Les chocs non-collisionnels jouent un rôle majeur dans de nombreux événements astrophysiques à haute densité d'énergie (sursauts gamma, restes de supernovæ, vents de pulsar...), et seraient responsables de la génération de particules supra-thermiques et de radiations. Les simulations ont démontré qu'en l’absence de champs magnétiques externes, des instabilités électromagnétiques peuvent prendre place lors de la collision de plasmas à haute vitesse. Les instabilités du type Weibel sont en effet capables de faire croître, dans ces milieux, une turbulence électromagnétique potentiellement en mesure de défléchir et d'accélérer des particules par des processus du type Fermi. En plus d'une compréhension théorique toujours croissante, la génération expérimentale de tels chocs est maintenant étudiée à l'aide de lasers de puissance. Les fluctuations thermiques électromagnétiques constituent les germes des instabilités se développant dans un plasma. Nous nous sommes attelés à leur description dans le cas d’un plasma relativiste régi par une fonction de distribution de type Maxwell-Jüttner. Des formules exactes de la densité spectrale ont pu être obtenues pour différentes orientations du vecteur propre. Ces résultats ont pu être confrontés aux prédictions d’un code de simulation particle-in-cell (PIC). Un très bon accord a été démontré.Ces résultats ont été exploités lors d'une collaboration internationale dont le but était d'estimer le temps de saturation de l'instabilité cinétique de Weibel, générant des fluctuations magnétiques. Les estimations obtenues ont pu être validées par des simulations PIC sur trois ordres de grandeur d'énergie de dérive.Nous avons ensuite mené une étude théorique et numérique des collisions de plasma d'électrons-ions en régime non-collisionnel ayant lieu lors d'événements astrophysiques tels que les restes de supernovæ. Par-delà un intérêt académique pour la compréhension des processus de transfert/transport d’énergie au sein des plasmas, la récente génération de tels plasmas en laboratoire ouvre des perspectives inédites en astrophysique des hautes énergies. La zone de recouvrement de ces faisceaux de particules est sujette à des instabilités cinétiques du type Weibel, générant des champs magnétiques intenses.Nous avons modélisé l'évolution non-linéaire d'un système soumis à l'instabilité de Weibel, et obtenu des formules analytiques de l'évolution des paramètres plasmas (températures et vitesse de dérive) et des champs magnétiques. Le modèle prédit ainsi l’évolution du système jusqu’à un stade proche de l’isotropisation complète des populations de particules et donc jusqu'à la formation d’un choc non-collisionnel. Ce modèle, en accord avec des simulations du type « particle-in-cell », pu aussi être comparé à des résultats expérimentaux récents. L'étude de la propagation des chocs non-collisionnels, m'a permis de généraliser le précédent modèle au cas de la turbulence magnétique ayant lieu en amont du front de choc.Nous nous sommes consacrés enfin aux chocs non-collisionnels créés dans un plasma dense (opaque) irradié par un laser intense. L’interaction laser-plasma qui en résulte donne lieu à un important courant d'électrons relativistes qui sont à l’origine d’instabilités cinétiques (de filamentation notamment) susceptibles d'évoluer en choc non-collisionnel. Une observation originale, contrastant avec les premières publications sur le sujet est que pour les paramètres considérés (un laser d’éclairement ~1021 Wcm-2, interagissant avec une cible solide), le choc résulte de la turbulence magnétique produite par l’instabilité électronique, plutôt que par l’instabilité ionique (dont la croissance est plus tardive). En d’autres termes, compte tenu de l’énergie très élevée des électrons accélérés par le laser, la turbulence qu'ils génèrent s’avère assez forte pour rapidement défléchir les ions. / Collisionless shocks play a major role in powerful astrophysical objects (e.g., gamma-ray bursts, supernova remnants, pulsar winds, etc.), where they are thought to be responsible for non-thermal particle acceleration and radiation. Numerical simulations have shown that, in the absence of an external magnetic field, these self-organizing structures originate from electromagnetic instabilities triggered by high-velocity colliding flows. These Weibel-like instabilities are indeed capable of producing the magnetic turbulence required for both efficient scattering and Fermi-type acceleration. Along with rapid advances in their theoretical understanding, intense effort is now underway to generate collisionless shocks in the laboratory using energetic lasers. In a first part we study the (w,k)-resolved electromagnetic thermal spectrum sustained by a drifting relativistic plasma. In particular, we obtain analytical formulae for the fluctuation spectra, the latter serving as seeds for growing magnetic modes in counterstreaming plasmas. Distinguishing between subluminal and supraluminal