[pt] Atrelado aos cenários cada vez mais complexos de extração de energia, o estudo de fenômenos acoplados em meios porosos - notadamente térmicos, hidráulicos, químicos e mecânicos - tem se apresentado como essencial na previsão de comportamento de meios geológicos no que diz respeito à disposição de rejeitos radioativos, armazenamento de dióxido de carbono, engenharia de reservatórios geotérmicos e geomecânica de reservatórios. Assim, este trabalho objetiva desenvolver um esquema de acoplamento termo-hidro-mecânico-químico iterativo visando a simulação do armazenamento geológico de dióxido de carbono, empregando um simulador de fluxo composicional (GEM) e um programa de análise de tensões (ABAQUS ou CHRONOS). A idealização das metodologias de acoplamento foi efetuada através dos processos hidro-mecânico, termo-hidro-mecânico e termo-hidro-mecânico-químico, bem como as validações e aplicações em casos reais. Os casos de validação, realizados empregando modelos simplificados monofásicos, apresentaram resultados satisfatórios quanto ao comportamento hidro-mecânico e termo-hidro-mecânico. Adicionalmente às validações, os esquemas termo-hidro-mecânico e termo-hidro-mecânico-químico foram aplicados em dois casos reais de armazenamento de CO2 apresentados na literatura, projeto In Salah (Argélia) e aquífero Utsira (Noruega), respectivamente. De maneira geral, os resultados encontrados, para ambos os casos estudados, representaram acuradamente as respostas encontradas em campo, fato que evidencia a qualidade, robustez e aplicabilidade dos esquemas de acoplamento propostos neste trabalho. / [en] Considering the increasingly complex scenarios of energy extraction, the study of coupled phenomena in porous media - notably thermal, hydraulic, chemical and mechanical - has been considered as essential in order to predict the behavior of geological media with regard to radioactive waste storage, CO2 geological storage, geomechanics of geothermal reservoirs and reservoir geomechanics. Thus, this work aims to develop a thermo-hydro-mechanical-chemical iterative coupling scheme in order to simulate the geological storage of CO2, employing a compositional flow simulator (GEM) and a stress analysis program (ABAQUS or CHRONOS). The idealization of the coupling methodologies was carried out through the processes hydro-mechanical, thermo-hydro-mechanical and thermo-hydro-mechanical-chemical, as well as the validations and applications in real cases. The validation cases, performed employing simplified single-phase models, presented satisfactory results regarding the hydro-mechanical and thermo-hydro-mechanical behaviors. Additionally to the validations, the thermo-hydro-mechanical and thermo-hydro-mechanical-chemical schemes were applied in two real cases of CO2 geological storage reported by the literature, In Salah project (Algeria) and Utsira aquifer (Norway), respectively. In general, the results found, in both cases studied, accurately represented the behavior observed in the field, which in turn highlights the accuracy, robustness and applicability of the coupling schemes proposed in this work.

Dans ce travail de thèse, il s'agit essentiellement de déterminer les propriétés mécaniques et physiques linéaires effectives des composites dans lesquels l'interface entre deux phases n'est pas lisse mais très rugueuse. Une approche efficace pour surmonter les difficultés provenant de la présence de rugosités d'interface consiste d'abord à homogénéiser une zone d'interface rugueuse comme une interphase équivalente par une analyse asymptotique et ensuite à appliquer des schémas micromécaniques pour estimer les propriétés effectives en tenant en compte de la présence de l'interphase équivalente. L'objectif principal de ce travail est de développer cette approche dans un cadre général où la surface autour de laquelle l'interface oscille périodiquement et rapidement peut être courbée et les phénomènes physiques concernés peuvent être couplés. Pour atteindre cet objectif, la conduction thermique est premièrement étudiée comme un prototype des phénomènes de transport non couplés pour élaborer dans un cadre simple les éléments essentiels de notre approche. Cette étude, préliminaire mais très utile au vu de l'importance des phénomènes de transport, montre que des résultats généraux et compacts peuvent s'obtenir quand l'interface est ondulée dans une seule direction et que des méthodes numériques sont en général nécessaires dans le cas où l'interface oscille suivant deux directions. L'approche développée et les résultats obtenus pour la conduction thermique sont étendus d'abord à l'élasticité linéaire et ensuite aux phénomènes physiques linéaires couplés tels que la thermoélectricité et la piézoélectricité. Dans ces cas plus complexes, des résultats généraux sont obtenus pour les composites stratifiés avec les interfaces ondulées dans une seule direction et des méthodes numériques sont élaborées pour les