle est réalisé. Un ensemble de nœuds représentatifs est sélectionné, et un système simplifié équivalent est construit par décimation des autres nœuds en assurant la conservation des pressions et des débits sans imposer de conditions aux limites. Enfin le nombre de connexions est réduit et les transmissibilités restantes sont calculées par une procédure d'optimisation. Ces systèmes simplifiés ont été résolus plus rapidement lors de simulations d’écoulement tout en reproduisant le comportement du modèle fin / Most methods for modeling fractured reservoirs rely on the model of Warren and Root (1963). But this model is limited by: the assumption of a representative elementary volume, the evaluation of matrix-fracture transfers, the idealization of the fractured system, the use of local boundary conditions. The developed method overcomes these four points. A fracture network and a matrix grid are jointly discretized, then an upscaling is carried out. A set of representative nodes is selected, and an equivalent simplified system is built by decimating the other nodes while ensuring the preservation of pressure and flow rate and without imposing any boundary conditions. Finally the number of connexions is reduced and the remaining transmissibilities are evaluated by an optimization procedure. These simplified systems have been solved more quickly by the flow simulator while reproducing the fine model behavior

Notre activité de recherche, commencée en 1988, comporte deux périodes. La première, jusqu'en 1995, fut consacrée à la théorie du refroidissement d'atomes par laser : nous avons effectué une étude entièrement quantique du refroidissement à gradient de polarisation, et grâce à la méthode des fonctions d'onde Monte-Carlo, reformulation stochastique de l'équation pilote que nous avons contribué à développer, nous avons pu reproduire les résultats expérimentaux à trois dimensions. La deuxième période, commencée en 1995, est consacrée à la théorie des gaz quantiques, en particulier des condensats de Bose-Einstein : nous avons clarifié le concept de phase d'un champ atomique et prédit une dynamique quantique non triviale de cette phase; nous avons trouvé des solutions par changement d'échelle décrivant l'évolution d'un gaz quantique dans un potentiel harmonique dépendant du temps; nous avons découvert le mécanisme de formation des réseaux de tourbillons quantiques à l'oeuvre dans les expériences du groupe de Jean Dalibard; nous avons étudié quelques propriétés classiques et quantiques des solitons d'ondes de matière et nous avons proposé une méthode ayant permis la première observation expérimentales de ces solitons; nous avons développé de nouveaux outils pour la théorie des gaz quantiques, comme des méthodes de champ classique, de Monte-Carlo quantique et une extension de la méthode de Bogoliubov aux quasi-condensats en dimensionalité réduite.

La thèse a pour objectif de contribuer à l'étude des changements de la politique forestière française depuis le début des années 1990 à travers l'analyse des changements d'échelle de l'action publique. Elle s'appuie dans ce but sur un cadre théorique et analytique inspiré des travaux en sociologie politique et en institutionnalisme historique. La mise en problématique du rapport secteur - territoire conduit d'une part à s'interroger sur la reconfiguration du modèle de l'Etat forestier centré sur l'échelle nationale et d'autre part à émettre l'hypothèse de l'institutionnalisation de l'échelle infranationale. Le travail d'enquête qui a été réalisé, sur la base notamment d'une série d'entretiens menés en Aquitaine, permet d'aboutir à deux résultats principaux et à une conclusion générale. Tout d'abord, on peut faire le constat que le secteur forestier connaît actuellement une phase de mutation importante. Il est engagé dans un double processus d'écologisation qui se traduit par un renforcement de la tension entre logique de production de bois et logique de conservation de la ressource forestière et par une remise en question de l'efficacité des politiques du passé. Ensuite, et en dépit de la décentralisation, il apparaît que cette mutation s'accompagne d'un renforcement de la légitimité de l'échelle nationale de gouvernement au détriment de l'échelle infranationale. Dans ce contexte, le rôle des acteurs publics est ambigu. L'Etat alterne entre volontarisme politique et désengagement opérationnel alors que les conseils régionaux s'impliquent de plus en plus dans la mise en oeuvre des politiques publiques forestières. Pour finir, nous considérons que cette situation ne correspond pas à une désectorisation de la forêt mais plutôt à une mise sous tension de la dimension territoriale de la politique sectorielle forestière. Une étude comparable sur la nature du gouvernement européen de la forêt permettrait ainsi d'approfondir l'analyse.

