La thèse est une contribution expérimentale et théorique à la modélisation d'écoulements de bruts pétroliers produits par dépressurisation du réservoir. Il s'agit de produire l'huile en dessous du point de bulle et de profiter de l'expansion de la phase gaz pour déplacer l'huile (procédé appelé "Solution Gas Drive"). Jusqu'à présent les simulateurs de réservoir permettaient la simulation d'un tel mécanisme pour les huiles légères. Un problème se pose avec les huiles lourdes dont la forte viscosité et la physico-chimie intensifient l'état hors d'équilibre dû au mécanisme de changement de phase. Les simulateurs numériques classiques ne prennent pas en compte ce type de mécanisme hors équilibre, ni l'écoulement du gaz sous forme dispersée. Bien qu'un grand nombre de travaux aient déjà été réalisés essentiellement à l'échelle des pores, l'étude bibliographique montre qu'il est nécessaire d'avoir un modèle décrit par des équations continues (approche de Darcy). L'étude expérimentale des propriétés physico-chimiques (tension dynamique, élasticité de surface) des principaux constituants des bruts montre que les asphaltènes ont un effet tensioactif favorisant la formation de mousse au dessus d'une concentration seuil. Enfin, l'étude théorique des différents processus physiques permet d'établir un modèle d'écoulement continu, ne faisant intervenir que des grandeurs macroscopiques mesurables. La nucléation et le transfert de masse sont modélisés par une fonction volumique de transfert, la nucléation étant basée sur le modèle de bulles préexistantes. Deux phases gaz peuvent coexister : l'une continue à l'échelle du milieu, l'autre dispersée dans l'huile sous forme de bulles. Les simulations de plusieurs expériences, réalisées avec des roches et des fluides différents, montrent que le modèle permet d'interpréter et de prédire les productions de gaz et d'huile.

Il n'existe à présent que peu de modèles aux volumes finis non structurés (UFVM: Unstructured Finite-Volumes Methods) développés pour simuler les écoulements à surface libre. La difficulté principale rencontrée durant ce développement est liée à la géométrie complexe du domaine de calcul et aux variations de fonds très irréguliers avec la présence des zones sèches ou/et mouillées. Ce mémoire de thèse présente le développement d'un modèle numérique 2D, baptisé ECOMOD-UFVM, qui est basé sur la résolution des équations de Saint-Venant par une technique de projection couplée à une UFVM. La UFVM permettra une modélisation plus proche de la géométrie souvent complexe des zones côtières et estuariennes. Dans un premier temps, un seul schéma ULSS (Upwind Least Squares Scheme) du 2ème ordre a été introduit dans le code pour traiter les termes de convection, responsables des oscillations et diffusions numériques indésirables. Une dizaine de cas-tests proposés dans les études d'écoulements à surface libre existantes ont été réalisés : écoulements à surface libre; problèmes de rupture de barrages. Les résultats des cas-tests sont satisfaisants et nous permettent d'envisager avec confiance le passage à deux applications grandeur nature: la rupture du barrage de Malpasset (France) et l'inondation par les crues éclairs dans la ville de Dongchuan (Chine). Les résultats du présent travail confirment la fiabilité, la précision, la stabilité, et la robustesse du code développé dans la résolution des équations de Saint-Venant décrivant les écoulements de tout genre : lent, rapide et torrentiel sur tout type du fond : sec/mouillé, plat ou en grande pente, régulier ou très irrégulier.

