Les risques liés aux explosions de poussières, de par leur fréquence et leur gravité, sont élevés. Nous avons donc essayé de comprendre ce phénomène par le biais d’une étude paramétrique sur l’inflammabilité (concentration, température et énergie minimales d’inflammation) et l’explosivité des poussières (surpression maximale et vitesse de montée en pression) vis-à-vis de poussières aussi bien métalliques (aluminium) qu’organiques (sucre glace et polyéthylène). Les influences de la concentration, la granulométrie, la teneur en eau et en solvant (mélanges hybrides) sur la sensibilité et la sévérité des explosions de poussière ont été étudiées. Nous avons par exemple mis en évidence un accroissement de l’explosivité des poussières en présence de solvant. Ces études paramétriques ont permis d’initier une modélisation de l’explosion poussière en reliant la cinétique de combustion à la violence des explosions / Dust explosions risks linked with their occurrence and their gravity are very high. In consequence, we try to understand this phenomenon by studying the influence of various parameters on the dust inflammability (minimum inflammation concentration, temperature and energy) and dust explosivity (maximum overpressure and rate of pressure rise) for both metallic (aluminium) and organic (icing sugar and polyethylene) dusts. Concentration, particle size distribution, water and solvent (hybrid mixtures) contents influences on dust explosion sensibility and severity have been studied. For example, we observed an increase of dust explosivity in the presence of solvent. Thanks to these parametric studies, we initiated a dust explosion modelling by linking combustion kinetic and explosion violence

Nous avons étudié le vieillissement thermooxydant de films de polypropylène isotactique (iPP) dans l'intervalle de température 70-150°C par des méthodes classiques (spectrométrie IR, essai de traction) et moins courantes (mesure de masse molaire), voire relativement nouvelles (travail essentiel de rupture EWF). Il apparaît que le polymère, initialement fortement ductile, adopte un comportement fragile (en traction) alors que le phénomène d'oxydation est encore indétectable par IR. Cette fragilisation, correspondant à une localisation de la déformation plastique, apparaît comme une conséquence d'un processus de coupure de chaîne de type aléatoire : la transition ductile-fragile se manifeste lorsque la masse molaire en poids atteint une valeur critique M'C=200 kg/mol, ce qui est compatible avec les données disponibles sur des échantillons vierges de masse molaire variable. Ce résultat est donc difficile à concilier avec les théories, courantes dans la littérature, selon lesquelles la fragilisation serait attribuable à la formation de défauts induits par oxydation hétérogène à petite échelle. L'analyse approfondie des résultats suggère au contraire que l'oxydation est homogène (dans la phase amorphe) et affecte la connectivité interlamellaire dont on connaît le rôle crucial dans le processus de déformation plastique. Partant de ce constat, nous avons élaboré un modèle cinétique rendant compte de l'évolution de la structure, en particulier de la masse molaire, dans lequel un couplage réaction-diffusion permet de prédire la distribution des produits d'oxydation à tout instant. Nous avons utilisé ce modèle pour prédire la durée de vie, le critère de fin de vie étant la fragilisation, soit M=M'C. La confrontation avec l'expérience (allure des courbes cinétiques, valeur des durées de vie, profil de distribution des produits d'oxydation dans l'épaisseur) démontre les capacités prédictives du modèle dont la caractéristique principale est qu'il ne comporte pas de paramètre empirique.

Les fluides de forage à base d'huile sont utilisés lors d'opérations de forage off-shore. Ils permettent de lubrifier l'outil de forage, d'évacuer les déblais ainsi que de maintenir une pression hydrostatique dans le puits. Avec des forages off-shore de plus en plus profonds, les conditions thermodynamiques sont réunies (haute pression et basse température) pour la formation d'hydrates de gaz dans les fluides de forage. L'analyse calorimétrique différentielle sous haute pression est une technique qui a fait ses preuves pour l'étude de l'équilibre thermodynamique du système triphasique gaz - eau - hydrate. Elle a été retenue pour étudier la cinétique de formation d'hydrates car elle est particulièrement bien adaptée aux milieux dispersés complexes. Une étude a été menée en faisant varier la pression de 11 à 40 MPa, le degré de sous-refroidissement de 14 à 30 K et en étudiant la formation d'hydrates dans trois fluides de composition différente. L'étude expérimentale a mis en évidence l'effet des paramètres cinétiques étudiés. L'utilisation de modèles classiques a permis de représenter les résultats expérimentaux pour des faibles et des fortes forces motrices. On a ensuite développé un modèle cinétique qui combine la théorie de la cristallisation, l'aspect statistique de la nucléation et les bilans de matière sur les espèces présentes dans le système.