Une colonne de séparation d'air réalise un écoulement liquide-gaz à contre courant dans une structure complexe, le garnissage. Au sein de ce garnissage, l'écoulement du liquide est du type film drainé par gravité, alors que l'écoulement du gaz est turbulent. La fonction de ces contacteurs est de développer une surface d'échange interfaciale aussi grande que possible pour favoriser le transfert d'un composé chimique de la phase liquide vers la phase vapeur (et inversement) tout en offrant des pertes de charge raisonnables. Ces dispositifs sont constitués par l'assemblage de plaques métalliques ondulées, avec ou sans perforations, où deux plaques adjacentes sont respectivement inclinées d'un angle et son opposé par rapport à l'axe de la colonne. Ce type de contacteur peut être considéré comme un milieu poreux bi-structuré avec un taux de porosité élevé. Les écoulements peuvent être décrits à deux échelles : une échelle du pore et une échelle macroscopique. A cause de cette double structuration, la modélisation macroscopique des écoulements dans ce type de structure reste un problème difficile. En particulier, les mécanismes macroscopiques qui entraînent l'étalement d'un jet dans les garnissages sont incompris. Par ailleurs, une difficulté de modélisation supplémentaire est due aux effets liés à la turbulence. Au cours de cette thèse, nous avons développé, à partir d'une méthode de changement d'échelle, un modèle complet pour simuler les écoulements et le transfert de matière dans les colonnes équipées de garnissages structurés. Notre étude se focalise sur les trois points suivants. Premièrement, nous avons obtenu, à l'aide d'une prise de moyenne volumique, une loi de Darcy-Forchheimer qui inclue les effets de la turbulence. Ensuite, pour modéliser la dispersion radiale du liquide dans la colonne, nous avons trouvé pratique de séparer la phase liquide en deux films distincts, qui s'écoulent sur chaque plaque ondulée selon des directions préférentielles différentes. Ces phases fictives ne sont pas indépendantes puisque de la matière peut passer de l'une à l'autre au niveau des points de contact entre les feuilles ondulées. Finalement, nous avons proposé un modèle macroscopique pour simuler le transport d'espèces chimiques dans un système diphasique, multiconstituants. Tous les paramètres effectifs qui apparaissent dans ce modèle sont évalués à partir de solutions analytiques ou numériques de l'écoulement à la petite échelle. Les résultats de simulation ont été comparés avec succès à des mesures expérimentales obtenues en laboratoire ou sur pilote industriel. / Structured packings play a large role in chemical engineering processes involving gasliquid separation such as air distillation unit or CO2 absorption columns. Such structures maximize the exchange surface between gas and liquid while pressure drops remain low enough. Generally, the columns are operated in the counter-current flow mode : a liquid gravity film is sheared by the turbulent flow of a gas phase. The packings are made of an assembly of corrugated sheets where two adjacent sheets are respectively inclined by an angle and the opposite of this angle from the vertical axis. We can apprehend such a device as a bi-structured porous medium with high porosity defining two scales of description : a pore-scale and a macro-scale assimilated to the packing scale. Due to this peculiar structured geometry, the flow modeling from a macroscopic point of view, remains a challenging problem that has to be overcome to design enhanced devices. In particular, the macroscopic phenomena that leads to the spreading of a liquid point source at the top of a packing are still unknown, and the classical two-phase flow models in porous media failed to properly catch the liquid distribution within the column. Moreover, turbulence effects lead to additional difficulties. We developed a comprehensive mathematical model based on a multi-scale analysis to simulate gas-liquid flow through the distillation columns. We investigate three main points. First, we derived a Darcy-Forchheimer law that includes turbulence effects using the method of volume averaging. Then, to model the liquid spreading, we found convenient to split the liquid phase into two fictitious phases flowing along each sheet with a preferential direction. Moreover, these phases are not (except perhaps at very low saturation) completely independent since adjacent sheets are in contact and the liquid can flow from one sheet to the other. Finally, we proposed a macro-scale dispersion model to simulate two-phase, multicomponent transport in structured packing. All the effective properties that appear in this model are evaluated from either simulations or analytical solutions of the flow at the pore-scale. Simulation results have been successfully compared to laboratory-scale experiments and industrial-scale measurements.

