Depuis une vingtaine d’années, l’engouement pour les propulsions hydrojets n’a fait que croître et elles s’imposent aujourd’hui comme la propulsion marine incontournable pour les hautes vitesses. Dans un même temps, un outil permettant un gain considérable de temps et d’argent s’est lui aussi développé considérablement. En effet, la CFD (Computational Fluid Dynamics) est devenue une pratique courante lorsqu’il s’agit de prévoir le comportement d’un écoulement sans avoir à passer par un modèle réel. Elle sera utilisée tout au long du projet pour simuler le flux au travers de la propulsion. Le design d’une entrée d’eau est capital : une entrée d’eau mal conçue engendrera des zones de cavitation, de la recirculation sur la lèvre ou la rampe, des pertes importantes et un champ de vitesse non uniforme à la face de la pompe. Il en résultera une diminution du rendement de l’entrée, mais aussi une diminution du rendement de la pompe, puisqu’optmisée pour un flux uniforme. L’objectif de ce projet sera d’optimiser l’entrée d’eau pour augmenter le rendement global de la propulsion et ainsi réduire la consommation d’essence de 6 % sur un cycle donné. Actuellement, les conduites d’entrées sont conçues pour optimiser une vitesse de croisière moyenne. Dans ce projet, le but sera d’éviter d’avoir un compromis à faire entre les basses vitesses, la vitesse de croisière et la vitesse de pointe, et d’optimiser la géométrie de l’entrée pour une large plage de fonctionnement. Cela passe par une géométrie variable et donc un mécanisme asservi. Afin de concevoir un tel système, il sera nécessaire de trouver les géométries optimales pour les différents régimes de fonctionnement. Une étude CFD 2D paramétrable permettra de trouver les lignes directrices de ces géométries. Un modèle 3D devra ensuite être validé, puis utilisé pour pouvoir affiner les géométries optimales. Un système sera alors conçu puis testé sur le modèle CFD. Des tests expérimentaux viendront finaliser l’étude.

Le stockage géologique du CO2 est un des enjeux scientifiques majeurs envisagés pour contrôler le réchauffement climatique lié aux gaz à effet de serre. Le stockage en domaine sédimentaire nécessite une connaissance des facteurs stabilisant/destabilisant les réservoirs, qui peut être apportée par l'étude d'analogues naturels. L'utilisation de méthodes pétrographiques, microthermométriques et géochimiques appliquées aux carottes du forage V.Mo.2 traversant le réservoir naturel de CO2 de Montmiral (France), permettent de suivre les migrations de CO2. Dans le socle Paléozoïque, les inclusions fluides carboniques témoignent de la démixtion sous forte couverture d'un fluide aquo-carbonique chaud, probablement à la fin du Crétacé ou au Paléogène, qui marquerait le remplissage du réservoir de Montmiral. L'étude des unités sédimentaires sus-jacentes montre que le CO2 est resté confiné dans les niveaux rhéto-sinémuriens sous les marnes du Domérien à l'Oxfordien Moyen. Ces marnes jouent le rôle de barrière étanche aux fluides au cours des principaux stades de circulations reconnus. Un premier stade lié à l'extension téthysienne affecte les séries sous-jacentes aux marnes. Un deuxième stade, rattaché à la compression pyrénéenne grâce à une étude de terrain, induit une karstification des séries sus-jacentes à l'écran marneux. A la base du forage, c'est à cette période que le réservoir fuit, mais cette fuite reste confinée sous l'écran marneux. La stabilité du réservoir de Montmiral est due à la présence de l'épais niveau marneux et à la structuration en blocs du bassin de Valence et de son socle limités par des failles jouant le rôle de barrière latérale.

Cette étude s'intéresse aux eets de température sur la turbulence et l'acoustique rayonnée de jets subsoniques, simples et coaxiaux. Les équations de Navier-Stokes sont résolues par une approche de type Simulations des Grandes Échelles et les prévisions acoustiques en champ lointain sont obtenues à l'aide d'une méthode intégrale de Kirchho. Les mécanismes source d'un jet isotherme et d'un jet chaud, à nombre de Mach et de Reynolds identiques, sont étudiés à l'aide d'une décomposition azimutale en série de Fourier des termes sources du tenseur de Lighthill. Les principales diérences observées sur la dynamique et l'acoustique d'un jet chaud sont liées à la contribution du terme d'entropie et l'émergence de modes d'ordre supérieur. On montre que le terme d'entropie et le terme linéaire traduisant les interactions entre l'écoulement moyen et les fluctuations de densité, ont une distribution spatiale similaire en terme d'énergie et de fréquence. Les simulations de jets coaxiaux concentriques ont révélés que le bruit rayonné pour de faibles angles est dominé par les appariements tourbillonnaires entre les couches de mélange primaire et secondaire, lorsque le jet central est chaué. Finalement, une méthode de décomposition d'un écoulement en partie hydrodynamique et acoustique est appliquée sur un modèle d'écoulement simplifié, représentatif de la structure spatio-temporelle d'un jet. On met en évidence que la contribution du terme source hydrodynamique est dominante et que la turbulence est responsable du transport vers le champ lointain des fluctuations acoustiques.