thermal fluctuations, we derived analytical formulae of their respective spectral contributions. Comparisons with particle-in-cell (PIC) simulations are made, showing close agreement in the subluminal regime along with some discrepancy in the supraluminal regime. Our formulae are then used to estimate the saturation time of the Weibel instability of relativistic pair plasmas. Our predictions are shown to match 2-D particle-in-cell (PIC) simulations over a three-decade range in flow energyWe then develop a predictive kinetic model of the nonlinear phase of the Weibel instability induced by two counter-streaming, symmetric and non-relativistic ion beams. This self consistent, fully analytical model allows us to follow the evolution of the beams' properties up to a stage close to complete isotropization and thus to shock formation. Its predictions are supported by 2D and 3D particle-in-cell (PIC) simulations of the ion Weibel instability in uniform geometries, as well as shock-relevant non-uniform configurations. Moreover, they are found in correct agreement with a recent laser-driven plasma collision experiment. Along with this comparison, we pinpoint the important role of electron screening on the ion-Weibel dynamics, which may affect the results of simulations with artificially high electron mass. We subsequently address the shock propagation resulting from the magnetic Weibel turbulence generated in the upstream region. Generalizing the previous symmetric-beam model to the upstream region of the shock, the role of the magnetic turbulence in the shock-front has been analytically and self-consistently characterized. Comparison with simulations validates the model. The interaction of high-energy, ultra-high intensity lasers with dense plasmas is known to produce copious amounts of suprathermal particles. Their acceleration and subsequent transport trigger a variety of Weibel-like electromagnetic instabilities, acting as additional sources of slowing down and scattering. Their understanding is important for the many applications based upon the energy deposition and/or field generation of laser-driven particles. We investigate the ability of relativistic-intensity laser pulses to induce Weibel instability-mediated shocks in overdense plasma targets, as first proposed by Fiuza in 2012. By means of both linear theory and 2D PIC simulations, we demonstrated that in contrast to the standard astrophysical scenario previously addressed, the early-time magnetic fluctuations (Weibel instability) generated by the suprathermal electrons (and not ions) are strong enough to isotropize the target ions and, therefore, induce a collisionless electromagnetic shock.

La stabilité des carburants en phase liquide est de premier ordre dans le domaine du transport. Par exemple, les carburants, les lubrifiants ou les additifs doivent être stables de leur production jusqu'à leur utilisation. Cette thèse a pour but de développer et de valider une méthodologie alliant l’acquisition de données expérimentales et le développement de modèles cinétiques pour l'autoxydation en phase liquide.Expérimentalement, une approche complémentaire a été mise en place pour obtenir à la fois des données de réactivité globales via un appareil PetroOxy et des profils d’espèces via un autoclave instrumenté.Numériquement, une méthodologie basée sur un générateur de mécanismes est proposée pour obtenir une chimie détaillée en phase liquide. Les paraffines linéaires et branchées sont étudiées comme des carburants modèles représentatifs de l'autoxidation de carburants réels afin de valider l’approche proposée. Ces familles chimiques sont représentatives de la composition des carburants réels et alternatifs.La réactivité des n-paraffines de C8 à C16 ainsi que d’isomères de l’octane a été étudiée en PetroOxy sur la gamme de température 373-433 K. Puis, des profils d’espèces détaillés de la phase gaz et de la phase liquide ont été obtenus durant l’étude de l’oxydation du n-C8 et du 2-methylheptane dans un autoclave à 383 K et 10 bars. Des mécanismes cinétiques détaillés ont été développé pour toutes les molécules jusqu’à C14. Les mécanismes reproduisent qualitativement la formation des espèces majoritaires lors de l’autoxidation des alcanes ainsi que les tendances observées liées à la longueur de chaîne et la ramification. L’analyse des mécanismes cinétiques a mis en avant le rôle prédominant des radicaux peroxy (ROO) et peroxy-hydroperoxyde (HOOQOO) dans la consommation de carburants modèles.Cette étude a permis d’améliorer la compréhension des processus d’autoxidation des alcanes linéaires et branchés. L’étude de nouveaux systèmes permettra d’améliorer la compréhension globale des processus d’autoxidation et, de réduire l’écart de compréhension existant entre l’autoxidation des carburants réels et des carburants modèles. / Liquid phase stability is a major concern in the transportation and the energy fields. Relevant examples are fuels, lubricants