: Ce travail concerne l'écoulement inertiel en milieu poreux rencontré dans diversessituations telles que les écoulements autour des puits pour la récupération pétrolière, lesécoulements dans les réacteurs catalytiques, etc. En régime stationnaire, les différents modèlesmacroscopiques pour décrire ces écoulements inertiels (non-linéaires) demeurent encore sujetsà débat. Ces modèles consistent en une loi de Darcy corrigée de termes dont la dépendancevis à vis de la vitesse de filtration relève du régime d'écoulement. Dans ce travail, une attentionparticulière est portée tout d'abord à l'étude numérique (DNS), sur des structures modèles, de lalimite de stationnarité de l'écoulement monophasique newtonien qui correspond à la premièrebifurcation de Hopf, caractérisée par un nombre de Reynolds critique. La connaissance de cettelimite est cruciale puisqu'elle détermine le domaine de validité des modèles macroscopiquesstationnaires pertinents. Dans un deuxième temps, la dépendance de la déviation (inertielle) àla loi de Darcy par rapport aux propriétés de la structure poreuse (forme des grains, désordre)et à l'orientation de l'écoulement est étudiée dans le cas de structures 2D et 3D. Les propriétéseffectives de la structure à l'échelle macroscopique sont déterminées à partir de la résolutionnumérique des problèmes de fermeture associés au modèle macroscopique obtenu par prisede moyenne des équations de Navier-Stokes. Afin de déceler l'origine de cette déviation et sesdifférentes formes, l'évolution de la structure microscopique de l'écoulement en fonction dunombre de Reynolds est analysée. Plus particulièrement, le rôle des zones de recirculation, etles corrélations avec la courbure des lignes de courant multipliée par l’énergie cinétique localeet la variation de l’énergie cinétique le long de ces lignes sont étudiés. La dernière partie dutravail est consacrée à une étude numérique, toujours dans des situations modèles, de ladéviation à la loi de Darcy généralisée dans le cas de l'écoulement diphasique inertiel. / This work focuses on inertial flow in porous media encountered in differentindustrial situations such as flow around wells in oil recovery, flow in filters and in columns ofreactors for chemical engineering, etc. In stationary flow regime, the different macroscopicmodels describing inertial (non-linear) flow are still discussed. These models consist in theDarcy’s law with correction extra terms whose dependence upon the filtration velocity is afunction of the flow regime. In this work, a particular attention is attributed first to the numericalinvestigation (DNS), on model structures, of the limit of one phase Newtonian stationary flowwhich corresponds to the first Hopf bifurcation, characterized by a critical Reynolds number.The knowledge of this limit is crucial since it establishes the ranges of validity of the relevantmacroscopic stationary models. In a second step, the dependence of the deviation (inertial)from Darcy’s law on the properties of the porous structure (grains shape, disorder) and on theorientation of the flow is analyzed in 2D and 3D situations. The effective properties of thestructure and the flow at the macroscopic scale are obtained from the numerical resolution ofthe closure problems associated to the macroscopic model obtained from an up-scalingprocedure (volume averaging) of the Navier-Stokes equations. In order to identify the origin ofthe deviation and its different forms, the variation of the microscopic flow structure with theReynolds number is analyzed. More specifically, the role of the recirculation zones, and thecorrelations with flow streamlines curvature multiplied by the local kinetic energy and thevariation of the kinetic energy along these lines are studied. The last part of the work isdedicated to a numerical investigation of the deviation from the generalized Darcy’s law in thecase of two phase inertial flow.