Cette thèse porte sur l'étude et la modélisation de l'orientation de fibres de verre dans des thermoplastiques renforcés. Dans une optique de maîtrise et de compréhension du comportement des composites renforcés de fibres longues, nous proposons dans ce travail d'étudier les phénomènes d'orientation et la rhéologie de ces suspensions. Une approche expérimentale a permis de caractériser l'orientation et la structure des fibres dans des pièces injectées. L'analyse de la distribution de longueur des fibres dans une pièce a mis en évidence que la casse des fibres se faisait préférentiellement durant la phase de la plastification de la matière. Les mesures d'orientation, réalisées avec des techniques de mesure 2D et 3D montrent que la concentration en fibres est un paramètre déterminant sur la formation et les caractéristiques de la structure coeur-peau. Une approche numérique de modélisation de l'orientation des fibres dans des pièces injectées, basée sur le calcul direct du mouvement d'orientation d'une population de fibres en écoulement, a permis d'accéder à la physique intrinsèque de la suspension. Ce modèle repose sur une formulation éléments finis multi- domaine développée dans le cadre du logiciel Rem3D. La principale originalité du modèle est qu'il n'est pas nécessaire d'exprimer de manière explicite l'ensemble des forces et interactions hydrodynamiques régissant le système. Lorsqu'on applique un cisaillement simple à un volume élémentaire représentatif, le calcul de simulation directe nous permet d'étudier les phénomènes d'interaction entre particules en fonction de la concentration et du rapport de forme des fibres. Ainsi, nous proposons une méthode d'identification du coefficient d'interaction Ci , paramètre déterminant du modèle statistique de Folgar & Tucker. Les valeurs de Ci sont fonction du rapport de forme et de la concentration des particules. On s'intéresse d'autre part à la validité des approximations de fermeture. On montre que l'approximation hybride est satisfaisante dans le cas d'un écoulement de cisaillement simple. Enfin, ce modèle est appliqué à l'étude rhéologique d'une suspension de fibres.

Dans la première partie, on dérive formellement les équations \PFS (\textbf{P}ressurised and \textbf{F}ree \textbf{S}urface) pour les écoulements mixtes en conduite fermée avec variation de géométrie. On écrit l'approximation de ces équations à l'aide d'un solveur VFRoe et d'un solveur cinétique en décentrant les termes sources aux interfaces. En particulier, on propose le décentrement d'un terme de friction, donnée par la loi de Manning-Strickler, en introduisant la notion de \emph{pente dynamique}. Enfin, on construit un schéma bien équilibré préservant les états stationnaires au repos en définissant une matrice à profil stationnaire conçue pour le schéma VFRoe. Suivant cette idée, on construit, en toute généralité, un schéma bien équilibré préservant tous les états stationnaires. Pour traiter les points de transitions (i.e. le changement de type d'écoulement surface libre vers charge et vice et versa), on étend la méthode des \og ondes fantômes\fg~ dans ce contexte et on propose un traitement complètement cinétique. Dans la deuxième partie, on étudie des équations primitives compressibles simplifiées dans le cadre de la modélisation de la dynamique de l'atmosphère. En particulier, on obtient un résultat d'existence de solutions faibles globales en temps en dimension $2$ d'espace. On établit également un résultat de stabilité de solutions faibles pour le modèle en dimension $3$ d'espace. À cet égard, on introduit un changement de variables convenable qui permet de transformer les équations initiales en un modèle plus simple à étudier. Dans la troisième et dernière partie, on présente une courte introduction à la cavitation. En particulier, on rappelle les différents types de cavitation et les modèles mathématiques de Rayleigh-Plesset pour l'étude d'une bulle isolée et un modèle de mélange plus complexe. En vue de modéliser la cavitation dans les conduites fermées, on introduit un modèle à deux couches pour prendre en compte, dans un premier temps, l'effet d'une poche d'air comprimée par la surface libre et les bords de la conduite. En particulier, le système obtenu, à $4$ équations, est généralement non hyperbolique et ses valeurs propres ne sont pas calculables explicitement. On propose alors une approximation numérique basée sur un schéma cinétique mono-couche. Dans le dernier chapitre, on dérive formellement un modèle de transport de sédiments basé sur l'équation de Vlasov couplée à des équations de Navier-Stokes compressibles avec un tenseur de viscosité anisotrope. Ce modèle est ensuite obtenu par le biais de deux analyses asymptotiques.