Les matériaux nanocomposites suscitent un intérêt grandissant en recherche dû au fait qu'ils améliorent les propriétés barrières en incorporant une faible quantité de nanocharges inférieure à 5%. Actuellement, les montmorillonites organiquement modifiées (MMT-O) sont les nanocharges les plus répandues grâce à leur rapport de forme élevé permettant de favoriser les interactions surfaciques argile/polymère. Si ces matériaux présentent d'excellentes performances, leur durabilité et l'impact de la présence d'argile dans la matrice polymère n'a pas encore été étudiée en profondeur. Notre objectif était d'étudier finement le comportement vis-à-vis de l'oxydation de nanocomposites à matrice polypropylène et polyéthylène non stabilisés afin de mettre en évidence les effets de l'argile sur le processus d'oxydation aux faibles températures Ces effets ont deux origines : une origine chimique et une origine physique. Pour étudier ces deux origines, une démarche expérimentale et de modélisation du processus d'oxydation contrôlée ou non par la diffusion d'oxygène (respectivement dégradation hétérogène et homogène) a été mise en place. D'une manière générale, il apparait que la présence de MMT-O accélère l'oxydation. Ce phénomène a été modélisé par l'ajout de réaction catalytique entre les particules métalliques initialement présentes dans la MMT-O et les hydroperoxydes liés à l'oxydation. Concernant l'effet de la MMT-O sur la perméabilité à l'oxygène, deux cas ont été observés : dans le cas du système à base polypropylène (morphologie intercalée/exfoliée), une diminution de 45% de perméabilité a été mesurée par rapport à la matrice seule, alors que dans le cas du système à base de polyéthylène (morphologie intercalée), pas de variation significative a été détectée. Les cinétiques et les profiles dans l'épaisseur des échantillons des produits d'oxydation ont été mesurés et simulés par un modèle couplant réactions d'oxydation et diffusion d'oxygène dans les deux systèmes. Dans le cas du système à matrice polyéthylène, les modifications induites par l'oxydation sur les masses molaires et sur la morphologie cristalline sont prédites. Enfin, en se basant sur des relations structure-propriétés, des profils de module mécanique ont été simulés dans le cas de la dégradation hétérogène (oxydation contrôlée par la diffusion). Ces simulations ont été confirmées par des mesures de modules dans l'épaisseur d'échantillons épais de nanocomposite à matrice polyéthylène oxydés.

Ce document est une synthèse des travaux de recherche menés par l'auteur dans le domaine des écoulements géophysiques et de la biomécanique. Pour des raisons associées aux dimensions caractéristiques des problèmes étudiés, les écoulements géophysiques sont généralement représentés par des modèles plus simples que les équations de Navier-Stokes. Ainsi le système de Saint-Venant rend bien compte de phénomènes complexes telles les ruptures de barrage, les inondations, les avalanches. Dans ce document on propose plusieurs modèles de complexité réduite mais permettant de s'affranchir des limitations du système de Saint-Venant. Outre la dérivation, on propose pour chaque modèle, un schéma numérique ainsi qu'une confrontation avec des solutions analytiques et/ou des mesures expérimentales dans le cas d'écoulements complexes. Les discrétisations sont basées sur une interprétation cinétique des modèles, cette description permettant d'assurer les principales propriétés de stabilité des schémas. Certains des modèles proposés ont été implémentés dans des codes industriels. Dans la seconde partie du document, d'autres travaux concernant la modélisation en biomécanique et plus particulièrement l'activité électro-mécanique du muscle cardiaque sont également présentés.

Cette étude s'inscrit dans la problématique du comportement à long terme des verres de confinement des déchets nucléaires. La couche d'altération formée lors de l'altération du verre par l'eau, appelée gel, peut limiter les échanges entre le verre et la solution. Les verres étudiés sont du type SiO2-B2O3-Na2O-CaO-ZrO2. Deux séries de verres ont été synthétisées en substituant CaO à Na2O et ZrO2 à SiO2. Les altérations ont montré que le calcium améliore la réticulation du réseau vitreux, aboutissant à une diminution du degré final d'altération et que la présence de Zr limite l'hydrolyse du silicium, conduisant à une diminution des vitesses initiales de dissolution. En revanche, le zirconium a aussi pour effet de retarder la chute de vitesse d'altération et conduit à une augmentation du degré d'altération. Afin d'expliquer cet effet paradoxal, la morphologie des gels a été sondée par diffusion des rayons X aux petits angles. Ces expériences montrent que la réorganisation du réseau poreux du gel au cours de l'altération est limitée par la présence de Zr. La restructuration du gel est donc à l'origine de la forte chute de vitesse d'altération observée dans les verres à faible teneur en ZrO2. De plus, le suivi d'éléments étrangers dans le gel par spectrométrie de masse (TOF-SIMS) et l'expérience de diffusion de neutrons avec variation de contraste ont montré que la porosité se fermait au cours de l'altération dans le verre sans ZrO2, alors qu'elle restait ouverte dans les verres aux fortes teneurs en ZrO2. Ces expériences, couplées avec des simulations de type Monte Carlo, établissent un lien entre les transformations morphologiques du gel et la cinétique d'altération.

