Les études isotopiques couplées avec des informations géothermiques peuvent constituer des outils pertinents pour l’exploration des eaux souterraines en tant que ressources en eau potable ou géothermiques. Ce travail combine les deux approches, isotopes de l’environnement et radioactifs associés à des données de température sur des aquifères profonds, dans l’objectif d’enrichir et d’améliorer la connaissance des mécanismes de recharge (Bassin d’Aquitaine, France) ainsi que des mécanismes de recharge et du potentiel géothermique (Bassin Crétacé de Bohème, République Tchèque).Les isotopes stables (18O, 2H, 13C) utilisés conjointement avec des radioisotopes (14C, 3H) sont utilisés pour estimer l’époque de la recharge ainsi que les conditions climatiques qui prévalaient lors de l’infiltration depuis la fin de Pléistocène jusqu’à nos jours. Définir le type de recharge et les conditions d’écoulement est nécessaire pour parvenir à modéliser de façon satisfaisante et fiable les grands systèmes aquifères profonds. Trois types de recharge ont été définis en Europe - (i) continue, (ii) interrompue lors du dernier maximum glaciaire (LGM) – un troisième type (iii) correspond à des situations particulières de recharge.Les conditions géographiques et climatiques très différentes rencontrées en France et en République Tchèque ont engendrées une importante hétérogénéité des conditions et processus de recharge. Le sud de la France, avec un climat relativement doux depuis les derniers 40 ka BP, n’a pas enregistré d’interruption de la recharge. Le temps de séjour des eaux souterraines en Bohème est estimé à environ 11 ka BP au maximum. Cependant, l’appauvrissement des teneurs en isotopes stables enregistré suggère une recharge liée à la fonte de la calotte glaciaire Nord Européenne après le dernier maximum glaciaire (LGM), autour de 18-20 ka BP. Des investigations sur les isotopes du carbone minéral dissous des eaux souterraines du bassin de Bohème ont montrées d’importantes interactions avec différentes sources de carbone qui ont été identifiées.Pour le site d’étude tchèque, les informations apportées par la géochimie ont été complétées par des données géothermiques afin d’améliorer la connaissance des flux et de la dynamique des eaux souterraines. Plus d’une centaine d’enregistrements diagraphiques de température ont été utilisés pour estimer le gradient géothermique. Plusieurs phénomènes viennent perturber le gradient géothermique de la région. Les flux d’eau souterraine verticaux et les variations lithologiques et topographiques sont à l’origine d’une distribution complexe du flux de chaleur, étant majoritairement conditionné par les écoulements souterraines. Les discontinuités peu profondes et les nombreux pointements volcaniques exercent aussi une influence importante sur l’écoulement souterrain et donc aussi sur le potentiel géothermique du réservoir. Les investigations sur la géothermie ont ainsi fourni des informations fondamentales sur le potentiel géothermique mais aussi sur les conditions d’écoulement des eaux souterraines. La prise en compte de ces informations s’avère nécessaire afin de proposer des modèles mathématiques d’écoulement réalistes. / Isotopic investigations combined with geothermal applications represent powerful tools for the exploration of groundwater potential as a drinking or geothermal resource. This Ph.D. thesis combines both approaches, environmental and radioactive isotopes together with temperature data in deep aquifers, in order to enrich and update the knowledge concerning the aquifer recharge processes in the Aquitaine Basin (France) and the aquifer recharge processes and geothermal potential in the Bohemian Cretaceous Basin (Czech Republic).Stable isotopes (18O, 2H, 13C) combined with radioisotope data (14C, 3H) are used to estimate the recharge timing and climatic conditions prevailing during the infiltration from the Late Pleistocene up to modern time. The character of groundwater recharge and regime are necessary to generate relevant source data for the accurate modelling of complex groundwater systems. Three groups of groundwater recharge types can be distinguished throughout Europe – (i) continuous recharge and (ii) interrupted recharge during Last Glacial Maximum and (iii) a group corresponding to particular recharge conditions.The contrasted geographic and climate conditions at both study sites in France and Czech Republic have entailed a great heterogeneity of the recharge conditions and processes. Southern France, with generally mild climatic conditions during the last 40 ka BP, did not experienced considerable hiatus in groundwater recharge. The residence time of groundwater in the Bohemian aquifers is estimated about 11 ka BP at the maximum but the depletion in the stable isotopes suggests that this groundwater originates in the melting of the north European ice sheets after the Last Glacial Maximum period, i.e. 18-20 ka BP. Further investigations on both stable and radioactive carbon isotopes indicated numerous groundwater interactions within the reservoir that were used to delineate the carbon origin within the Bohemian aquifers.Information on groundwater geochemistry was supplemented in the Czech case study by geothermal data in order to improve our knowledge of groundwater flow and dynamics. More than a hundred of temperature records from well-logging measurements were used to assess the geothermal gradient in the Bohemian Cretaceous Basin which is the most promising heat accumulation within the country. Many phenomena can affect the thermal field in the region. Vertical groundwater flow and variations in the lithology and the topography lead to a complicated areal distribution of the geothermal gradient and the heat flux which is dominantly controlled by groundwater. Shallow tectonic structures and numerous volcanic rocks exercise an influence on groundwater flow and therefore exert a secondary effect on the thermal field. The geothermal investigation provided useful information on the geothermal resources within the region but also represents an important tool for understanding groundwater flow, and for constructing realistic hydrogeological models in such a complex geological, tectonic and geothermal context.

