Cette thèse s'attache à caractériser l'évolution dans le temps et l'espace des circulations de fluides le long des failles. Une approche multidisciplinaire et multi-échelle a été mise en place sur un exemple naturel dans la région du plateau du Colorado (Utah): du terrain à la modélisation et de la proche-surface au bassin. L'étude des minéralisations en proche surface et leur lien avec le transfert le long des failles a été effectuée sur des travertins récents. L'analyse isotopique et la datation U/Th des veines de travertins révèle des cycles de circulation de fluides enrichis en CO2 et de précipitation épisodiques de carbonates de calcium (travertin) correspondant à des cycles saisonniers ou climatiques (annuels et centennals) ainsi qu'à des cycles qui s'apparentent à des cycles sismiques de l'ordre du millier d'années. Ces données permettent de calibrer le volume de CO2 qui a fuit par la faille. Des zones de paléo-circulation, témoins de l'activité des failles sur le long-terme, sont observées sous forme de blanchiment chimique ("bleaching") des grès à l'affleurement, et ont été étudiées à l'échelle du bassin. Deux épisodes principaux de circulation de fluides le long des failles ont été distingués : une première circulation durant l'enfouissement maximum puis une seconde circulation le long des réservoirs et des failles, qui est reliée à des phénomènes tectoniques régionaux, compemporains de la remontée du Plateau du Colorado. La dernière circulation s'est découpée en plusieurs pulses avec des circulations de fluides de différente nature (tels que des saumures, des fluides riches en hydrocarbures ou en CO2) au cours du temps et le long des failles. / This work aims to characterise fluid flow along faults in time and space. Multi-disciplinary and multi-scale investigations of a natural analogue have been carried out in the Colorado Plateau area (Utak, USA), from fieldwork to numerical modeling. The study of Quaternary travertine calibrated the near-surface mineralization and their relationship with the faults. Stable Isotope measurements and U/Th datings of travertine veins revealed episodic cycles of CO2-fluid circulation and related calcium carbonate precipitation (travertine). These cycles may be linked with seasonal or climatic cycles (annual and centennial) and also with seismic cycles of millennial duration. Based on the obtained data, escaping CO2 volumes from the fault zone, with time have been calibrated. Chemical bleaching of the outcropping sandstones, linked with fluids paleo-circulation at depth, has been characterized at basin scale. Two main circulation events have been distinguished: a first circulation contemporaneous to maximum burial and a second along-reservoirs and faults circulation that could be linked with later regional tectonic events, contemporaneous of Colorado Plateau rusing. Pulses of different fluids (such as brines, fluids enriched in hydrocarbons or CO2) are linked in time and space with the last circulation.

La caractérisation des mécanismes de transfert entre un écoulement fluide incompressible et une structure solide constitue l’objectif principal de ce présent mémoire. A partir d’un solveur développé au sein de l’équipe, les travaux se sont plus particulièrement focalisés sur les stratégies de couplage avec un solveur solide, afin de traiter à la fois les échanges énergétiques et les mouvements de la structure. Dans notre approche, le modèle traitant la partie solide est le solveur ASTER et une attention particulière a été portée sur la stratégie de couplage à mettre en place.Dans la partie couplage fluide/structure, des cas de référence ont été réalisés avec une complexité croissante et l’intégration de la problématique des frontières immergées a été étudiée. En effet, alors que la modélisation avec des frontières immergées semble ne pas perturber les traitements côté fluide, les changements d’état de la topologie induit par le mouvement du solide dans le domaine de calcul génèrent des discontinuités dans les forces fluides estimées sur la structure. Ces dernières peuvent être plus ou moins amorties par l’introduction de techniques hybrides dans les traitements aux frontières immergées.Malgré ses quelques limitations, le solveur est capable de traiter de grande déformation assurant un fonctionne robuste et rapide pour la caractérisation des mécanismes fortement couplés. Pour le souligner, une application sur des écoulements anisothermes au sein d’une cavité représentant une cellule frigorifique a été réalisée dans le cadre du projet de recherche OSEO. A notre connaissance, les traitements réalisés ont pour la première fois permis de quantifier l’effet des ouvrants (dans les phases d’ouverture et fermeture des portes de la cellule) sur les écoulements et les échanges thermiques. Une telle modélisation permet alors de proposer des améliorations de la géométrie en cours d’analyse. / Characterization of heat transfer mechanisms between an incompressible fluid flow and solid structure is the main objective of the proposed work. From a solver developed within the team, we particularly focused on strategies for coupling with a solid solver to address both energy and structure motion. In our approach, the model treating solid part is the solver ASTER and specific attention was paid to the coupling strategy. In the fluid / structure coupling part, reference cases were performed with increasing complexity and immersed boundaries was investigated. The change in topology for the Immersed Boundary Method enhances here and there some numerical instability and the latter can be more or less damped by hybrid techniques in the treatments to submerged borders.Despite such limitations, the solver is able to handle large deformation ensuring robust and fast analysis for the characterization of strongly coupled mechanisms. To emphasize such a point, isothermal flow in a cavity representing a cold-cell was conducted as part of the research project OSEO. To our knowledge, the processing performed for the first time quantified the effect of opening (in the opening and closing of the doors of the cell phases) on the flow and heat exchange. Such modeling is then used to suggest improvements to the geometry being analyzed.