In this thesis I investigate the dynamics of charged particles and plasma into non-uniform distributions of the electric and magnetic fields. In the first part attention is focused on the motion of test particles. The interaction between particles as well as the perturbations they might produce to the external charge and current density are neglected. I investigate a distribution of the magnetic field that depends on only one spatial coordinate, x, with the Bx component of the magnetic field being equal to zero everywhere, like in tangential discontinuities. The magnetic vector, B, can rotate across the discontinuity by an angle α ∈" [00, 1800]. In addition to the B-field distribution I assumed different distributions of the electric field, E, with Ex = 0. I have considered three cases: (A) a uniform electric field; (B) a non-uniform electric field perpendicular everywhere to B and conserving the zero order drift, and (C) a non-uniform electric field, perpendicular everywhere to B and conserving the magnetic moment of the drifting particles. The particles are drifting into these steady state electromagnetic field distributions; their orbits together with the path of the first order guiding center are integrated numerically. The numerical results show that the ”antiparallel” distribution of the magnetic field (obtained when α = 1800) with B = 0 at x = 0 does not produce anomalous acceleration of the test-particle as assumed in some steady state reconnection models. Although the zero and first order guiding center approximations diverge where B = 0, the exact equation of motion is not singular, it can be integrated throughout the integration time. The mathematical singularity of the approximative solutions does not correspond to a “true” (physical) singularity of the exact equation of motion. When the magnetic field is sheared with a non-zero By-component, and B can rotate with respect to E (case A), the particle orbit is confined into a sheath centered onto the x-position where B becomes parallel to E. Partial or total penetration of the test-particle is equally possible, as demonstrated for the E-field distributions of case B and case C. In case C the distance of penetration depends on the initial total energy of the test particles. Except for one of six different configurations considered, the reversal point of Bz does not correspond to a point of particle acceleration in the direction normal to B nor is the stopping point of the particle's motion in the direction normal to B. Indeed, it is the relative orientation between E and B, together with the vi total initial energy of the particle that determine the distance of penetration across the sheared magnetic field distribution. Penetration into the region of non-uniform magnetic field produces separation of charges. Particles with the highest energy are deflected the most. In the second part of the thesis I treat the dynamics of an ”ensemble” of electrons and protons forming a plasma stream. The plasma flow is spatially two-dimensional. In this case the plasma ”internal” contribution to the external fields is evaluated and self-consistently computed. The method adopted is the kinetic theory approximation of plasma physics instead of one-fluid magnetohydrodynamic (MHD) approximation or the Particle-In-Cell (PIC) generally used. Both the ensembles of electrons and protons are described by their velocity distribution function (VDF) that has to satisfy the Vlasov equation derived from the general Liouville theorem for a collisionless plasma. The VDFs are given in terms of the two constants of mechanical motion, the total energy, H, and one canonical momentum, px. The first adiabatic invariant, µ - the magnetic moment which is almost conserved when the Alfven conditions are satisfied, approximates a third constant of motion. I have found a velocity distribution function that describes a plasma moving in the Ox direction with a two-dimensional bulk velocity Vx(y, z) depending both on y and z. The moments of the VDFs of electrons and ions were computed analytically. The self-consistent electromagnetic potentials are found by solving the Maxwell equations and the plasma quasineutrality equation. The partial current densities, jx(y, z), determined by the first order moments of the VDFs were introduced into Ampere's equation in order to compute Ax(y, z), the component of the magnetic vector potential. The charge densities of the component species, qαnα, determined by the zero order moments of the VDFs have been introduced into the quasineutrality equation, α qαnα = 0, from which the distribution of the electric potential, Φ(y, z), is computed. The solutions for the electromagnetic potentials are found numerically. I have obtained a kinetic model that describes a two-dimensional plasma stream whose perpendicular bulk velocity varies (or is sheared) both in the direction normal to the magnetic field (perpendicular shear) and parallel to the magnetic field (parallel shear ). The parallel shear of velocity has never been modeled before using kinetic equations. On the other hand the two dimensional models proposed till now for the dynamics of magnetospheric plasma did not consider differential (or sheared) plasma motion across magnetic field lines. Several kinetic solutions are given for two-dimensional plasma flows and for different values of asymptotic densities, temperatures and bulk velocity. The key-feature of these numerical models is the existence of a parallel component of the electric field, Eparallel. It is shown that the parallel electric field vii is sustained by the parallel shear of the perpendicular plasma velocity. The amplitude of the parallel electric field depends on the value of the magnetic- field-aligned gradient of the perpendicular plasma velocity and also on the relative density and temperature of the moving stream with respect to the background, stagnant plasma. This is a new mechanism to generate parallel electric fields that adds to the ones already described in the literature and that are discussed in part 2 of this Thesis. In the kinetic models presented in the second part I have adopted a set of plasma densities and temperatures typical for the terrestrial magnetopause region. A parallel gradient of the density or electronic pressure enhances the intensity of the parallel electric field. The scale length of the boundary layer of transition from moving to stagnant regime can be of the order of the electron Larmor radius (“electron layer”) or the proton Larmor radius (“proton layer”). The scaling of the boundary layer is determined by the relative orientation of the magnetic field and the plasma bulk velocity. Eparallel is stronger in the case of Parallel Sheared Electron Layer than in the case of Parallel Sheared Proton Layer. The existence of a parallel component of the electric field invalidates the MHD approximation. In the case of the two-dimensional plasma flow studied in this Thesis the MHD convection velocity, UE = E ×B/B2 is not a satisfying approximation of the plasma bulk velocity, V . I illustrate the differences between UE (assigned in MHD approximations to a “frozen-in” motion of B-field lines) and V obtained by the kinetic models described in part 2. It is shown that the “de-freezing” is produced in those regions where a non-vanishing parallel electric field component was determined. The kinetic treatment of the plasma dynamics adopted in this Thesis evidence kinetic effects disregarded in the one-fluid approximations: finite Larmor radius effects that are illustrated in Part I and non-MHD parallel electric fields that are described in Part II. These effects play an important role in the processes taking place at the magnetopause, the interface region between the solar wind and the terrestrial magnetosphere.