The continuous demand on new residential and economic areas of the modern society has to face up with problems posed by polluted sites related to former industrial activities, typically located in suburbs areas. These sites, known as brownfields, are often located nearby navigable rivers to facilitate transport operations of industrial manufacturing, which increase their potential environmental threat due to the possible migration of pollutants in groundwater to surface water bodies through groundwater discharge. In this context, the objective of this research, performed in the scope of the FP6-IP AquaTerra project, was to contribute to a better assessment of the risk of groundwater contaminant dispersion for a brownfield located next to the Meuse River (Belgium), in a context where strong groundwater - surface water interactions prevail. The brownfield of interest corresponds to the site of the former coke factory of Flémalle. Resulting from industrial activities, soil and groundwater located in the alluvial aquifer are heavily contaminated with various types of organic (BTEX, PAHs, mineral oils...) and inorganic (As, Zn, Cd...) pollutants. To do so, detailed characterisation campaign was performed, consisting of, on the one hand, classical field experiments such as pumping tests, injection tests and tracer experiments; on the other hand, advanced and original field experiments such as detailed monitoring of groundwater - surface water interaction and dynamics, and the development and application of an innovative tracer technique, the Finite Volume Point Dilution Method (FVPDM), used to quantify and monitor groundwater fluxes. Monitoring and field works data was subsequently used to develop and calibrate a groundwater flow model using the finite difference code MODFLOW, with an automatic parameter estimation approach based on an original combined regional scale (zonation) and local scale (pilot points) approach. A transport model was also developed using MT3DMS and calibrated using tracer experiments performed in the brownfield. This groundwater flow and transport model was used to better quantify the dynamics of groundwater - surface water interactions and to model various scenarios of contaminant dispersion through the aquifer - river system. For these scenarios, benzene was considered because it is one of the main pollutants encountered in the site, its large solubility and mobility in groundwater and its acute toxicity. These scenarios were established considering various groundwater flow conditions (steady state vs. transient) and various hydrodispersive processes possibly affecting the mobility of benzene in groundwater, namely advection, hydrodynamic dispersion, sorption - desorption and, as evidenced by the research results of the University of Neuchâtel (Switzerland), benzene degradation under sulphate reducing conditions. These simulations indicate that benzene attenuation is mainly controlled by ongoing benzene degradation processes, aquifer heterogeneity and river stage fluctuations. Based on this analysis, the risk of benzene dispersion is low, and monitored natural attenuation (MNA) is a valuable option with (1) monitoring benzene at control planes downstream from the sources; (2) further investigation on risk of sulphate depletion in the alluvial aquifer; and (3) further investigation on mobilisation/immobilisation of heavy metals related to dynamics of organic pollutant plumes.

The hydraulic and removal efficiencies of a Horizontal Flow Treatment Wetlands (HF TW) were investigated through an internal three dimensional grid of sampling ports. Tracer tests and regular monitoring of water quality parameters were performed. Results demonstrated that the HF TW has generally good hydraulic and volumetric efficiencies, with relatively low dead zones. The application of models developed by chemical engineering provided the number of tanks in series and the calculated detention times which were input as parameters in the multi flow with dispersion hydraulic model. This second model identified that water fluxes were not homogeneous with depth inside the TW and 60% of the flow was along the bottom layer of the bed. It also indicated the water flow velocities, which were faster on the bottom of the bed, and the axial dispersion, which was higher where flow velocity was lower. The reviewed inflow rate distribution allowed review for all layers of the nominal detention time and of the hydraulic indexes, which are developed by the chemical engineering theory, and based on the incorrect assumption of homogeneous systems. The P-k-C* degradation model was applied in order to define degradation k-rate values of BOD and COD and the frequency distribution profiles were developed. The degradation rate coefficients for BOD ranked from less than 10 m/yr to more than 