Cette thèse se focalise sur les écoulements gaz-liquide dans un milieu poreux, problématique rencontrée dans des domaines variés allant de la physique fondamentale à la chimie appliquée. Nous avons caractérisé expérimentalement les régimes hydrodynamiques dans deux géométries différentes : un canal millifluidique (écoulement quasi-1D) et une cellule de Hele-Shaw (écoulement quasi-2D). L’originalité de ce travail est d’analyser l’effet du milieu poreux (lits de billes polydisperses ou mousses solides à cellules ouvertes), du confinement (1D/2D) et de la gravité en couplant des approches locales et globales développées dans les communautés de physique expérimentale et de génie chimique. D’une part, une analyse globale a permis de quantifier les pertes de charge [1] et, basée sur le transport d’un traceur fluorescent, les distributions de temps de séjour [2] et le transfert gaz-liquide dans l’expérience 1D ; d’autre part, une analyse locale de la fraction liquide et l’évolution spatio-temporelle de son contenu fréquentiel ont permis de mettre en évidence deux régimes hydrodynamiques dans le canal millifluidique [3-5] : un régime pseudo-Taylor, où les caractéristiques de l’écoulement périodique amont sont conservées, et un régime modulé, pour lequel l’écoulement se désorganise à l’entrée du milieu poreux. Un modèle phénoménologique basé sur la propagation des bulles dans le milieu est proposé, et rend compte de l’existence de ces deux régimes [4,5]. Enfin, ces deux analyses sont couplées pour étudier les écoulements dans la cellule de Hele-Shaw, et une analyse dimensionnelle de l’effet du confinement et de la gravité sur les écoulements gaz-liquide dans un milieu poreux est proposée.Références –[1] M. Serres, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Geophys. Res. Lett. (2017). [2] M. Serres, D. Schweich, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Chem. Eng. Sci. (2017).[3] M. Serres, R. Philippe & V. Vidal, Compte-rendus de la 19e Rencontre du Non-Linéaire, Eds. E. Falcon, M. Lefranc, F. Pétrélis & C.-T. Pham, Non-Linéaire Publications, 109-114 (2016).[4] M. Serres, M.-L. Zanota, R. Philippe & V. Vidal, Int. J. Multiphase Flow 85, 157-163 (2016).[5] M. Serres, T. Maison, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Int. J. Multiphase Flow (2017). / This thesis focuses on gas-liquid flow in porous media, a common problem encountered in various domains from fundamental physics to applied chemical engineering. We have characterized the hydrodynamic regimes based on two different experimental devices geometry: a millichannel (1D flow) and a Hele-Shaw cell (2D flow). The originality of this work is to analyze the influence of the porous medium (monodisperse micro-packed beds or open cell solid foams), confinement (1D/2D) and gravity by coupling global and local analysis from either chemical engineering or fundamental physics community. On the one hand, a global analysis made it possible to quantify pressure drops, residence time distributions (RTD) based on fluorescent dye transport and gas-liquid mass transfer on the 1D device. On the other hand, a local analysis of the liquid fraction and the spatio-temporal evolution of its frequency pointed out the existence of two hydrodynamic regimes: a Taylor-like regime in which the characteristics of the periodic flow upstream are conserved in the porous medium and a modulated regime characterized by the flow disorganization at the porous medium entrance. A phenomenological model is developed based on bubbles propagation inside the medium and reproduces well both regimes. These two analyses are finally coupled to study multiphase flows inside the Hele-Shaw cell. The effects of gravity and confinement are discussed.

Rapporté à la tonne de fret, le trafic maritime est un mode de transport relativement « propre ». Néanmoins, par l’intensification des échanges mondiaux, sa part dans les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) au niveau mondial est appelée à augmenter. Conscients des effets néfastes associés aux GES, les pays membres des nations unies, via l’organisation maritime internationale, imposent le cadre réglementaire pour que ce secteur, vital dans une économie mondialisée, demeure écologiquement acceptable. Des objectifs ambitieux sont établis à court (2020) et moyen terme (2050). Or, d’après l’hypothèse faible de Porter, fixer des objectifs environnementaux sans imposer les moyens à mettre en oeuvre favorise l’innovation. Aussi, dans l’industrie du « shipping », les solutions fleurissent au premier rang desquelles figure l’emploi du Gaz Naturel Liquéfié (GNL) en tant que combustible. D’un point de vue thermodynamique, les inévitables infiltrations thermiques à travers les parois des réservoirs cryogéniques entraînent une variation de la pression dans le réservoir et des fluctuations de la qualité du gaz à l’admission moteur. Selon le schéma d’exploitation navire, ces deux phénomènes impactent significativement la pertinence de l’option GNL. En réponse, cette thèse propose un ensemble de modèles 0D pour, à partir d’un profil opérationnel, évaluer :1. l’évolution de la pression dans les réservoirs ;2. l’évolution de la qualité du gaz à l’admission moteur.Dans une première partie, des modèles sont proposés pour simuler les infiltrations thermiques à travers le réservoir, l’évaporation du GNL, son vieillissement (altération des propriétés du gaz par évaporation différenciée des composés) et l’évolution du taux de méthane à l’admission moteur. Puis, les modèles sont assemblés à travers une étude de cas apportée par un acteur du transport maritime. / In proportion to the ton of cargo, shipping is a relatively “clean” transportation mode. Nevertheless, due to global trade intensification, its share in the global greenhouse gas (GHG) emissions should increase. Aware that GHG adverse effects are a major concern for humanity, united nation member states impose, via the international maritime organization, a regulatory framework so that this vital sector in a global economy remains sustainable. Short (2020) and medium (2050)-term goals are set. According to the weak version of Porter’s hypothesis, strict environmental regulations encourage innovations. Hence, in the shipping industry solutions flourish among which the use of Liquefied Natural Gas (LNG) as a fuel. On a thermodynamic basis, the unavoidable heat leaks into the cryogenic tanks cause variations of the tank pressure and the natural gas quality at engine inlet. Depending on the ship’s operational profile, those two phenomena will impact significantly the LNG as a fuel option relevance. One major bottleneck slowing the uptake of LNG as a marine fuel is the lack of methods and models to perform, at a concept design level, the feasibility study. In response, this thesis proposes 0D models to assess from the operational profile:1. the tank pressure evolution;2. the gas quality evolution at engine inlet.In the first part, models are proposed to simulate heat leaks into the tanks, LNG vaporization, ageing (the alteration of natural gas thermophysical properties by a differentiate vaporization of its compounds) and methane number evolution at engine inlet. Then, the models are put together and applied on a case study. The ship concept is proposed by a freight company.