La cinétique de la décomposition thermique de Co3O4 a été étudiée sur des échantillons pulvérulent ou monocristallins. La formation d'une couche compacte de monoxyde de cobalt ainsi que la forme de l'équation décrivant les courbes degré de décomposition-temps ont abouti au développement d'un modèle dans lequel la cinétique est limitée par la diffusion de l'oxygène à travers la couche. Ce modèle dérive de celui de Ginstling et Brounshtein tient compte de la variation de l'énergie d'activation avec le degré de décomposition. Une interprétation des propriétés électriques de Co3O4 pur et dopé est également proposée.

The calculations of the viscosity coefficient of a gas become very complicated when the density of particles increases.<br />These calculations become very complicate because of the possibility of occurrence of more than two particles collisions. But the hypothesis of the “molecular chaos” cannot always be valid and the correlations between the particles become more important with increasing density.<br />The introduction of a micro-irreversibility process in the collision between two particles compatible with the H-theorem, cannot assure the definition of the band of dissipation on the basis of dynamics and statistical models. We need the theory of the intermolecular forces and the electromagnetic theory.<br />In order to overcome this difficulty, we define by simulation a relation between the relaxation of the pair distribution function and the collision time of two particles. In this way, we get a band of dissipation in the attractive part of a realistic potential as Lennard-Jones or Hanley-Klein potential. It is the space where the acceleration variations are negative

Cette thèse porte sur le vieillissement thermo-oxydant de fibres géotextiles en polypropylène, l'objectif principal étant la prédiction de durée de vie à partir d'essais de vieillissement accéléré par une méthode non-empirique. Des essais ont été réalisés à des températures comprises entre 50 et 130°C et des pressions d'oxygène entre 0,02 et 5,0 MPa sur du PP non stabilisé et sur divers échantillons de PP contenant diverses concentrations de phosphite ou d'anti-oxydant phénolique. L'étude de l'effet d'un milieu aqueux sur le vieillissement a également été abordée. L'ensemble des données bibliographiques disponibles et des résultats expérimentaux acquis a permis de faire une proposition de schéma mécanistique (processus d'oxydation radicalaire en chaîne ramifié) qui a conduit à un schéma cinétique dont la résolution, dégrossie par voie analytique, est en définitive obtenue par voie numérique. Ce modèle permet de simuler les courbes cinétiques d'évolution de la structure chimique du PP dans toute l'étendue des intervalles de température et de pression étudiés. Les paramètres cinétiques, déterminés par méthode inverse, prennent des valeurs physiquement raisonnables. Le nombre et la diversité des tests de validité du modèle (dosage des carbonyles et des hydroperoxydes) permettent de garantir sa pertinence. L'étude des stabilisants, outre le fait qu'elle complète le modèle, a permis de déterminer des paramètres cinétiques jusqu'ici inconnus, et de mettre en évidence l'existence de processus élémentaires (en particulier une réaction phénol-oxygène) jusqu'ici ignorés. Enfin, l'accélération du vieillissement dûe à l'extraction des stabilisants par un milieu aqueux environnant a été prouvée, et sa modélisation, bien qu'incomplète, ne semble pas inaccessible, ce qui permet d'envisager une prédiction non empirique de la durée de vie des géotextiles.