The influence of a mega-city on the atmospheric boundary layer and surface conditions was examined in the complex-terrain, semi-arid Tehran region using the Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research fifth-generation Mesoscale Model (MM5) during a high pollution period. In addition, model sensitivity studies were conducted to evaluate the performance of the urban canopy and urban soil model "SM2-U (3D)" parameterization on the meteorological fields and ground level air pollutant concentrations in this area. The topographic flows and urban effects were found to play important roles in modulating the wind and temperature fields, and the urbanized areas exerted important local effects on the boundary layer meteorology. An emission inventory of air pollutants and an inventory of heat generation were developed and updated for 2005 in this work. Emissions from on-road motor vehicles constitute a major portion of the emission inventory and play the most important role in terms of contributions of air pollutants to the atmosphere in Tehran. By using a detailed methodology, we calculated spatial and temporal distributions of the anthropogenic heat flux (Qf) for Tehran during 2005. Wintertime Qf is larger than summertime Qf, which reflects the importance of heating emissions from buildings and traffic during cold and warm period respectively. Different urban parameterizations were used as a tool to investigate the modifications induced by the presence of an urban area in the area of interest. It was found that, for local meteorological simulations, the drag-force approach coupled with an urban soil model (DA-SM2-U) is preferable to the roughness approach (RA-SLAB). The comparisons indicated that the most important features of the wind, temperature and turbulent fields in urban areas are well reproduced by the DA-SM2-U configuration with the anthropogenic heat flux being taken into account (i.e., "DA-SM2-U Qf: On" option). This modeling option showed that the suburban part of the city is dominated by topographic flows whereas the center and south of Tehran are more affected by urban heat island (UHI) forcing especially during the night. The chemical transport modeling, including a model sensitivity study, was used to investigate the impact of the different urban parameterization on the dispersion and formation of pollutants over the Tehran region. Results show that applying DA approaches leads to significant improvements in the simulated spatial and temporal distribution of air pollutant concentrations in the city area and affects significantly the size of the urban plumes.