Dans cette thèse, un modèle numérique a été proposé pour simuler la combustion liquide des carburants conventionnels et non-conventionnels, en particulier le mélange de biodiesel B20. La matrice de test numérique constitue de quatre cas d’écoulement réactifs c.à.d. avec combustion et d’un cinquième avec injection liquide sans combustion (écoulement non-réactif). Les modèles sont calculés à l’aide du logiciel FLUENT™ v.14 en 3D et a l’état stationnaire. Les flammes de diffusion turbulentes sont modélisées en utilisant l’approche de flammelette laminaire stable, avec une fonction de densité de probabilité jointe (PDF). La Validation est effectuée en comparant les mesures expérimentales disponibles avec les résultats obtenus de la CFD. L’aérodynamique de la chambre de combustion, ainsi que les températures de parois extérieures sont captures avec un degré de précision satisfaisant. La validation des principaux produits de combustion, tels que : CO2, H2O et O2, montre des résultats satisfaisants pour tous les cas d'écoulement réactifs, mais certaines incohérences ont été relevées pour les émissions de CO. On pense que le banc d'essai (la géométrie de la chambre de combustion et son état de fonctionnement) n'est pas suffisamment adéquat pour la combustion de combustibles liquides. D’autre part, et d’un point de vue numérique, l’approche de flammelette laminaire stable a été trouvé raisonnablement hors mesure de saisir les effets profonds du non-équilibre chimique qui sont souvent associés au processus de lente formation d’un polluant, comme le CO. / In this thesis, a CFD model was proposed to simulate the liquid combustion of conventional and non-conventional biodiesel fuels, in particularly the B20 biodiesel blend. The numerical test matrix consists of four reacting flow cases, and one non-reacting liquid fuel injection case. The models are computed using FLUENT™ v.14 in a 3D steady-state fashion. The turbulent non-premixed diffusion flames are modeled using the steady laminar flamelet approach; with a joint presumed Probability density function (PDF) distribution. Validation is achieved by comparing available experimental measurements with the obtained CFD results. Combustor aerodynamics and the outer wall temperatures are captured with a satisfactory degree of accuracy. Validation of the main combustion products, such as: CO2, H2O, and O2, shows satisfactory results for all the reacting flow cases; however, some inconsistencies were found for the CO emissions. It is believed that the test rig (combustor geometry and operating condition) is not sufficiently adequate for burning liquid fuels. On the other hand, from a numerical combustion point of view, the steady laminar flamelet approach was found not reasonably able to capture the deep non-equilibrium effects associated with the slow formation process of a pollutant, such as CO.

Dans ce mémoire, nous investiguons le niveau d’intérêt de la clientèle résidentielle de Gaz Métro pour remplacer une partie de leur consommation de gaz naturel par du biométhane. Plus particulièrement, nous tentons d’identifier les caractéristiques pouvant expliquer un intérêt plus ou moins important pour le paiement d’un supplément pour consommer du biométhane. L’analyse se base sur un échantillon de 200 clients de Gaz Métro. Ces données ont l’avantage de fournir beaucoup d’information sur les caractéristiques socio-économiques des répondants, incluant le niveau de revenu, le niveau d’éducation ainsi que la taille du ménage. Afin de décomposer l’effet de chacune de ces caractéristiques sur l’intérêt pour le biométhane (exprimé sous forme de variables discrètes), la méthode économétrique retenue repose sur un modèle logit multinomial ordonné. Nous découvrons un lien positif entre l’intérêt à payer un supplément pour consommer le biométhane et le fait d’avoir un revenu élevé, d’être jeune ainsi que la sensibilité environnementale. À l’inverse, le fait d’être plus âgé a un effet négatif sur l’intérêt pour le biométhane.