La lévitation diamagnétique est un des rares phénomènes permettant de soustraire des corps à la gravité. Si la répulsion diamagnétique est négligeable à nos échelles, elle devient significative aux petites dimensions, allant jusqu’à entraîner, sous certaines conditions, la mise en lévitation de micro-objets diamagnétiques. A travers le développement de microaimants, de modèles numériques et analytiques ainsi que de réalisations expérimentales, ces travaux explorent les potentialités de la lévitation diamagnétique de microgouttes et de particules dans un milieu paramagnétique. Ils démontrent notamment la possibilité de mesurer précisément l’interaction entre gouttes chargées en lévitation. Ces travaux analysent par ailleurs l’étude de cette lévitation combinée à une force diélectrophorétique. Cette étude ouvre de nouvelles perspectives pour le tri de bille diamagnétique basé sur leur taille ou leur susceptibilité. La diélectrophorèse ouvre le champ des possibilités en permettant d’actionner sans contact des micro-billes mises en lévitation. / Diamagnetic levitation is one of the rare way to compensate action of gravity. This kind of repulsion is negligible at our scale. However, at microscale, this effect becomes significant and can achieve levitation of diamagnetic objects. Through the development of micromagnets of numerical and analytical models as well as experimental achievements , these works explore the potential of diamagnetic levitation microdroplets and particles in a paramagnetic environment. They especially demonstrate the ability to accurately measure the interaction between charged droplets levitated . These studies analyze further the study of this levitation combined with dielectrophoretic force . This study opens new perspectives for sorting diamagnetic ball based on their size or susceptibility. Dielectrophoresis opens possibilities in the field for actuating contactless microbeads levitated.