<p align="justify">This work is a theoretical contribution to the study of thermo-hydrodynamic instabilities in fluids submitted to surface-tension (Marangoni) and buoyancy (Rayleigh) effects in layered (Benard) configurations. The driving constraint consists in a thermal (or a concentrational) gradient orthogonal to the plane of the layer(s).</p> <p align="justify">Linear, weakly nonlinear as well as strongly nonlinear analyses are carried out, with emphasis on high Prandtl (or Schmidt) number fluids, although some results are also given for low-Prandtl number liquid metals. Attention is mostly devoted to the mechanisms responsible for the onset of complex spatio-temporal behaviours in these systems, as well as to the theoretical explanation of some existing experimental results. </p> <p align="justify">As far as linear stability analyses (of the diffusive reference state) are concerned, a number of different effects are studied, such as Benard convection in two layers coupled at an interface (for which a general classification of instability modes is proposed), surface deformation effects and phase-change effects (non-equilibrium evaporation). Moreover, a number of different monotonous and oscillatory instability modes (leading respectively to patterns and waves in the nonlinear regime) are identified. In the case of oscillatory modes in a liquid layer with deformable interface heated from above, our analysis generalises and clarifies earlier works on the subject. A new Rayleigh-Marangoni oscillatory mode is also described for a liquid layer with an undeformable interface heated from above (coupling between internal and surface waves).</p> <p align="justify">Weakly nonlinear analyses are then presented, first for monotonous modes in a 3D system. Emphasis is placed on the derivation of amplitude (Ginzburg-Landau) equations, with universal structure determined by the general symmetry properties of the physical system considered. These equations are thus valid outside the context of hydrodynamic instabilities, although they generally depend on a certain number of numerical coefficients which are calculated for the specific convective systems studied. The nonlinear competitions of patterns such as convective rolls, hexagons and squares is studied, showing the preference for hexagons with upflow at the centre in the surface-tension-driven case (and moderate Prandtl number), and of rolls in the buoyancy-induced case.</p> <p align="justify">A transition to square patterns recently observed in experiments is also explained by amplitude equation analysis. The role of several fluid properties and of heat transfer conditions at the free interface is examined, for one-layer and two-layer systems. We also analyse modulation effects (spatial variation of the envelope of the patterns) in hexagonal patterns, leading to the description of secondary instabilities of supercritical hexagons (Busse balloon) in terms of phase diffusion equations, and of pentagon-heptagon defects in the hexagonal structures. In the frame of a general non-variational system of amplitude equations, we show that the pentagon-heptagon defects are generally not motionless, and may even lead to complex spatio-temporal dynamics (via a process of multiplication of defects in hexagonal structures).</p> <p align="justify">The onset of waves is also studied in weakly nonlinear 2D situations. The competition between travelling and standing waves is first analysed in a two-layer Rayleigh-Benard system (competition between thermal and mechanical coupling of the layers), in the vicinity of special values of the parameters for which a multiple (Takens-Bogdanov) bifurcation occurs. The behaviours in the vicinity of this point are numerically explored. Then, the interaction between waves and steady patterns with different wavenumbers is analysed. Spatially quasiperiodic (mixed) states are found to be stable in some range when the interaction between waves and patterns is non-resonant, while several transitions to chaotic dynamics (among which an infinite sequence of homoclinic bifurcations) occur when it is resonant. Some of these results have quite general validity, because they are shown to be entirely determined by quadratic interactions in amplitude equations.</p> <p align="justify">Finally, models of strongly nonlinear surface-tension-driven convection are derived and analysed, which are thought to be representative of the transitions to thermal turbulence occurring at very high driving gradient. The role of the fastest growing modes (intrinsic length scale) is discussed, as well as scalings of steady regimes and their secondary instabilities (due to instability of the thermal boundary layer), leading to chaotic spatio-temporal dynamics whose preliminary analysis (energy spectrum) reveals features characteristic of hydrodynamic turbulence. Some of the (2D and 3D) results presented are in qualitative agreement with experiments (interfacial turbulence).</p>

