Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les modèles fluides décrivant les plasmas chauds sont aujourd'hui bien développés. L'étude des micro-instabilités présentes dans ces plasmas nécessite cependant une description cinétique basée sur l'équation de Vlasov. Les modèles cinétiques étant très gourmands en ressources informatiques, une idée alternative est l'utilisation systématique des propriétés d'invariance des systèmes étudiés telles que la propriété d'invariance de la fonction de distribution le long des trajectoires dans l'espace des phases ou l'invariance adiabatique du moment magnétique dans les plasmas magnétisés. C'est dans ce cadre que nous appliquons un modèle water-bag à plusieurs types de problèmes : les ondes de dérive collisionnelles dans les colonnes de plasma magnétisé, les instabilités d'interchange, ITG, et Rayleigh-Taylor dans les cœurs de tokamaks. Ces études visent à permettre une meilleure compréhension de la turbulence et ainsi participer à la maîtrise du transport anormal qui dégrade le confinement dans les cœurs de tokamak. / The study of microinstabilities that arises in these plasmas demands a kinetic description based on the Vlasov equation. Kinetic models being very demanding in computer ressources, an alternative approach lies in a systematic use of invariances properties in the studied systems, such as the invariance of the distribution function along the particle trajectories or the first magnetic moment invariance. In this framework, we make use of the water-bag model on a few problems: collisional drif-waves in magnetized plasma column, interchange instability, ion temperature gradient (ITG), and Rayleigh-Taylor instabilities in the core of tokamaks. The goal of these studies is to allow a better understanding of plasma turbulence and therefore contribute to the control of anomalous transport which degrades the confinment in the core of tokamaks.

En raison de leur capacité théorique élevée, les batteries Li-air ont été considérées comme des dispositifs de stockage d'énergie prometteurs depuis leur invention. Cependant, la grande complexité de ces dispositifs a entravé leur application pratique. En plus, les résultats expérimentaux et les théories mécanistes rapportés dans la littérature sont épars et ajoutent des difficultés pour développer une compréhension globale de leurs principes de fonctionnement. Le travail accompli dans cette thèse repose sur la combinaison de deux approches : la modélisation et l'expérimentation, non pas dans le but d'avoir une adéquation parfaite entre simulation et expérience mais afin de mieux comprendre le lien entre les différents mécanismes mis en jeux. Un modèle de déchargé, basé sur une approche continuum et rassemblant théorie de la nucléation, description des réactions cinétiques et du transport de masse, a été développé. Le modèle permet d'étudier simultanément l'impact de la densité de courant, des propriétés de l'électrolyte et des propriétés de surface de l'électrode sur le procédé de décharge des batteries Li-air permettant ainsi une meilleure compréhension. De plus, le modèle de charge développé lors de cette thèse, met en lumière la corrélation entre la distribution des tailles de particules de Li2O2 et le profil de recharge obtenu. Finalement, afin d'étudier ces batteries au niveau mésoscopique, un modèle de cinétique Monte-Carlo a été créé et permet de comprendre les processus de décharge dans des espaces confinés / Due to their high theoretical capacity, Li-air batteries (LABs) have been considered as promising energy storage devices since their invention. However, the high complexity of these devices has impeded their practical application. Moreover, the scattered experimental results and mechanistic theories reported in literature, add difficulties to develop a comprehensive understanding of their operation principles. The work accomplished in this thesis constitutes an effort to entangle the complexity of LABs through the combination of modeling approaches with experiments, with the focus on getting better understanding about the mechanisms interplays, rather than pursuing a perfect quantitative match between simulation and experimental results. Based on continuum approach, a discharge model has been developed combining the nucleation theory, reaction kinetics and mass transport. This model converged the impacts of current density, electrolyte property and electrode surface property on the discharge process of LABs to a comprehensive theory. Furthermore, a charge model has been developed to address the important role of Li2O2 particle size distribution in determining the shape of recharge profile. In addition, to investigate the LAB system at mesoscale, a kinetic Monte Carlo (KMC) model has been build and the simulation results provided insights into the discharge process in confined environment at local level