composites dans lesquels les interfaces oscillent suivant deux directions / This work is essentially concerned with determining the effective linear mechanical and physical properties of composites in which the interface between two phases is not smooth but very rough. An efficient approach to overcome the difficulties arising from the presence of interfacial roughness is first to homogenize a rough interface zone as an equivalent interphase by an asymptotic analysis and then to apply micromechanical schemes to estimation of the effective properties while accounting for the equivalent interphase. The present work aims mainly to develop this approach in a general situation where the surface around which an interface oscillates periodically and quickly can be curved and the physical phenomena involved can be coupled. To achieve this goal, thermal conduction is first studied as a prototype of transport phenomena so as to elaborate key elements of our approach in a simple situation. This study,even preliminary but very useful in view of the importance of transport phenomena, shows that general and compact results can be obtained when the interface is corrugated in only one direction and that numerical methods are generally required when an interface is curved along two directions. The approach developed and the results obtained for thermal conduction are extended first to linear elasticity and then to linear coupled physical phenomena such as thermoelectricity and piezoelectricity. In these more complex cases, general results are obtained for composite laminates with interfaces oscillating in only one direction, and numerical methods are elaborated for composites in which the interfaces oscillate in two directions

Le travail réalisé en collaboration entre l’entreprise CNIM et le laboratoire IUSTI a permis la miseen place d’un outil de simulation numérique afin d’étudier à l’échelle locale différents phénomènescouplés qui se produisent dans un réacteur de gazéification en lit fluidisé dense. L’approche choisie,DEM (Discrete Element Method), est basée sur le suivi de paquets de particules. Les résultats desimulation ont été comparés à des mesures expérimentales réalisées dans les laboratoires IUSTIet LERMAB : mesure de pression dans un lit fluidisé peu profond et caractérisation de la réactionde pyrolyse par suivis temporels de la masse volumique par une méthode innovante et de latempérature de la particule de biomasse ainsi que la composition des gaz produits. À plus grandeéchelle, les prédictions numériques du code ont été comparées à des mesures expérimentales deprofil de vitesse des particules et de mélange et ségrégation issues de la littérature. Les résultatsnumériques du lit fluidisé bisolide sans et avec réactions chimiques, obtenus sont en bon accordavec les mesures expérimentales. Ils ont permis de mettre en évidence le fort couplage entre lesphénomènes hydrodynamiques et thermochimiques.Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives tant sur le plan de l’expérimentation que de la simulation numérique où l’approche DEM retenue a montré un fort potentiel. L’extrapolation dumodèle DEM pour la simulation de la gazéification à des réacteurs industriels reste encore un défiau regard des ressources informatiques. / Energy production from green and renewable resources, such as biomass, are currently experiencinga significant growth. Thermochemical conversion of this biomass by gasification is a process usedfor over a century but still requires significant developments in terms of rentability optimizationand quality improvement of products gases.The work carried out in collaboration between the CNIM company and the IUSTI laboratoryallowed the establishment of a numerical simulation tool to study locally different coupled phenomenaoccurring in a dense fluidized bed gasification reactor. The chosen approach, DEM (DiscreteElement Method), is based on the monitoring of particle packets. The simulation results werecompared to experimental measurements realised in IUSTI and LERMAB laboratories : measuringpressure in a shallow fluidized bed and characterization of pyrolysis reaction with the timetracking of particle density by an innovative method, temperature and the composition of theproducts gases. On a larger scale, the numerical code predictions were compared with velocity,particles mixing and segregation profiles from experimental measurements of the literature. Theobtained numerical results of bi-solid fluidized bed with and without chemical reactions are ingood agreement with the experimental measurements. It helped to highlight the strong couplingbetween hydrodynamic and thermochemical phenomena.This work opens up new perspectives on the experimental plan and numerical simulation whichDEM approach has shown great potential. The extrapolation of the DEM model for the simulationof gasification industrial reactors remains a challenge in terms of computer resources.