300 m/yr. Significant higher degradation rates were observed for all the bottom layers and for the closest sampling line from the inlet. The results of COD were similar to those observed for BOD. Finally, the specific pollutants of nitrogen and phosphorus were analysed for total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP). The global trend of the TN degradation coefficient values was a slow and regular decrease over length, having systematically higher degradation coefficients for the bottom layers. The saturation of the media sites for sorption capacity of TP was demonstrated being in progress. Les efficacités hydraulique et épuratoire du filtre planté à écoulement horizontal ont été mesurées grâce à un dispositif de prélèvement tridimensionnel dans un filtre en fonctionnement. Des essais de traçage ont été réalisés ainsi que des analyses régulières de la qualité de leau en tous les points déchantillonnage. Les résultats ont démontré que le filtre présente des efficacités hydraulique et volumétrique généralement bonnes, avec relativement peu de zones mortes. Lapplication des modèles mathématiques issus du génie chimique ont permis la détermination du nombre N de réservoirs en série et de calculer les temps de séjour ; ceux-ci ont ensuite été introduit dans le modèle hydraulique de dispersion multi-couches. Ce second modèle a identifié que les flux en eau nétaient pas homogènes avec la profondeur à lintérieur du système et que 60 % de lécoulement se concentraient dans la couche de fond du filtre. Il a également fournit les vitesses découlement par couche, qui se présentent comme plus rapides dans le fond du filtre, et la dispersion axiale, dont la valeur augmente en corrélation avec une diminution de la vitesse. La distribution du débit par horizon a pu être revue comme non homogène avec la profondeur et a permis de recalculer les index hydrauliques et les temps de séjour par horizon en évitant lhypothèse erronée des modèles du génie chimique de lhomogénéité du système. Le modèle de dégradation des polluants P-k-C* a été appliqué pour définir les valeurs des coefficients de dégradation de la DBO, la DCO et lazote total. Les profils de distribution de fréquence ont été dressés. Les différences de coefficients de dégradation de la DBO sont très hautement significatives avec la profondeur et la longueur, en ayant des valeurs plus importantes pour la couche de fond et pour la première ligne de prélèvement la plus proche de la zone de distribution de leffluent dans le filtre. Les résultats obtenus pour la DCO ont été semblables. Les coefficients de dégradation de lazote total ont montré une décroissance lente et régulière avec la longueur, et des valeurs systématiquement plus importantes avec la profondeur. Finalement, il a été démontré que les sites dadsorption du phosphore total sont en cours de saturation.

L'étude géologique préliminaire de la retenue d'accumulation souterraine de Sidi -lfni (Anti -Atlas, Maroc), a été menée en considérant que la connaissance de l'organisation structurale régionale est fondamentale pour analyser les écoulements souterrains en milieu rocheux. Pour cela, les systèmes de décrochement qui ont façonné la région, ont été analysés; ainsi, ont été établies la genèse et la géométrie de ces décrochements. Les travaux de reconnaissances (sondages, essais Lugeon, mesures piezométriques ont permis de préciser l'importance de la notion de " maille de fracturation " en milieu rocheux fracturé. Il apparaît que les données de reconnaissance doivent toujours être interprétées en fonction de l'objet géologique considéré. La confrontation des cartes piezométriques et du schéma de répartition de la fracturation semble indiquer qu'il existe une relation claire entre la position de zones structurales de nature différente et la distribution de la perméabilité à l'échelle régionale. Quant au projet initial, les données acquises montrent qu'il était très optimiste quant à la possibilité d'accumuler ainsi, puis d'exploiter les volumes d'eau envisagés.

Cette thèse est consacrée à l'étude des systèmes non linéaires hyperboliques de lois de conservation avec des termes sources autorisées à devenir raides. Les applications viennent pour la plupart de problèmes physiques, par exemple l'equation de Burgers ou de Buckley-Leverett et le système d'Euler muni de lois de pression pour un gaz parfait ou une version simplifiée de mélange à deux phases. La première partie traite des aspects théoriques de ce sujet. Nous nous concentrons sur le cas unidimensionnel et considérons l'équation scalaire et d'un cas particulier d'un système d'écoulement diphasique réactif. La question principale à gérer lorsqu'on établit la convergence forte d'une suite d'approximations au moyen de la théorie de compacité par compensation dans de tels cas est de trouver des régions