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) permettent de convertir efficacement de l'énergie chimique en électricité. Pour cela l'hydrogène s'oxyde sur une des électrodes de la pile, les protons ainsi créés traversent l'électrolyte (membrane) tandis que les électrons parcourant le circuit extérieur fournissent l'énergie électrique. Tous ces éléments se recombinent à la seconde électrode qui, à l'aide de la réduction de l'oxygène, va former de l'eau. Le rendement n'étant pas parfait, une partie de l'énergie des réactifs est aussi dégradée sous forme de chaleur. Malgré de récents progrès, la commercialisation à grande échelle des piles à combustible est toujours entravée par des problèmes de durabilité, liés notamment à la gestion de l'eau et de la température au sein de ce système. Afin de quantifier le comportement thermique et son effet sur le transport de l'eau, une pile à combustible a été instrumentée, permettant la mesure de la température aux électrodes, des flux de chaleur et d'eau. Les résultats montrent que de forts gradients de température (jusqu'à environ 30 K/mm) peuvent exister pour une pile fonctionnant dans des conditions standard. Il a été observé une nette influence du champ de température dans le coeur de pile sur le transport de l'eau qui se fait vers la partie la plus froide de la pile (généralement les canaux d'alimentation), l'eau traversant les couches de diffusion poreuses sous forme vapeur dans nos conditions expérimentales / Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) make it possible to convert efficiently chemical energy into electricity. For this, hydrogen is oxidized at one of the electrodes of the cell, created protons pass through the electrolyte (membrane) while electrons flow across the external circuit provide the electrical energy. All these elements recombine at the second electrode, with oxygen, to produce water. Performance is not perfect within a cell and a part of the reactants energy is also degraded as heat. Despite recent advances, the large scale commercialization of PEMFC is still hampered by durability issues, some of them being related to water and thermal management. In order to quantify the thermal behavior and its effect on the water transport, a fuel cell has been instrumented for the electrodes temperature, water and heat fluxes measurement. The results show that high temperature gradients (up to about 30 K/mm) can exist in a cell operating under standard conditions. It was observed a clear influence of the temperature field in the cell on the water transport. Water flows towards the coldest part of the cell (usually the channels), passing through the porous layers in vapor phase in our experimental conditions

Les zones de convergence ont des signatures tectoniques, morphologiques et thermiques très variables. Certains orogènes, comme les Andes Centrales, peuvent avoir un régime tectonique localement neutre à extensif, tandis que l'ensemble de la chaîne est en raccourcissement. L'équilibre entre les forces tectoniques et la flottabilité de la croûte détermine la dynamique de la marge. Les paramètres physiques qui contrôlent l'évolution de la marge peuvent être déduits de la topographie ; pour les Andes, les contraintes en jeu varient entre 25 MPa et 75 MPa, la force totale impliquée est d'environ 5.1012 N m-1, la viscosité est de l'ordre de 2.1021 Pa s. Un modèle dynamique de déformation des marges est développé, en assimilant la lithosphère à une plaque mince visqueuse. Des différences mineures dans les conditions aux limites permettent de reproduire convenablement l'évolution de marges actives très différentes, compressives ou extensives. La contribution motrice de la racine lithosphérique à la dynamique est également examinée. Les relations génétiques entre dynamique et régime thermique impliquent une très forte variabilité du champ thermique des marges actives. On distingue les sources de chaleur « statiques » qui incluent le flux de chaleur mantellique et la production radiogénique crustale, et les sources « dynamiques » qui dépendent de la cinématique de l'orogenèse, comme la friction à la base de la lithosphère, le magmatisme, l'ablation convective de la lithosphère, l'érosion, la sédimentation, etc. Une étude théorique systématique permet de hiérarchiser les processus thermiques. Un intérêt particulier est accordé aux perturbations induites par les processus superficiels. Ces investigations sont appliquées aux Andes Centrales, où les données thermiques sont abondantes.

Cette thèse vise à comprendre les processus thermiques et les régimes d'écoulement de fluides menant à <br />la genèse de gisements d'or mésothermaux. <br />Deux approches de modélisation numérique sont utilisées, une régionale, caractérisant le régime thermique conductif pré-minéralisation et l'autre locale ajoutant la convection hydrothermale syn-minéralisation. Les modèles sont appliqués à un cas représentatif, les gisements mésothermaux Paléoprotérozoïques géants de la ceinture d'Ashanti au Ghana. D'après les résultats, la valeur du flux de chaleur mantellique déduite, 30mW.m-2, est compatible avec la présence d'un panache dans la région à ~2 Ga. La prise en compte de la dépendance de conductivité thermique en température apparaît nécessaire pour ne pas surestimer la valeur déduite. Des régions potentiellement favorables au dépôt de l'or sont identifiées et les zones faillées où les écoulements sont 3D mènent à une périodicité spatiale du dépôt cohérente avec les données de terrain.