Ce travail présente l’étude d’un procédé de production de 5-hydroxymethylfurfural (HMF), une molécule plateforme prometteuse pour la production de carburants et de polymères biosourcés. La première partie de ce travail a consisté à développer la synthèse du HMF à partir d’hexoses lignocellulosiques dérivés de la biomasse, plus particulièrement du fructose, en milieu diphasique CO2-H2O haute pression, une technologie efficace et respectueuse de l’environnement pour le traitement de la biomasse. À partir d'expériences cinétiques et de leur modélisation, l'effet du CO2 comme catalyseur acide réversible a été évalué. Par ailleurs, le rendement en HMF s'est avéré limité en raison de réactions de dégradation. Un moyen pertinent d’augmenter le rendement en HMF en empêchant sa dégradation a consisté à coupler sa synthèse avec son extraction simultanée par le CO2 supercritique, ce qui a conduit à un procédé de réaction extractive. Dans ce contexte, des coefficients de partage de HMF entre le CO2 supercritique et l’eau ont été évalués expérimentalement, en supposant que l'équilibre soit atteint à tout moment dans le dispositif d'extraction. Les données expérimentales ont permis l’application de modèles thermodynamiques pour décrire le système ternaire CO2-HMF-H2O afin de trouver des conditions de fonctionnement favorables au procédé. Le couplage de la modélisation cinétique et du procédé d'extraction par le CO2, basé sur l'équilibre thermodynamique du mélange, a rendu possible la prédiction des meilleures conditions de fonctionnement du procédé de réaction extractive du HMF à partir de sucres issus de biomasse lignocellulosique. Ce mode de fonctionnement a permis d'exploiter tous les avantages de l'utilisation du CO2 pour les réactions de conversion de la biomasse : catalyseur acide réversible et solvant d'extraction

Dans cette thèse, on s'intéresse à différentes équations issues de la théorie cinétique. Tout d'abord, on considère une équation de Landau pour les particules de Fermi-Dirac. On montre l'existence d'une solution au problème de Cauchy associé et on détermine les états d'équilibre. Ensuite, dans une deuxième partie, on s'intéresse aux systèmes de moments pour l'équation de Boltzmann en relativité restreinte et on détermine les espaces de moments relativistes adéquats. Dans une troisième partie, on étudie les états stationnaires d'une équation de Kac avec thermostat dans le cas où la section efficace est supposée non-intégrable. Finalement, la quatrième partie est consacrée à l'étude d'une équation issue de la théorie de la coagulation, l'équation de Oort-Hulst-Safronov, qui est approchée par une suite d'équations discrètes.

La présente étude s'inscrit dans le cadre d'une évaluation des risques liés d'une part au stockage des déchets nucléaires et d'autre part à la production des semi-conducteurs. L'ojectif est d'obtenir des paramètres fondamentaux sur les propriétés explosives des mélanges hydrogène-protoxyde d'azote et silane-protoxyde d'azote. Pour le système hydrogène-protoxyde d'azote, les temps caractéristiques de réaction derrière une onde de choc réfléchie, les vitesses fondamentales de flamme et les largeurs des cellules de détonation ont été mesurées expérimentalement sur une large gamme de composition et de condition. Un mécanisme cinétique détaillé a été développé et validé sur les données de la présente étude et de la littérature. Des mécanismes cinétiques réduits ont été obtenus par une méthode de réduction automatique et inclus dans un code de simulation numérique bi-dimensionnelle d'onde de détonation. Pour le système silane-protoxyde d'azote, l'évolution temporelle des atomes d'oxygène derrière une onde de choc réfléchie et les vitesses fondamentales de flammes ont été étudiées expérimentalement. Une étude préliminaire d'analyse des produits solides de combustion formés en bombe sphérique a également été réalisée. Un mécanisme cinétique réduit de la littérature a été modifié afin de reproduire les profils des atomes d'oxygène.

Afin de mieux comprendre la cohesion entre les bioverres et le tissu osseux, on a realise des essais de dissolution a ph non controle, dans le tampon tris-hydroxymethyl aminomethane et a ph stabilise, sur des verres du systeme sio::(2)-na::(2)o-cao-p::(2)o::(5) sous forme de poudres ou d'esquilles