and additives which have to be stable from their production to their application (engine, combustors). This thesis aims to develop and validate a complete methodology combining both experimental data acquisition and the development of kinetic models for liquid phase autoxidation.The experimental methodology is based on a complementary approach to obtain (i) a global reactivity descriptor (Induction Periods) and (ii) detailed species profiles respectively using a PetroOxy device and an instrumented autoclave. Numerically, the presented methodology includes detailed liquid phase mechanisms generation with an automatic mechanism generator (RMG). Normal and iso-paraffins were selected as fuel surrogates for autoxidation to validate the developed methodology. They were selected regarding their large contribution in fuel composition and their growing interest as drop-in fuels.The reactivity of both n-paraffins from C8 to C16 and several C8 iso-paraffins was investigated over a wide temperature range (373-433 K) in the PetroOxy with liquid phase analyses. Then, detailed species profiles from the autoxidation of both n-octane and 2-methylheptane in autoclave were obtained at 383 K and 10 bars. Detailed liquid phase mechanisms were developed for all molecules tested up to C14. Mechanisms qualitatively reproduce the overall phenomenology of the chain length, the branching and the major species profiles observed experimentally. Mechanisms analysis allow to identify the main consumption pathways of alkanes through peroxy (ROO) and peroxy-hydroperoxide radicals (HOOQOO) over the temperature range investigated (373-473 K).This study permitted to increase the comprehension of autoxidation processes involved in normal and branched alkanes. The study of new chemical systems will increase the global comprehension of autoxidation processes and in fine it will reduce the gap between the current autoxidation knowledge and the real fuel autoxidation.

Cette étude est dédiée à la compréhension du processus de granulation humide en mélangeurs à haut taux de cisaillement. Une étude systémique et méthodologique a été menée permettant l'investigation de l'influence des paramètres opératoires, de la technologie employée et des propriétés physico-chimiques des matières premières. Cette investigation est réalisé a travers des techniques de caractérisation morphologiques, rhéologiques et mécaniques. En reliant les courbes de couple enregistrés lors de la granulation humide à la cinétique de croissance des granules, aux caractérisations microscopiques et aux propriétés mécaniques des granules la prédiction du comportement lors de la granulation devient possible. La caractérisation des propriétés mécaniques des granules a été étudié à deux échelles: à l'échelle du milieu humide la consistance a été caractérisé par un rheometre à torque et à l'échelle de l'agglomérat sec la résistance mécanique a été caractérisé par des mesures de compression directe des grains individuelles. Cette approche permet d'avoir des informations complémentaires permettant de mieux décrire l'évolution des courbes de couple dépendantes de propriétés de la masse humide et la compétition entre les forces interfaciales et visqueuses conditionnant la qualité des grains secs résultés. Les paramètres investigués par cette approche sont l'effet du taux de remplissage du réacteur, l'effet de la vitesse d'agitation, de la présence et de la conception de l'émotteur, de la conception du réacteur employé, des propriétés physico-chimiques de la solution liante et des propriétés des mélanges binaires des poudres hydro-solubles / hydro-insolubles. / This study is dedicated to the understanding of the wet granulation process in high shear mixers. A systematic study has been carried out that allows the investigation of the influence of operating conditions, technology and physico-chemical properties of the starting materials. This investigation is achieved by morphological, rheological and mechanical characterization methods. By linking recorded torque curves during the granulation process to granule growth kinetics, microscope characterizations and to the end-granule properties granulation outcome prediction becomes possible. The characterization of the mechanical properties has been done at two scales: at the granule bed scale the bulk wet mass consistency has been determined on a mixer torque rheometer, at the granule scale single dry granule direct compression tests were carried out. This approach gives complementary information allowing better description of the torque curves directly related to the wet mass properties and the competition between static and viscous forces conditioning the dry end granule quality. The factors investigated in this study are: the effect of fill ratio, impeller speed, chopper presence and design, mixer design, binder physico-chemical properties and formulation properties for binary water-soluble / water insoluble powder mixtures.