Cette maîtrise s'inscrit dans le projet Tr-Francis du laboratoire Heki de l'Université Laval. Ce mémoire présente l'exploration de stratégies de simulation fluide-structure bidirectionnelle à l'aide du code Star-CCM+ dans le but d'étudier les résonances de turbines hydrauliques. Concrètement, le travail vise à déterminer si la stratégie disponible dans Star-CCM+ permet de reproduire la physique d'une résonance liée à l'interaction rotor-stator d'une géométrie tournante à symétrie cyclique, analogue à celle d'une turbine Francis. Pour ce faire, une géométrie plus simple, mais semblable à une aube de turbine est d'abord étudiée, un *hydrofoil*. Une simulation FSI bidirectionnelle est produite sur l'hydrofoil F99 en condition de synchronisation de la réponse structurelle avec le détachement tourbillonnaire. Cette première simulation permet de déterminer les paramètres généraux à utiliser. Cette simulation ne parvient pas à reproduire les résultats expérimentaux obtenus à l'Université de science et technologie de Norvège, principalement en ce qui concerne la fréquence d'émission des tourbillons. Étant donné que l'accroche n'est pas atteinte, la résonance n'est pas observée. Afin d'assurer que la stratégie est apte à reproduire la physique de la résonance, le module d'élasticité est modifié afin de faire concorder la fréquence naturelle de la structure à la fréquence des tourbillons. L'accroche des tourbillons est alors reproduite avec cohérence en ce qui concerne la déformation de la structure et de l'écoulement. La stratégie est ensuite adaptée afin qu'elle soit utilisée sur le cas test RSI conçu par Dussault au laboratoire Heki. Les modifications sont majoritairement liées au domaine tournant nécessaire pour simuler la rotation de la roue du cas test. Les conditions de simulation sont choisies afin d'obtenir une résonance du mode à deux diamètres nodaux de la roue. Ici, l'apparition d'éléments à volume négatif dans le maillage empêche la simulation d'atteindre plus de 1.3 tour de roue simulé. À ce point, les fluctuations de pression liées à l'interaction rotor-stator sont clairement observables et une déformation liée au mode 2ND est obtenue. Toutefois, la déformation de la roue est dominée par la torsion. Il est difficile d'expliquer l'apparition de la torsion, la meilleure hypothèse portant sur les conditions initiales de la simulation. Également, certaines variations de pression incohérentes sont détectées, possiblement liées à des instabilités du solveur fluide. / This master project is part of Tr-Francis project at Heki Laboratory of Université Laval. This thesis presents the exploration of two-way fluid-structure simulation strategies with Star-CCM+ to study the resonances of hydraulic turbines. Concretely, the objective is to establish if the approach of Star- CCM+ can reproduce a resonance induced by rotor-stator interaction in the case of a simplified turbine model. To do so, a simpler case is studied, a hydrofoil. This geometry is similar to a runner blade of a hydraulic turbine without the complexity of the rotating domain. A two-way simulation is performed on the hydrofoil F99 in lock-in conditions. This first simulation is used to explore the general parameters of the software. This simulation fails to reproduce experimental data from the Norwegian University of Science and Technology, mainly regarding the vortex shedding frequency. The lock-in is not achieved and so is the resonance. To verify if the strategy can reproduce the resonance physics, the young modulus of the material is modified to match the natural frequency to the vortex shedding frequency simulated. The lock-in is now reproduced with consistent structural deformation and flow. Afterward, the strategy is adapted for the RSI test case developed by Dussault at Heki laboratory. Main modifications are related to the rotating domain used to simulate the runner rotation. Operating conditions are selected to obtain resonance of the two nodal diameters mode of the runner. The simulation fails to run more than 1.3 runner turns before the appearance of negative volume cells in the runner mesh. In the simulation, the RSI pressure fluctuations are identified, and a two nodal diameter mode is observed. However, the main runner deformation is in torsion. The main hypothesis to explain this behavior is related to the fluid initial conditions. Also, inconsistent pressure fluctuations are detected in the runner, possibly related to some solver instabilities.