Flux de chaleur et anomalies de vitesse; relation avec l'épaisseur de la lithosphère continentale. Modélisation tres schématique de l'évolution thermique de la lithosphère continentale. Contraste de densité entre l'asthenosphère et la base de la lithosphère

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) permettent de convertir efficacement de l'énergie chimique en électricité. Pour cela l'hydrogène s'oxyde sur une des électrodes de la pile, les protons ainsi créés traversent l'électrolyte (membrane) tandis que les électrons parcourant le circuit extérieur fournissent l'énergie électrique. Tous ces éléments se recombinent à la seconde électrode qui, à l'aide de la réduction de l'oxygène, va former de l'eau. Le rendement n'étant pas parfait, une partie de l'énergie des réactifs est aussi dégradée sous forme de chaleur. Malgré de récents progrès, la commercialisation à grande échelle des piles à combustible est toujours entravée par des problèmes de durabilité, liés notamment à la gestion de l'eau et de la température au sein de ce système. Afin de quantifier le comportement thermique et son effet sur le transport de l'eau, une pile à combustible a été instrumentée, permettant la mesure de la température aux électrodes, des flux de chaleur et d'eau. Les résultats montrent que de forts gradients de température (jusqu'à environ 30 K/mm) peuvent exister pour une pile fonctionnant dans des conditions standard. Il a été observé une nette influence du champ de température dans le cœur de pile sur le transport de l'eau qui se fait vers la partie la plus froide de la pile (généralement les canaux d'alimentation), l'eau traversant les couches de diffusion poreuses sous forme vapeur dans nos conditions expérimentales.

La réduction de la consommation des bâtiments passe par : l'économie d'énergie, l'efficacité énergétique et l'utilisation des énergies renouvelables. Sur ce dernier point, l'intégration à grande échelle de composants photovoltaïques (PV) est une solution. Le rendement et la durée de vie des cellules PV en silicium cristalin diminuant avec l'augmentation de leur température de fonctionnement, il est essentiel de mettre au point des configurations d'intégration limitant leur échauffement. L'intégration en configuration de double-peau - la surface PV est séparée du bâtiment par une lame d'air - est une solution prometteuse. Sous l'effet de la chaleur, un écoulement de convection naturelle se met en place entre les deux parois, refroidissant ainsi les panneaux PV. Cet écoulement peut également servir de moteur pour la ventilation en été, et de préchauffage de l'air en hiver. Cette étude, expérimentale, fait partie d'un projet visant à comprendre le fonctionnement des double-peaux PV en analysant séparément les différents phénomènes physiques avant de prendre en compte l'ensemble des couplages. Elle porte plus particulièrement sur la convection naturelle au sein des double-façades verticales. Ici, la double-peau est modélisée par un canal vertical dont les deux parois principales sont chauffées sous des conditions de flux imposé. Un banc d'essais a été développé pour étudier la convection naturelle dans un canal vertical en eau. L'eau a été choisie pour se placer dans le cas d'un écoulement de convection pure (pas de rayonnement entre les parois). C'est un canal vertical de 65 cm de haut avec un écartement réglable placé dans une cuve de 1,5 m de haut contenant 160 L d'eau. Les parois sont chauffées à l'aide de 24 chaufferettes indépendantes délivrant un flux de chaleur uniforme, ce qui permet d'appliquer différentes configurations de chauffage. Des mesures de flux et de température sont réalisées au niveau des parois, et un système couplant de la velocimétrie laser Doppler deux composantes à un micro-thermocouple (25 μm) a été développé pour avoir accès aux vitesses verticale et horizontale et à la température dans le canal. Ce banc et son instrumentation sont décrits et les incertitudes de mesure associées ont été caractérisées. La configuration de chauffage uniforme symétrique a été étudiée ici pour différentes puissances injectées. Les profils de vitesse et de température moyennes mettent en évidence la présence d'un changement de régime d'écoulement dans le canal pour un nombre de Rayleigh indéntifié. L'étude approfondie des profils des fluctuations de vitesse et de température a permis de mettre au point une modélisation comportementale de ce changement de régime. De plus, une première approche est développée pour évaluer la pression dans le canal à partir de l'analyse et de l'estimation des différents termes de l'équation de conservation de la quantité de mouvement.