L'interaction d'un plasma avec une impulsion laser-intense suscite de plus en plus d'intérêt du fait des progrès en matière de technologie laser d'outils numériques. La réaction du rayonnement affecte la dynamique des électrons, celle du rayonnement synchrotron, ainsi que celle des ions via le champ de séparation de charge, pour des intensités laser supérieures à 10puissance22 W/CM2. les équations cinétiques régissant le transport de particules à ultra-haute intensité ont été obtenues. La réaction du rayonnement implique la contraction du volum de l'epace des phases des électrons A l'aide de simulations numériques nous avons démontré la forte rétro-action que les effets collectifs induisent sur le rayonnement synchrotron généré par les électons accélérés. L'importance des effets collectifs dépend fortement de la masse des ions et de l'épaisseur du plasma considéré. Ces effets pourraient être vérifiés expérimentalement avec des cibles cryogéniques d'hydrogène. / Résumé en anglais

Les traitements en radiothérapie consistent à irradier le patient avec desfaisceaux de particules énergétiques (typiquement des photons) ciblant la tumeur. Cesparticules sont transporté à travers le milieu et y dépose de l'énergie. Cette énergiedéposée, appelée la dose, est responsable des effets biologiques des radiations.Ce travail a pour but de développer des méthodes numériques de calcul etd'optimisation de la dose qui sont compétitives en termes de coût de calcul et de précisionpar rapport à des méthodes de référence.Le mouvement des particules est d'abord étudié via un système d'équationscinétiques linéaires. Cependant, résoudre directement ces systèmes est numériquementtrop coûteux pour des applications médicales. Pour palier ce coût de calcul, la méthodemoment, et en particulier les modèles Mn, est utilisée. Ces équations aux moments sontnon linéaires et valides sous une condition appelée réalisabilité.Les schémas numériques standards pour les équations aux moments sontcontraints par des conditions de stabilité qui se trouvent être très restrictives lorsque lemilieu contient des zones sous-denses. Des schémas numériques inconditionnellementstables et adaptés aux équations aux moments (préservant la réalisation) sontdéveloppés. Ces schémas se révèlent compétitifs en termes de coûts de calcul par rapportaux approches de référence. Finalement, ces méthodes sont appliquées dans uneprocédure d'optimisation visant à maximiser la dose dans la tumeur et la minimiser dansles tissus sains. / Radiotherapy treatments consists in irradiating the patient with beams ofenergetic particles (typically photons) targeting the tumor. Such particles are transportedthrough the medium and deposit energy in the medium. This deposited energy is the socalleddose, responsible for the biological effect of the radiations.The present work aim to develop numerical methods for dose computation andoptimization that are competitive in terms of computational cost and accuracy compared toreference method.The motion of particles is first studied through a system of linear transport equationsat the kinetic level. However, solving directly such systems is numerically too costly formedical application. Instead, the moment method is used with a special focus on the Mnmodels. Those moment equations are non-linear and valid under a condition calledrealizability.Standard numerical schemes for moment equations are constrained by stabilityconditions which happen to be very restrictive when the medium contains low densityregions. Inconditionally stable numerical schemes adapted to moment equations(preserving the realizability property) are developped. Those schemes are shown to becompetitive in terms of computational costs compared to reference approaches. Finallythey are applied to in an optimization procedure aiming to maximize the dose in the tumorand to minimize the dose in healthy tissues.