The evaluation of the noise produced by flows has reached a high level of importance in the past years. The physics surrounding flow-induced noise is quite complex and sensitive to various flow conditions like temperature, shape. Empirical models were built in the past for some special geometries but they cannot be used in a general case for a shape optimization for instance. Experimental aeroacoustic facilities represent the main tool for acoustic analyses of flow fields, but are quite expensive because extreme care must be exercised not to introduce acoustic perturbations in the flow (silent facilities). These tools allow a good analysis of the physical phenomena responsible for noise generation in the flow by a comparison of the noise sources and the flow characteristics (pressure, turbulence,...). Nevertheless, the identification and location of noise sources to compare with flow structures requires quite complex methods. The numerical approach complements the experimental one in the sense that the flow characteristics are deeply analyzed where experiments suggest noise production. For the numerical approach, the turbulence modeling is quite important. In the past, some models were appreciated for their good prediction of some aerodynamic parameters as lift and drag for instance. The challenge is now to tune these models for a correct prediction of the noise sources. In the low subsonic range, the flow field is completely decoupled from acoustics, and noise sources can be computed from a purely hydrodynamic simulation before this information is transferred to an acoustical solver which will compute the acoustic field at the listener position. This post processing of the aerodynamic results is not obvious since it can introduce non-physical noise into the solution. This project considers the aspect of noise generation in turbulent jets and especially the noise generated by vortex pairing, as it occurs for instance in jet flows. The axisymmetric version of the flow solver SFELES has been part of this PhD research, and numerical results obtained on the jet are similar to the experimental values. Analyses performed on the numerical results are interesting to go to complete turbulence modeling for aeroacoustics since vortex pairing is one of the basic acoustical processes in vortex dynamics. Currently, a standard static Smagorinski model is used for turbulence modeling. However, this model has well known limitations, and its influence on the noise sources extracted from the flow field is not very clear. For this reason, it is planned to adopt a dynamic procedure in which the subgrid scale model automatically adapts to the flow. We planned also to perform simulations with the variational multiscale approach to better simulate the different interactions between large and unresolved scales. The commercial software ACTRAN distributed by Free Field Technologies is used for the computation of sound propagation inside the acoustic domain.

Un des enjeux majeurs en Science de la Terre ces dernières décennies est de comprendre les interactions entre les différentes enveloppes terrestres. Le but poursuivi par ce travail est d'aborder quelques aspects de ces interactions du point de vue des cycles géochimiques des éléments volatils H2O et CO2 en se basant sur l'étude des inclusions fluides piégées dans des roches variées de la croûte terrestre, depuis sa surface jusqu'à l'interface croûte-manteau. La première partie de mon travail présente des travaux expérimentaux effectués sur de la halite. L'étude du fractionnement isotopique de l'oxygène et des cinétiques d'équilibration entre H2O et CO2 lors de l'évaporation de saumures a montré l'importance des corrections à effectuer sur les mesures isotopiques de l'oxygène pour des solutions de haute salinité. L'élaboration d'un protocole expérimental de précipitation de halite en milieu contrôlé a permis de mettre en évidence le potentiel des inclusions fluides pour les reconstitutions paléoclimatiques. La combinaison des données microthermométriques et des compositions isotopiques de l'hydrogène et de l'oxygène des inclusions aqueuses permet d'estimer les sources et la température de l'eau de formation de la halite ainsi que la vitesse du vent à l'interface eau-air pendant la croissance du cristal. Cette méthode a été ensuite appliquée aux dépôts de halite de Sicile datés du Messinien. La deuxième partie de mon travail est consacrée à l'identification des compositions chimiques et des sources des fluides circulant dans la croûte et à l'interface croûte-manteau à travers l'analyse des compositions isotopiques des inclusions fluides des granites et granulites.

Dans cette thèse, nous étudions les écoulements de fluides compressibles décrits par les équations de Navier-Stokes-Fourier dans les cas stationnaire et instationnaire et avec des conditions de bord assurant l'isolation thermique et mécanique du fluide. On commence par le cas stationnaire barotrope et des conditions de Navier à la frontière du domaine. La pression est donc de la forme p(%) = % où est appelé coefficient adiabatique et nous arrivons à montrer l'existence de solutions faibles pour > 1.On généralise ensuite ce résultat aux équations de Navier-Stokes-Fourier avec conduction de la chaleur et glissement (partiel ou total) au bord, toujours dans le cas stationnaire. On montre cette fois-ci l'existence de solutions faibles particulières appelées solutions entropiques variationnelles respectant l'inégalité d'entropie pour > 1 et l'existence de solutions faibles respectant le bilan de l'énergie totale au sens faible pour > 5/4. On travaille ensuite sur les écoulements instationnaires décrits par les équations de Navier-Stokes-Fourier sur une large variété de domaines non bornés, tout d'abord pour des conditions de bord d'adhérence puis pour des conditions de Navier à la frontière (ce qui restreintquelque peu la diversité des domaines non bornés admissibles). On arrive à montrer l'existence de solutions faibles particulières respectant l'inégalité d'entropie et une inégalité de dissipation remplaçant l'égalité de conservation d'énergie totale dans le volume qui n'a plus de sens dans les domaines non bornés. Par après, on met en place une inégalité dite d'entropie relative dont on montre qu'elle est respectée par certaines des solutions faibles exhibées auparavant. Ces solutions sont appelées solutions dissipatives. On parvient à prouver que pour chaque donnée initiale, il existe au moins une solution dissipative. Cette inégalité d'entropie relative nous permet de démontrer le principe d'unicité forte-faiblepour nos solutions dissipatives. Précisément, cela signifie qu'une solution dissipative et une solution forte issues des mêmes données initiales coïncident sur le temps maximal d'existence de la solution forte. La propriété d'unicité forte-faible donne un fondement à la notion de solution dissipative pour les domaines non bornés.