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’amélioration des prévisions aérothermiques qui suscite l’intérêt croissant des industriels aéronautiques. Elle consiste à évaluer l’apport des méthodes URANS avancées de type SAS dans la prévision des flux de chaleur turbulents et pariétaux pour des écoulements turbulents chauffés. Elle vise aussi à situer ces approches par rapports aux modèles URANS classiques de type DRSM et hybrides RANS/LES comme la ZDES. Une extension de l’approche SAS à un modèle DRSM a d’abord été proposé afin d’obtenir une meilleure restitution des tensions de Reynolds résolues et modélisées. Ce modale SAS-DRSM a été implanté dans le code elsA de l’ONERA. Nous avons ensuite évalué les approches SAS disponibles avec ce code sur la prévention d’écoulements aérothermiques rencontrés sur avion dans un compartiment de moteur. Ces études ont montré que les approches SAS améliorent la représentation des écoulements par rapport aux modèles URANS classiques. Elles aboutissent à des écoulements fortement tridimensionnels avec de nombreuses structures turbulentes. Ces structures induisent un mélange turbulent accru et donc une meilleure prévision du flux de chaleur pariétal. De plus, nos travaux ont situé les approches de type SAS comme des méthodes plus précises que les méthodes URANS classiques sans augmentation importante du coût de calcul. Les modèles SAS ne résolvent pas les plus petites structures caractéristiques du mouvement turbulent par rapport à la ZDES qui montre des prévisions supérieures. Le modèle SAS-RDSM offre néanmoins la meilleur alternative de type SAS. Enfin, l’étude du flux de chaleur turbulent semble retrouver le fait que l’hypothèse classique de nombre de Prandtl turbulent constat n’est pas valable dans toutes les zones de l’écoulement. / The improvement of aerothermal predictions is a major concern for aeronautic manufacturers. In line with this issue, SAS approaches are assessed on the prediction of wall and turbulent heat fluxes for heated-turbulent flows. This study also aims at evaluating these advanced URANS methods in regard to DRSM models and hybrid RANS/LES approaches as ZDES. Firstly, we proposed to combine the SAS approach and a DRSM model in order to better reproduce both resolved and modelled Reynolds stresses. This new model, called SAS-DRSM, was implemented in ONERA Navier-Strokes code elsA. Unsteady simulations of two heated turbulent flows encountered in an aircraft engine compartment were then performed to evaluate all the SAS models available in the code. These numerical studies demonstrated that SAS approaches improve prediction of the flows compared to classical URANS models. They lead to full 3D flows with many turbulent structures. These structures favour turbulent mixing and thus induce a better prediction of the wall heat fluxes. Moreover, the numerical simulations showed that SAS methods are more accurate than classical URANS models without increasing significantly calculation costs. SAS approaches are not able to resolve the smallest turbulent structures in relation to ZDES which provides better predictions. Finally, the investigation of the turbulent heat flux suggested that the constant turbulent Prendtl number assumption, that is characteristic of classical URANS models, may not be valid in some regions of the flow.

L'impact des modifications climatiques et de l'augmentation de la démographie sur le cycle de l'eau et de l'énergie dans la région ouest africaine passe par la quantification des échanges entre les différents couverts de la surface continentale et l'atmosphère. Toutefois, la compréhension du rôle des interactions entre la surface et l'atmosphère dans la dynamique de la mousson ouest africaine est limitée par le manque d'observations dans cette région. Cette thèse porte sur l'étude des flux turbulents, en particulier l'évapotranspiration réelle, en climat soudanien. Les deux couverts étudiés sont une forêt claire (site de Bellefoungou) et une mosaïque de culture/jachère (site de Nalohou), situés dans la région du Nord – Bénin. On dispose de quatre années de mesures (2007 à 2010). Les sites d'étude font partie de l'observatoire hydro – météorologique AMMA – CATCH.Les données de flux turbulents de l'atmosphère ont été mesurées avec la technique d'eddy covariance. La partition énergétique des flux a été examinée à travers la fraction évaporative (EF) et le rapport de Bowen (β) aux échelles diurne, saisonnière et inter-annuelle. Des caractéristiques de surface (conductance de surface et aérodynamique) et le coefficient de découplage ont été calculés pour interpréter la dynamique de l'évapotranspiration réelle.L'analyse des résultats est basée sur un découpage du cycle saisonnier suivant quatre phases du cycle de la mousson : la saison sèche, la saison humide, les phases d'humidification et d'assèchement de l'atmosphère. Aux échelles diurne et saisonnière, on montre que le taux d'évapotranspiration réelle de la forêt est toujours supérieur à celui de la