Les moteurs à propergol solide sont parfois le siège d'instabilités aéroacoustiques résultant d'un couplage entre l'hydrodynamique des gaz brûlés et les modes acoustiques de la chambre de combustion. Ces instabilités se traduisent par de fortes Oscillations de Pression (ODP) dans la chambre de combustion du moteur. Ces ODP entrainent des vibrations de la structure, qui si elles venaient à dépasser certains niveaux pourraient nuire à la charge utile. Au vu du coût d'un essai, il est important de disposer d'outils permettant de prédire l'apparition de ces instabilités au moment de la conception. L'objectif de cette thèse est en premier lieu la mise au point d'une chaîne de couplage permettant d'évaluer l'impact des interactions fluide-structure sur l'amplitude des oscillations aéroacoustiques présentes au sein du propulseur. Une attention particulière est portée à l'algorithme de couplage entre les solveurs fluide et solide afin d'assurer une bonne conservation de l'énergie à l'interface fluide-structure, point clé dans l'étude d'instabilités. La chaîne numérique ainsi conçue est appliquée à une configuration réduite du moteur à propergol solide d'Ariane 5 dans le cadre de deux études. La première porte sur l'impact des vibrations de la structure sur les d'instabilités aéroacoustiques. L'effet d'un croisement de fréquences des modes propres longitudinaux de la structure et un des modes acoustiques de la chambre de combustion est traité. La seconde étude s'intéresse à l'effet des battements des protections thermiques du propulseur dans l'écoulement. Une structuration de l'écoulement et un net renforcement des ODP sont mis en évidence. / Large solid propellant rocket motors may be subjected to aero-acoustic instabilities arising from a coupling between the burnt gas flow and the acoustic eigenmodes of the combustion chamber. These instabilities lead to large pressure oscillations in the combustion chamber. These pressure oscillations cause vibrations which might jeopardize the payload if they happen to be larger than a certain threshold. Given the size and cost of any single firing test or launch, it is of first importance to rely on numerical tools able to predict these instabilities so that they can be avoided at the design level. The first purpose of this thesis is to build a numerical tool in order to evaluate how the coupling of the fluid flow and the whole structure of the motor influences the amplitude of the aeroacoustic oscillations living inside the rocket. A particular attention was paid to the coupling algorithm between the fluid and the solid solvers in order to ensure the best energy conservation through the interface.The numerical chain is applied to a sub-scaled configuration of Ariane 5 solid rocket motor in two studies. The first relates to the impact of vibration of the structure on aeroacoustic instabilities. The effect of a crossover frequency between the longitudinal modes of the structure and the acoustic modes of the combustion chamber is assessed. The second study examines the effect of thermal protection oscillations in the flow. An increased of the flow organisation and a significant strengthening of pressure oscillations are highlighted.

Les structures dites « offshores » vibrent sous l'effet des courants marins. Ces vibrations, induites par le détachement périodique de tourbillons dans le sillage de la structure (d'où le nom vibrations induites par vortex), endommagent par fatigue les câbles et les éléments de tuyauteries qui relient à la plateforme d'exploitation les têtes de puits de pétrole situés au niveau du sol marin. Une compréhension du comportement dynamique de ces structures sous l'effet du détachement tourbillonnaire est donc essentielle à l'étape de design. A l'intérieur de cette thèse, nous démontrons qu'en utilisant le concept d'oscillateur fluide et stabilité linéaire, on peut comprendre et reproduire de façon qualitative les caractéristiques principales des VIV sur les structures élancées en écoulements uniformes et non uniformes. Les arguments justifiant l'utilisation de la méthode de modélisation choisie sont présentés au deuxième chapitre. Les troisième et quatrième chapitres sont respectivement dédiés aux écoulements uniformes et non uniformes. Dans les deux cas, la théorie est développée à partir d'une analyse de stabilité linéaire des systèmes d'ondes structure-sillage. La méthodologie proposée constitue un outil de design efficace, puisqu'il permet la connaissance de la dynamique de configurations complexes et que son coût en terme de temps de calcul est très faible.

La simulation numérique de l'interaction fluide-structure par la méthode des éléments finis a été étudiée dans le cadre des équations de Navier-Stokes pour un fluide visqueux newtonien incompressible en interaction avec un solide élastique.<br />La formulation Euler-Lagrange Arbitraire (ALE) a été utilisée, en considérant un maillage dynamique, où le solide est décrit par une formulation Lagrangienne et le fluide par une formulation Eulérienne. Le modèle fluide est validé en considérant des cas tests académiques et concernent les cas : de la marche, de la cavité, de l'écoulement autour d'un cylindre, etc... Le modèle solide est validé en considérant le cas d'une poutre encastrée-libre et encastrée-encastrée, le cas d'un cylindre soumis à son poids propre et le cas d'une arche elliptique.<br />Un algorithme de couplage est alors mis au point pour la mise en oeuvre de cette interaction fluide-structure. Cet algorithme, basé sur un schéma explicite, permet le transfert de champs de façon interactive. L'efficacité de la méthode ALE et du couplage fluide-structure a été évaluée en considérant plusieurs cas tests: solide immergé dans un canal, où s'écoule un fluide en écoulement transitoire ou stationnaire, écoulement d'un fluide dans une canalisation à parois élastiques, etc...<br />Les résultats montrent que ce couplage explicite-interactif permet d'utiliser un maillage et un schéma différent pour le fluide et la structure, et jouit de l'avantage de ne pas utiliser de grosses matrices de stockage des données.