invariantes dans l'espace des phases. Pour le problème scalaire, il suffit que le terme source conserve une borne uniforme sur la norme L ∞ de la séquence. Mais c'est moins évident pour un système car les zones invariantes sont plutôt compliquées et peuvent être perturbées en raison de la forme de certains termes de forçage. La deuxième partie s'intéresse aux critères de stabilité pour les schémas numériques implicites impliquant des quadratures en temps sophistiquées. Nous présentons d'abord l'analyse d'une semi-discrétisation (méthode des lignes) afin d'en tirer des conditions suffisantes pour le système différentiel d'être bien posé. Cela amène des restrictions assez naturelles pour assurer la stabilité d'une méthode à une seule étape implicite: le pas de temps doit être petit près des points de compression et de répulsion du terme source. Une analyse de variation totale est ensuite réalisée pour dériver les régimes du second ordre sans oscillations autour de chocs pour le plus grand pas de temps possible. Des expériences numériques sont présentés sur des problèmes scalaires non linéaires. La troisième partie est une suite directe afin de corriger certaines des difficultés rencontrées auparavant. L'objectif principal est de construire une nouvelle discrétisation qui peut gérer un terme source arbitrairement raide sans aucune influence (sauf la condition habituelle CFL) sur le pas de temps. Suivant les idées de J. Greenberg et A.-Y. LeRoux, nous calculons d'abord un schéma de Godunov scalaire afin d'obtenir un résultat de convergence vers la solution entropique à l'aide des estimations BV. Comme la caractéristique principale est de gérer les sources au moyen des produits non-conservatifs, nous décidons d'utiliser le formalisme proposé par G. Dalmaso, PG LeFloch et F. Murat pour étendre ces idées à des systèmes non-homogènes. Suivant I. Toumi, nous introduisons des matrices de type Roe le long des chemins régularisants afin d'obtenir des approximations qui montrent des propriétés intéressantes. En fait, c'est ce que l'on appelle les régimes bien équilibrés, à savoir les régimes qui préservent les intégrales premières théoriques du mouvement. Des tests numériques sont basés sur le système d'Euler avec termes sources géométriques. Le quatrième (et dernière) partie concerne la mise en place de cette formulation non-conservative dans un schéma de type flux-splitting. L'objectif est de construire une méthode très robuste, bien équilibrée et facile à mettre en oeuvre. Les relations de saut généralisées provenant des sources sont détaillées et le système est testé dans un très large éventail de problèmes: les flux de tuyères, diphasique avec chimie et amortissement, les systèmes de relaxation ... Un chapitre est également consacré à des cas de résonance: en suivant Majda, nous étudions le problème stationnaire pour valider nos résultats. Ce travail conclut avec un écoulement diphasique en deux dimensions qui évolue de manière assez compliquée, les relations non conservatives étant traitées par un processus itératif convergent.

Les bassins de retenue des eaux pluviales sont utilisés pour préserver la qualité des eaux réceptrices par sédimentation pendant le temps de pluie. Cependant, les efficacités du bassins n'étaient pas satisfaisants en raison de la mal compréhension du processus de sédimentation. Afin de mieux comprendre ces processus dans des ouvrages in situ, cette thèse porte à la fois sur des expérimentations in situ et sur les modélisations de l'hydrodynamique et du transport particulaire dans les bassins de retenue pilotes et in situ. Cette recherche s'est appuyée en grande partie sur le bassin Django Reinhardt (BDR) à Chassieu (volume: 32000 m3, surface: 11000 m2) dans le cadre de l'OTHU et sur les données expérimentales obtenues par Dufresne (2008) et Vosswinkel et al. (2012). Les échantillons de sédiments ont été prélevés et leurs caractéristiques physiques ont été analysées en laboratoire dans le but de cerner leur distribution spatiale. Concernant la modélisation numérique, les simulations de l'hydrodynamique en régime permanent ont été réalisées à l'aide du logiciel CFD Fluent et ont été évaluées à partir de l'analyse de corrélation entre le comportement hydrodynamique du bassin et la distribution spatiale des caractéristiques physiques des sédiments. Les conditions limites sur le fond couramment utilisées et largement décrites dans la littérature ont été testées dans le but de représenter la distribution spatiale des sédiments et l'efficacité de décantation du BDR. Les conditions testées sont : i) contrainte de cisaillement critique ou bed shear stress - BSS et ii) énergie cinétique turbulente critique ou bed turbulent kinetic energy - BTKE. L'approche Euler-Lagrange dite " particle tracking " a été mise en œuvre. En raison de l'échec de prédiction