La contamination des ressources en eaux souterraines par une phase organique non miscible à l'eau couramment appelée NAPL (Non Aqueous Phase Liquid) constitue aujourd'hui un défi scientifique majeur compte tenu de la durée de vie d'un tel polluant. Bien que l'activité bactérienne (généralement présente sous forme de biofilm) joue un rôle crucial dans le devenir à long terme de ces effluents, peu d'études existent à l'heure actuelle sur son impact dans des conditions multiphasiques (i.e., à proximité de la source). En effet, dans la zone saturée, sous l'action des forces capillaires, le NAPL se retrouve souvent piégé, en effet, sous forme de «gouttelettes» au niveau des pores. Ce comportement spécifique au polluant modifie la dynamique du système biofilm/milieu poreux saturé et d'importantes questions restent encore ouvertes : accessibilité du polluant, modification de la tension interfaciale, production de biosurfactant, effet de toxicité (inhibition de la croissance bactérienne). Pour tenter de répondre à ces questions, nous avons adopté une approche aussi bien théorique qu'expérimentale. L'approche théorique porte sur le développement d'un modèle macroscopique décrivant le transport multiphasique en milieu poreux pour un système eau/NAPL/biofilm. Elle repose sur la méthode de prise de moyenne volumique, appliqué aux équations décrivant le couplage écoulement/transport à l'échelle du pore, permettant d'effectuer le changement d'échelle et dériver un modèle à deux équations. Le modèle est établit sous les hypothèses d'équilibre de masse local à l'interface fluide/biofilm et les contraintes associées à ces hypothèses ont étés définies. L'influence des caractéristiques microscopiques (arrangement des grains, fraction volumique du biofilm, distribution des blobs de NAPL, mouillabilité) sur les propriétés effectives du milieu (coefficient de dispersion, coefficient d'échange de masse) est discutée au travers des résultats issus des simulations. Ensuite, le modèle macroscopique a été comparé avec succès à la simulation numérique direct à l'échelle du pore pour la géométrie 2D complexe considérée. Quant à l'approche expérimentale, elle consiste à étudier le transport et la biodégradation du toluène en présence des bactéries Pseudomonas Putida F1 à l'aide d'un milieu poreux transparent 2D (micromodèle). Premièrement, nous avons étudié la dissolution du toluène résiduel sans bactéries et des courbes de dissolution du toluène ont été obtenues. Les résultats de dissolution du toluène en condition abiotique ont été comparés avec succès aux résultats du modèle théorique. Ensuite, l'étude expérimentale en micromodèle a porté sur la dissolution du toluène en condition biotique. Les résultats de ces études (courbes de dissolution et évolution de la saturation résiduelle) ont montré un impact significatif de la présence des bactéries sur les processus de dissolution par comparaison au cas abiotique. / Contamination of groundwater resources by an immiscible organic phase commonly called NAPL (Non Aqueous Phase Liquid) represents a major scientific challenge considering the residence time of such a pollutant. Although bacterial activity (usually in the form of biofilm) plays a crucial role in the long term fate of these effluents, very few works are focused on the study of such processes in multiphase conditions (oil/water/biofilm systems). The NAPL often gets trapped, in fact, under the action of capillary forces in the saturated zone in the form of «droplets» within the pores. This specific pollutant behavior changes the dynamics of biofilm /saturated porous medium system where important questions remain open: accessibility of the pollutant, changes in interfacial tension, biosurfactant production, toxicity effect (inhibition of bacterial growth). Modeling the transport of chemical species in the presence of bacteria is an extremely complex issue in terms of scale. We will use an experimental and theoretical approach to address these questions. In this thesis, we developed a macroscopic model describing multiphase transport in porous media for a water/NAPL/biofilm system. A volume averaging method has been applied here to the equations at the pore scale to make the upscaling and derive the model. This two-equation model is established under the assumptions of local mass equilibrium at the fluid/biofilm interface and the constraints associated with these assumptions were defined. The effect of microscopic features (arrangement of grains, volume fraction of the biofilm, distribution of NAPL blobs, wettability) on the effective properties of the media (dispersion coefficient, mass exchange coefficient) is discussed through some results from simulations. Subsequently, the macroscopic model has been successfully compared with the direct numerical simulation at pore scale for a 2D complex geometry. The experimental approach consists of studying transport and biodegradation of toluene in the presence of bacteria Pseudomonas Putida F1 using a flowcell. First, we studied the dissolution of toluene in abiotic conditions and toluene dissolution curves were obtained. The results of toluene dissolution in abiotic conditions were compared with success the results of the theoretical model. Finally, an experimental study in flowcell on the dissolution of toluene under biotic conditions was performed. The results of these studies (dissolution curve and evolution of toluene saturation) showed a significant impact of the presence of bacteria on the dissolution process compared to the abiotic case.