Dans le domaine de la construction, le béton constitue le matériau le plus consommé. Afin de favoriser le remplissage des coffrages in situ, les bétons sont liquéfiés ponctuellement suite à l'insertion successive d'une aiguille vibrante. Malgré l'arrivée sur le marché des bétons très fluides à auto-plaçant, les bétons ordinaires représentent plus de 90% des formulations employés sur les chantiers. Cependant, les recommandations traditionnelles actuelles se basent sur des études établies au cours de la première moitié du siècle dernier. Ainsi, nous choisissons de les revisiter afin d'incorporer les progrès actuels sur la rhéologie des matériaux cimentaires. A partir d'une étude de la littérature, nous établissons les liens entre les caractéristiques mécaniques des matériels vibrants et le comportement en écoulement des bétons. Puis, dans le chapitre deux, nous mettons en évidence pour quelles consistances de matériau la vibration est réellement nécessaire. Par la suite, nous développons un modèle analytique simple afin de prédire le diamètre d'action d'un vibreur et nous le comparons à deux configurations de mises en œuvre. Enfin, nous proposons un temps minimal de vibration nécessaire au compactage du matériau et un temps maximal afin d'assurer un parement de qualité

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'objectif de ce travail est de comparer les approches systémique, mécanique des fluides numérique (MFN) et compartimentale, une approche de modélisation en émergence basée sur l'exploitation quantitative de simulations de MFN pour construire le modèle. Une méthodologie de construction d'un tel modèle à compartiments est explicitée. Ces différentes approches de modélisation ont été appliquées au cas d'un réacteur pilote de traitement des eaux usées à boues activées : un réacteur triphasique (gaz/liquide/flocs), siège de réactions biologiques complexes. Le modèle hydrodynamique MFN a été validé par des mesures de champs de vitesse et de turbulence, réalisées par Vélocimétrie Laser Doppler ainsi que par des mesures de taux de vide réalisées à l'aide d'une sonde optique. L'hydrodynamique globale du réacteur est bien modélisée par un modèle piston à dispersion axiale et la MFN représente bien le comportement du réacteur. Des expériences sur réacteur pilote chargé en biomasse et alimenté par un substrat synthétique à base de Viandox ont été menées. La modélisation des réactions biologiques a été faite par le modèle ASM1 développé par l'IWA. Les modèles systémique et MFN permettent d'estimer l'évolution de la plupart des concentrations dans le réacteur avec moins de 25 % d'erreur. Des différences entre les deux modèles sont néanmoins observées. Il s'avère que le modèle à compartiment donne des résultats très similaires au modèle MFN pour un temps de calcul de 10 à 20 fois moindre. De plus ce modèle est presque aussi facile à manipuler qu'un modèle systémique et permet une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu dans le réacteur qu'avec un modèle MFN / The purpose of this work is the comparison of the systemic, computational fluid dynamics (CFD) and compartmental approaches. This last approach is a new method of model construction based on the quantitative results of a CFD simulation. A methodology to build such a model is described. These three modelisation approaches have been used to model a bench scale activated sludge wastewater treatment reactor : a complex biological tree-phase reactor (gas/liquid/floc). The CFD modelling has been validated with velocity and turbulence fields, obtained with laser doppler velocimétry and with void fraction measurements obtained with an optical probe. The global hydrodynamics of the reactor is well represented by a plug flow model with axial dispersion. This behaviour is well represented by CFD simulation of residence time distribution. Experiments on the bench scale activated sludge reactor fed with a synthetic substrate primarily composed of Viandox have been carried out. Biological reactions have been modelled by the ASM1 model developped by IWA. Evolution of almost all the concentrations along the reactor are simulated with a maximum error of 25 \% with systemic and CFD models. Some differences are highlighted between these two models. The compartmental model gives almost the same results as the CFD model with a calculation time from 10 to 20 times shorter. Moreover this compartment model is as easy to handle as the sytemic model and allows a better understanding of the phenomena which take place in the reactor than the CFD model