mosaïque de culture/jachère quelle que soit la saison. L'évapotranspiration réelle demeure non nulle en saison sèche sur le site de Nalohou malgré les conditions de surface peu favorables à ce processus. En saison humide, après le saut de mousson, la partition énergétique des flux atteint un régime stationnaire avec une moyenne égale à 0,75 à Bellefoungou et 0,70 à Nalohou pour les 4 années étudiées. Le rapport de Bowen pris dans le même ordre est environ de 0,4 et 0,6 traduisant ainsi, en dépit des conditions humides, la part non négligeable du flux de chaleur sensible sur les deux couverts végétaux. La différence de rugosité entre les deux couverts végétaux entraîne une conductance aérodynamique nettement supérieure à Bellefoungou par rapport à Nalohou. On montre également que la végétation du site de Nalohou est plus efficace en transpiration pendant la saison humide que celle du site de Bellefoungou. A l'échelle inter-annuelle, on n'a pas pu mettre en évidence une relation entre flux de chaleur latente et pluviométrie pour les quatre années étudiées qui sont toutes des années excédentaires. Cependant nous avons observé que le rayonnement net explique la majeure partie de la variabilité inter-annuelle des flux turbulents.Enfin, nous avons également montré avec le coefficient de découplage que la surface soudanienne et l'atmosphère restent couplées toute l'année. Ce fonctionnement de l'interface surface – atmosphère reflète le rôle majeur que jouent les conditions de surface dans la variabilité saisonnière de l'évapotranspiration réelle. Les résultats issus de cette étude donnent une première estimation des flux de chaleur latente et de chaleur sensible sur une forêt claire et une mosaïque de culture/jachère en climat soudanien. Ils sont d'une importance capitale pour la paramétrisation et la validation des modèles de surface ainsi que pour la quantification robuste de la ressource en eau disponible en surface pour l'agriculture, principale activité génératrice de revenus des populations locales. / Assessing the impact of climate and anthropic changes on the water and energy cycles, mainly rely on the quantification of the transfer between the various land covers and the atmosphere. Nevertheless the land – atmosphere interactions in the West African monsoon dynamic is not yet well understood because of the lack of observations in this region. This thesis focuses on the analysis of the sensible and latent heat fluxes under Sudanian climate. The two studied land covers are a clear forest (Bellefoungou) and a cultivated area (Nalohou), located in northern Benin, during four years (2007-2010). The study sites are a part of the hydro – meteorological AMMA – CATCH observatory.Turbulent fluxes were measured with the eddy covariance technique.The flux partitioning was investigated through the evaporative fraction (EF) and the Bowen ratio (β) at diurnal, seasonal and inter-annual scales. Surface characteristics (surface and aerodynamical conductance) and the decoupling factor were calculated to interpret the dynamic of the actual evapotranspiration.The analysis was performed according to four different stages of the monsoon cycle: dry and wet seasons drying and moistening intermediate stages. At diurnal and seasonal scales, actual evapotranspiration was always higher on the forest than on the cultivated area. It remained non zero during the dry season at Nalohou despite surface conditions which were not favorable to this process. During the wet season, after the monsoon onset, EF remained steady with a mean seasonal value of 0.75 at Bellefoungou and 0.70 at Nalohou for the four studied years. The Bowen ratio was 0.4 and 0.6 respectively, thus the sensible heat flux was significant on the two contrasted vegetation covers during the wet season. The contrasted roughness length of the two vegetation covers led to a highest aerodynamic conductance at the clear forest site. The mixed of crop/fallow was shown to be more efficient than the clear forest regarding wet season transpiration. At the inter-annual scale, no relationship can be evidenced between evapotranspiration and annual rainfall for the studied period (2007-2010), which was rather rainy. Nevertheless, the net radiation explains the main part of turbulent fluxes inter-annual variation.Finally, complete surface atmosphere decoupling was never observed. This property of the surface – atmosphere interface underlines the key role of the surface conditions in the actual evapotranspiration. Our results provide a first estimate of the latent and sensible heat fluxes over a clear forest and a mixed crop/fallow under sudanian climate. They are relevant to land surface models parametrisation or evaluation and to a robust quantification of the water resources for agriculture, the main economic activity in this region.