Etude physique des ondes longues. Origine du système de Saint Venant. Résolution numérique par une methode de différences finies dans le cas unidimensionnel et pour un domaine parabolique. Traitement numérique du cas bidimensionnel en utilisant une methode d'éléments finis pour les variables d'espace et de différences finies, pour la variable temps. Problème d'un fluide visqueux : établissement de l'existence et de l'unicité de la solution. Etude théorique du probleme des ondes longues semi-linéarisées dans un fluide parfait.

Dans cette thèse, nous étudions quelques problèmes de lubrification par des fluides non-Newtoniens isothermes et non-isothermes, dans un domaine mince $\Omega^{\varepsilon}$ d'épaisseur de l'ordre de ${\varepsilon}$, avec la condition de frottement de Tresca sur le bord inférieur de $\Omega^{\varepsilon}$. Dans le premier chapitre, nous considérons un fluide non-Newtonien isotherme dont la viscosité suit la loi de puissance. Nous montrons l'existence et l'unicité de la solution $(u^{\varepsilon}, p^{\varepsilon})$ en utilisant des résultats abstraits des opérateurs pseudo-monotones. Ensuite, nous étudions le comportement asymptotique des solutions lorsque $\varepsilon \rightarrow 0$. Nous obtenons ainsi un problème limite, et nous montrons l'unicité des ses solutions. Dans le deuxième chapitre, nous étudions le problème dans le cas non-isotherme. Le système obtenu est complexe, fortement non linéaire, couplant l'équation de la conservation de la quantité du mouvement avec l'équation de la chaleur. La difficulté ici est la preuve du théorème donnant l'existence des solutions, ainsi que les estimations a priori sur la température. Dans le troisième chapitre, nous étudions une variante des équations de Navier-Stokes, où le paramètre $\varepsilon $ est présent aussi dans l'équation de la conservation de la quantité du mouvement sous forme d'un nombre de Reynolds $\varepsilon^{\gamma}$ et dans la condition de frottement de Tresca. Nous montrons l'existence et l'unicité de la solution sous des conditions sur $\varepsilon$ et $\gamma$. Par des techniques semblables à celles utilisées dans les chapitres précédents, nous obtenons le résultat de convergence de la solution $(u^{\varepsilon},p^{\varepsilon})$ vers la solution du problème limite et nous montrons l'unicité de sa solution. Dans le dernier chapitre, nous étudions un autre modèle de fluide non-Newtonien, le fluide visco-plastique de Bingham. Nous supposons en plus de la condition de Tresca sur le bord inférieur, une condition de Fourier sur le bord supérieur. Nous suivons le même schéma d'étude que précédement, les difficultés sont techniques et concernent les estimations a priori, surtout la majoration des termes aux bords.

Ce travail étudie comment la mesure des forces hydrodynamiques exercées par un liquide confiné entre une sphère et une surface d'intérêt permet de sonder à distance et sans contact les propriétés mécaniques de cette surface. Nous présentons tout d'abord le principe de cette technique originale de sonde fluide et la machine à forces de surface dynamique que nous utilisons pour mettre en oeuvre ces expériences de nano-rhéologie. Puis nous nous intéressons à deux applications que nous avons plus particulièrement étudiées. D'une part, l'étude des propriétés de friction des bicouches lipidiques. Nous mettons en évidence une très faible friction mesurée sur certaines bicouches fluides et son potentiel rôle pour la bio-lubrification. D'autre part l'étude des propriétés élastiques de couche mince d'élastomère. Nous développons pour cela une théorie de l'élasto-hydrodynamique à géométrie sphère-plan en mode dynamique et présentons des résultats expérimentaux en très bon accord. Nous sommes capables de mesurer le module d'Young de films mince de PDMS d'épaisseur allant jusqu'à 600~nm. Enfin, nous présentons les développements instrumentaux réalisés pour optimiser les performances de la machine à forces de surfaces comme sonde fluide.