La compréhension de l'initiation de la corrosion localisée sur les aciers inoxydables reste à nos jours encore limitée. Dans ce contexte, ce travail a porté sur l'observation in situ par Microscopie à Force Atomique (AFM) de l'initiation de piqûres ou de fissures de corrosion sous contrainte (CSC). Pour cela, une technique originale associant un AFM, une cellule électrochimique et une platine de déformation a été mise au point. Elle permet d'imager in situ sous potentiel et/ou sous contrainte contrôlés les évolutions de la surface d'un 304L. Nous avons ainsi montré que les piqûres de corrosion s'initient préférentiellement au niveau d'imperfections nanométriques de la surface. Pour la première fois, un suivi cinétique de la croissance des piqûres aux échelles nanométriques a été réalisé, corroborant le modèle du "point defect" (vitesse de croissance des piqûres de 0,18 Å.s−1, densité de courant à l'intérieur des piqûres de 73 μA.cm−2). Combiné à l'EBSD ("Electron BackScattered Diffraction"), l'AFM permet d'indexer totalement les systèmes de glissement actifs et de remonter au nombre de dislocations émergées (quelques unités). L'effet aux échelles nanométriques de l'écrouissage sur l'initiation de piqûres a été étudié : nous proposons un modèle simple basé sur les modifications du travail de sortie des électrons par des contraintes locales. Cela explique l'initiation de 70% des piqûres au niveau des zones écrouies. En CSC, les premières observations in situ semblent valider le modèle de Magnin : l'initiation de fissures est observée au niveau de noeuds de concentration de contraintes. Observées après anodisation de nos surfaces de 304L, des nanostructures organisées de cavités nanométriques (période de 50-100 nm) ont été caractérisées. En collaboration avec une équipe de l'INSERM, nous avons montré que de telle surfaces nanostructurées améliorent l'adhésion et la différenciation de cellules osseuses.

Nous avons étudié l'influence du traitement thermomécanique des alliages Al-Zn-Mg-Cu sur leur microstructure et leurs propriétés mécaniques. Plus spécifiquement, nous avons étudié comment les mécanismes de précipitation et de durcissement structural sont modifiés lorsqu'on introduit des dislocations par détensionnement préalablement au traitement de revenu.<br />La première approche de ce problème est expérimentale. Le but était d'obtenir des relations entre les microstructures développées suivant les différents traitements thermomécaniques et les propriétés mécaniques qui en résultent. Pour cela, nous avons utilisé de nombreuses techniques d'investigation complémentaires: microscopie optique et électronique en transmission, calorimétrie différentielle, diffusion centrale des rayons X, tomographie atomique, résistivité, microdureté et essais de traction.<br />Dans un deuxième temps, nous avons développé un modèle de précipitation compétitive homogène / hétérogène sur les dislocations. Ce modèle intègre continûment les différentes étapes de la précipitation (germination, croissance et coalescence) et du durcissement structural (cisaillement, contournement). Nous avons pu retrouver les principaux résultats expérimentaux à l'aide de ce modèle. <br />Enfin, nous avons étudié les propriétés plastiques de nos matériaux, suivant l'état de précipitation. Plus particulièrement, nous avons pu mettre en évidence la présence d'une précipitation dynamique lors d'essais de traction dans des états sursaturés, apportant un écrouissge très élevé.