des zones de dépôt à l'aide des conditions limites disponibles (BSS et BTKE), une nouvelle relation a été proposée pour estimer le seuil BTKE. La condition à la limite obtenue en utilisant cette nouvelle relation a été testée sur un bassin pilote (Dufresne, 2008) et sur le BDR en régime permanent. Les résultats obtenus n'étaient pas très satisfaisants concernant la prédiction des zones de dépôt et l'efficacité de décantation dans le bassin BDR, même en considérant une distribution granulométrique non uniforme. Afin de mieux prédire les zones de dépôt dans le BDR, une nouvelle méthode a été proposée en considérant le transport des particules, leur décantation et leur érosion en régime transitoire. Sur la base de la méthode proposée pour le transport des particules, la décantation et l'érosion en régime transitoire, plusieurs modélisations avec différentes conditions limites ont été réalisées dans un bassin de retenue pilote rectangulaire (Vosswinkel et al., 2012). Les prédictions des efficacités et des zones de dépôt en régime transitoire avec la méthode proposée sont satisfaisantes

Le bruit de cavité est un phénomène très fréquent dans le domaine des transports aériens.Il survient notamment lors de l'approche à l'atterrissage, où des interactions entre la cellule de l'aéronef et l'écoulement sont à l'origine de fortes émissions tonales. Il devient dès lors une source de pollution acoustique non-négligeable pour les populations résidant à proximité de zones aéroportuaires. Les études numériques et expérimentales décrites jusqu'à présent dans la littérature abordent essentiellement le cas des cavités rectangulaires. Pourtant, les cavités rencontrées en pratique dans l'industrie aéronautique impliquent des géométries souvent plus complexes. Lorsque ces cavités sont soumises à une excitation de nature aérodynamique, leur spécificité géométrique conduit le plus souvent à des réponses acoustiques assez éloignées des estimations issues de modèles académiques construits sur l'observation de cavités rectangulaires. Quelques travaux seulement abordent le cas des cavités cylindriques.Ce travail est consacré à l'étude aéroacoustique des cavités cylindriques, à l'initiative d'Airbus. Il s'inscrit dans le cadre du projet AEROCAV soutenu par la Fondation de Recherche pour l'Aéronautique & l'espace (FRAE). Son objectif est de déterminer les mécanismes impliqués dans les émissions acoustiques intenses et tonales pour les configurations étudiées.Une première partie présente les résultats expérimentaux issus des campagnes de mesures menées dans la soufflerie anéchoïque du Centre Acoustique du LMFA et de l'école Centrale de Lyon. Un modèle semi-empirique, reposant sur l'hypothèse d'une résonance acoustique pilotée par les instabilités présentes dans la couche de cisaillement à l'ouverture de la cavité,est construit à partir du modèle d'Elder (1978). Le modèle permet d'estimer les fréquences susceptibles de dominer l'acoustique rayonnée en champ lointain à partir de la donnée du champ moyen de vitesse longitudinale, que l'on mesure dans le plan de l'écoulement par Vélocimétrie par Imagerie des Particules (PIV).Une seconde partie est destinée au calcul direct du bruit rayonné par un écoulement laminaire ou turbulent affleurant une cavité cylindrique de référence. Il consiste à calculer le champ acoustique directement à partir de la résolution des équations tridimensionnelles de la mécanique des fluides. Le solver Alesia est présenté dans une version modifiée et adaptée à la mise en oeuvre d'une approche multidomaine d'ordre élevé faisant intervenir plusieurs maillages se recouvrant. Des techniques d'interpolation sont spécifiquement développées en vue d'assurer une communication bidirectionnelle entre les différents maillages, malgré des contraintes géométriques fortes. Un modèle d'excitation de l'écoulement est aussi développé afin de disposer de fluctuations dans l'écoulement incident, pour le cas turbulent. Ces deux points font l'originalité des calculs réalisés.Les simulations, menées sur une cavité de rapport d'aspect géométrique égal à 1 et soumise à un écoulement incident à Mach 0.2, montrent que le rayonnement acoustique peut être fidèlement reproduit numériquement. La couche de cisaillement est caractérisée par la présence de deux larges structures tourbillonnaires s'amplifiant lors de leur convection. Leur présence s'accompagne de fortes fluctuations de vitesse à l'origine d'un débit aérodynamique de fluide à l'ouverture qui excite la cavité acoustiquement. Une résonance forcée s'établit dans celle-ci, excitant la couche de mélange au voisinage du point de séparation. Ce couplage auto-entretenu est à l'origine du rayonnement acoustique intense et fortement tonal de la cavité. Il s'établit à une fréquence proche de la fréquence prédite par le modèle semi-empirique développé.