L'oxydation d'un gazole commercial et d’un gazole modèle (70% n-décane/30% 1-méthylnaphtalène en mol), ainsi que l’oxydation d’un carburant B30 « réel » (30% EMHV en vol.) et d’un B30 modèle (49% de n-décane, 21% de 1-méthylnaphtalène et 30% d'octanoate de méthyle en mole), a été étudiée dans un réacteur auto-agité par jets gazeux, un tube à choc et une bombe sphérique. Les études ont été effectuées dans un réacteur auto-agité en silice fondue, dans les mêmes conditions expérimentales initiales (560-1030 K, à 6 et 10 bar, à des richesses allant de 0,25 à 1,5). Les résultats de cette série d'expériences sont constitués de profils de concentration des espèces intermédiaires stables et des produits de combustion mesurés en fonction de la température, après prélèvement à basse pression par une sonde sonique, par infrarouge et par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats obtenus avec les « carburants réels » ainsi qu’avec les carburants modèles (gazole et B30) ont été comparés, montrant que les carburants modèles sont d’excellents substituts simplifiés pour les « carburants réels » gazole et B30. Nous avons mesuré des délais d’auto-inflammation du carburant modèle B30 dans un tube à choc à haute pression dans une large gamme de conditions expérimentales (20 et 40 bar, intervalle de richesse de 0.5 à 1.5, et températures allant de 700 à 1200 K). Les vitesses fondamentales de flammes de 1-méthylnaphtalène, de l’octanoate de méthyle, et des carburants modèles gazole et B30 ont été mesurées dans une bombe sphérique, sous différentes conditions expérimentales (une pression initiale de 1 et 4 bar, une température initiale de 423K et une large gamme de richesses). Un mécanisme détaillé a été développé, validé, puis été réduit. Il prédit raisonnablement les données expérimentales obtenues en bombe sphérique dans cette étude. / The oxidation of a commercial Diesel fuel and a Diesel surrogate fuel (70% n-decane/30% 1-methylnaphthalene in mole), a commercial B30 biodiesel fuel (30% FAME by vol.), and a B30biodiesel surrogate fuel (49% n-decane, 21% 1-methylnaphthalene and 30% methyl octanoate, inmole) was studied using a jet-stirred reactor, a shock tube, and a spherical bomb. Experiments were performed in a fused-silica jet-stirred reactor under the same initial conditions (560–1030 K, 6 and 10 bar, equivalence ratios of 0.25–1.5). The results of this series of experiments consisted of concentration profiles of reactants, stable intermediates and products measured as a function of temperature by low-pressure probe sampling followed by Fourier transform infrared absorption spectrometry and gas chromatography analyses. The results obtained with the commercial and surrogate mixtures (diesel and B30 fuel) were compared with each other, showing that the fuel surrogates are excellent and simple fuel representatives. Ignition delay times of B30 surrogate fuels were measured in a high-pressure shock tube over a wide range of experimental conditions (pressures of 20 and 40 bar, equivalence ratios in the range 0.5–1.5, and temperatures ranging from 700 to 1200 K). Laminar flame speeds of 1-methylnaphthalene, methyl octanoate, Diesel surrogate (70% n-decane and 21% 1-methylnaphthalene in mole) and a B30 bio-Diesel surrogate have been investigated in a stainless steel spherical bomb under different experimental conditions (pressures of 1 and 4 bar, a temperature of 423K and a wide equivalence ratios range). A detailed chemical kinetic mechanism was developed, validated and reduced. It predicts reasonably well the present experimental result.