Les travaux présentés concernent les phénomènes de précipitation structurale dans les matériaux métalliques, avec en particulier comme application les alliages d'aluminium et d'acier, ainsi que leurs assemblages, pour les pièces de structure dans le domaine des transports.<br />La première partie présente des avancées dans la caractérisation quantitative de la précipitation à l'échelle nanométrique, et ce notamment par les techniques de diffusion centrale des rayons X et des neutrons. L'utilisation des grands instruments pour obtenir notamment des données in-situ sera illustrée.<br />La deuxième partie s'intéresse aux cinétiques de précipitation, ainsi qu'à leur modélisation. Sont traitées les cinétiques de précipitation isothermes dans les alliages ternaires, l'influence de la présence de défauts structuraux sur ces cinétiques, la précipitation non-isotherme, et la précipitation couplée à la déformation.<br />La troisième partie s'intéresse à l'influence de la précipitation sur les propriétés mécaniques des matériaux. Diverses études seront présentées, portant sur la limite d'élasticité, le taux d'écrouissage, et enfin la ténacité.

Cette thèse, composée de quatre chapitres, porte sur l'amélioration et le développement de modèles pour la simulation numérique de la combustion supersonique. Le 1er chapitre décrit les bases théoriques d'un code de calcul destiné à la simulation des écoulements compressibles réactifs turbulents. Le 2e chapitre présente les améliorations apportées au modèle de turbulence k-epsilon, notamment l'implantation des corrections de Pope et Sarkar et la validation du modèle pour des écoulements compressibles tels que la couche de mélange plane et le jet rond. Une limitation stabilisatrice a été proposée pour la correction de Pope assurant une prédiction précise de l'épanouissement du jet rond. Un post-traitement de données d'une simulation directe d'une couche de mélange turbulente non isotherme bi-espèces a permis d'évaluer le rapport des nombres de Prandtl et de Schmidt turbulents. Le 3e chapitre est consacré aux modèles cinétiques chimiques. Une nouvelle méthode de réduction automatique de mécanismes cinétiques chimiques a été élaborée puis appliquée au développement de modèles chimiques réduits pour les mélanges réactifs CH4-H2-air et H2-air vicié. Une nouvelle corrélation empirique pour le délai d'autoinflammation du mélange CH4-H2-air a été proposée. Les mécanismes réduits ont été validés dans des conditions homogènes et dans un milieu diffusif. Le 4e chapitre présente la méthodologie et les résultats d'une étude numérique sur une chambre de combustion supersonique. L'aspect méthodologique de cette étude concerne : la validation des modèles numériques, le choix des conditions aux limites, l'adaptation du maillage et la comparaison des configurations bi- et tridimensionnelle.

La méconnaissance des propriétés explosives des hydrocarbures à haute pression et haute température, conditions opératoires fréquemment rencontrées dans l'industrie, et l'influence peu étudiée sur ces paramètres de phénomènes tels que les flammes froides nous ont conduit à effectuer ce travail ayant pour but l'application de mécanismes cinétiques complexes à la prédiction de critères de sécurité. Le chapitre I de ce mémoire reprend des généralités concernant les procédés d'oxydation des hydrocarbures, les explosions de gaz et l'influence des flammes froides sur les limites d'explosivité d'un système. Le chapitre II regroupe les bases des mécanismes d'oxydation des hydrocarbures et les différents types de modèles présents dans la littérature. Cette partie s'achève sur la présentation du logiciel EXGAS que nous avons utilisé pour générer automatiquement la plupart des mécanismes cinétiques utilisés. Le chapitre III présente le montage expérimental du tube à onde de choc dans lequel ont été menées des mesures de délais d'auto-inflammation utiles à la validation de nos mécanismes. Le chapitre IV regroupe les modifications apportées aux modèles pour décrire correctement l'auto-inflammation d'une large gamme d'alcanes dans des conditions variées, ainsi que les validations pour les alcanes et un alcène. Les améliorations du modèle nécessaires à la bonne description de l'auto-inflammation des cyclanes et les validations correspondantes forment le chapitre V. Enfin, le chapitre VI a pour objet les applications de nos modèles à la prédiction de paramètres d'explosivité. Il permet de démontrer l'importance d'une bonne description des phénomènes physiques, outre les phénomènes chimiques pris en compte dans nos mécanismes, pour une modélisation correcte des mesures expérimentales de critères de sécurité.