Les incendies de tunnels sont des phénomènes violents, à l’évolution rapide qui engendrent la plupart du temps des dommages importants aux personnes et aux biens. La sécurité incendie dans les tunnels routiers est basée sur l’utilisation de modèles empiriques très simplifiés de description de l’évolution de la cinétique de développement de l’incendie. Ces modèles ne prennent cependant pas en compte le type de combustible impliqués dans le phénomène, tels que les polymères constitutifs des enveloppes des véhicules routiers, ni leurs réactivité en phase solide (décomposition thermique). Dans l’optique de faire évoluer la description de l’incendie en fonction des conditions ambiantes caractéristiques d’un tunnel, un modèle prédictif de la décomposition thermique des matériaux a été développé. Ce modèle mathématique a été construit sur la base d’une approche expérimentale à petite échelle faisant intervenir le dispositif du cône calorimètre à atmosphère contrôlée couplé à un spectromètre infrarouge à transformée de Fourrier. Trois matériaux ont fait l’objet d’une étude approfondie de leur décomposition thermique, en fonction de deux paramètres clés influençant la décomposition des solides lors d’un incendie de tunnel : la concentration d’oxygène ambiante et l’éclairement énergétique imposé aux matériaux. Les résultats obtenus pour les trois matériaux choisis (une mousse Polyisocyanurate, un Ethylène Propylène Diène Monomère et un Acrylonitrile Butadiène Styrène) ont été utilisés pour la construction de régressions polynomiales multifactorielles, méthode également connue sous le nom de méthodologie des surfaces de réponses.Le modèle permet de définir la réponse de la cinétique de décomposition (variable expliquée) et son évolution, en fonction de la concentration d’oxygène locale et de l’éclairement énergétique imposé à la surface d’un matériau (variables explicatives). La comparaison des résultats numériques et expérimentaux a alors montré la pertinence de ce type d’approche / Tunnel fires are severe phenomenon whose evolution, usually very fast, can lead to important damages to persons and properties. Tunnel fire safety is based on the use of empirical models, very simplified that describes the evolution of the fire kinetic. Nevertheless, these models does not take into account neither the type of material that are involved in the phenomenon, such as constitutive polymers of road vehicles nor their reactivity in solid phase (thermal decomposition). In order to provide an evolution of the fire description, function of the conditions usually encountered in a tunnel, a predictive model aiming to describe materials’ thermal decomposition has been developed. This mathematical model has been established on the basis of an experimental approach, at small scale, using the Controlled Atmosphere Cone Calorimeter coupled to a Fourier Transform Infrared Spectrometer. The thermal degradation of three different materials (Polyisocyanurate foam, Acrylonitrile Butadiene Styrene and Ethylene Propylene Diene Monomer) has been thoroughly assessed function of key parameters that drives the decomposition process during fire: oxygen concentration and heat flux imposed to the materials. Obtained results for the three materials have then been used to construct multifactorial polynomial regressions, using the methodology known as surface response methodology. The model allows defining the response of the decomposition kinetics (explained variable), function of both the oxygen concentration and the heat flux received at the surface of the material (explanatory variable). Comparisons between numerical and experimental obtained results show the relevance of this approach.

L'objectif de ce travail est d'identifier les paramètres du processus d'agrégation et de floculation d'asphaltènes. En particulier, il s'agit d'établir l'influence des facteurs cinétiques sur la déposition d'asphaltènes et l'évolution des propriétés des flocs asphaltèniques au cours de leur vieillissement. Nous avons étudié le processus de floculation d'asphaltènes à partir de bruts de pétrole sélectionnés, significativement différents. Au cours de ce travail nous avons étudié le processus de la formation des agrégats dans des différents solvants et floculants. Nous avons étudié l'effet de la longueur de chaîne d'alcanes sur le mécanisme d'agrégation. Nous nous sommes intéressé également aux effets de la présence des des composés basiques et acides dont les interactions avec des asphaltènes sont très fortes. La diffusion dynamique de la lumière, a été utilisée pour suivre la cinétique d'agrégation sous l'influence de changement de la composition (les ajouts de floculant) ou de la température. Les résultats cinétiques ont été complété par des études rhéologiques qui ont apporté une information non seulement sur l'écoulement macroscopique de fluides mais également sur les subtiles variations de la structure qui ne peuvent pas être détectées par d'autres méthodes expérimentales. Les résultats obtenus ont permis de mieux comprendre le mécanisme d'agrégation et de floculation d'asphaltènes et seront utilisés pour élaborer les nouvelles méthodes permettant d'éviter la floculation / The objective of this study was to identify parameters of aggregation and of flocculation of asphaltenes. Particularly, we worked on the influence of the kinetic factors on the asphaltene deposition and on the changes of asphaltene properties during floc ageing. The flocculation process was studied with the selected, significantly different crude oils. Experiences were done with the use of different solvents and flocculants. We have studied the impact of the alkane chain length on the aggregation mechanism, as well as the influence of acid and basic compounds, the interactions of which with asphaltenes are very strong. The dynamic light scattering technique was used to follow aggregation induced by compositional and temperature changes. Kinetic results were completed with rheological studies that afforded an information not only on the macroscopic flow properties but also on subtle structure changes that cannot be obtained with other techniques. Results obtained allowed a better comprehension of the mechanism of aggregation and flocculation of asphaltenes and will be use to elaborate new methods of asphaltene flocculation prevention