Le principal objectif de ce mémoire est d’évaluer la performance environnementale des programmes d’efficacité énergétique de Gaz Métro pour la période 2011-2012. Leur évaluation environnementale est nécessaire pour s’assurer que les programmes offerts réduisent les émissions de GES efficacement. La méthode proposée consiste à actualiser le coût social des économies de GES annuelles pour les comparer au coût initial de mettre en place une mesure ou un programme d’efficacité énergétique. En tout, trois évaluations sont effectuées pour 22 des 27 PEÉ de Gaz Métro. Ces évaluations permettent de vérifier si les mesures d’efficacité énergétique et les programmes d’efficacité énergétique réduisent les émissions de GES à un coût inférieur au coût social du carbone. Les résultats nous démontrent que les PEÉ sont majoritairement des instruments de réduction des émissions de GES très profitables lorsque l’on intègre les coûts évités à l’analyse.

Le centre de production de faisceaux d'isotopes rares situé sur le site de TRIUMF, utilise la méthode de séparation isotopique en ligne (ISAC) pour produire des faisceaux exotiques, c'est-à-dire des faisceaux d'ion hors de la vallée de stabilité. Pour ce faire, ils utilisent un faisceau de protons, provenant du cyclotron principal, d'intensité allant jusqu'à 100 uA et d'une énergie de 500 MeV. Présentement, les faisceaux sont produits soit à l'aide d'une source d'ionisation à surface chaude, d'une source d'ionisation résonante par laser ou d'une FEBIAD (Forced Electron Beam Induced Arc Discharged). Malheureusement, ces sources d'ionisation ne sont pas adéquates pour les éléments gazeux. Un nouveau type de source est donc nécessaire. La source ECR (Electron Cyclotron Resonance) peut produire des électrons de haute énergie en superposant une onde électromagnétique haute fréquence à un confinement par champ magnétique. Ces électrons d'haute énergie sont essentiels pour l'ionisation d'éléments gazeux. Les ions sont créés à l'intérieur du plasma lorsque les électrons entre en collision avec les atomes neutres. L'absence d'une cathode chaude près de la cavité d'ionisation, permet à la source ECR de produire un faisceau intense d'éléments de forte électronégativité, tel que l'azote, l'oxygène, le fluor, le soufre, etc. Dans ISAC, le taux élevé de radiation due à la proximité de la cible prévient l'utilisation d'une source ECR conventionnelle. À cette fin, MISTIC (Monocharged Ion Source for TRIUMF and ISAC Complex), une source ECR prototype, a été construit à TRIUMF utilisant un concept similaire d'une source conçue au GANIL. Afin d'obtenir une source résistante aux radiations, des électro-aimants sont préférés à l'utilisation d'aimants permanents pour la production du champ de confinement magnétique. Les tests sur la source sont effectués sur un banc d'essai pourvu des instruments nécessaires à l'évaluation des ses performances. Les tests consistent en des mesures d'efficacité d'ionisation et d'émittance pour différentes configurations des paramètres de la source, tel que la force du champ magnétique, la fréquence des micro-ondes et leur puissance et la composition et la densité du plasma. Une sonde de Langmuir fut aussi utilisée afin de mesurer certains paramètres du plasma. Les résultats des expérimentations sur le prototype vont aider à définir les paramètres de la version en ligne de MISTIC. De plus, un travail extensif a été accompli sur une autre source plasma retrouvée à TRIUMF, la FEBIAD, afin d'améliorer ses performances et sa durabilité. Les résultats des mesures d'efficacité effectuées hors ligne vont servir à comparer les performances entre les deux sources.

Dans ce document, on étudie les propriétés électroniques d'un système composé de deux couches de graphène séparées par un diélectrique en présence d'un fort champ magnétique perpendiculaire. L'épaisseur du diélectrique est choisie de façon à pouvoir négliger le transfert de charges par effet tunnel. Ce type de système est étudié par quelques groupes de recherche dans le principal but de prédire et comprendre la formation de condensat de Bose-Einstein d'excitons dont les composants sont des fermions relativistes sans masse [1] [2] [3]. Nous nous intéressons à l'effet de l'interaction électron-électron sur les états fondamentaux de ce système et à leurs excitations collectives à facteur de remplissage entier. Plus précisément, nous étudions les diagrammes de phase de cette bicouche de graphène sans terme tunnel dans le niveau de Landau n = 0 pour les facteurs de remplissage ? = 1 et ? = 2 dans la limite où la température tend vers zéro. Lors de cette étude, nous appuyons les prédictions faites par Allan H. MacDonald et Yogesh N. Joglekar à propos de la formation d'un condensat de Bose-Einstein d'excitons pour différentes zones des diagrammes de phase. Nous étudions aussi la relation de dispersion des excitations collectives soutenues par les états fondamentaux et leur effet sur le système. Finalement, nous nous intéressons à la conductivité du système. Nous démontrons alors les règles de sélection pour l'absorption inter-niveaux de Landaux et nous étudions l'effet des modes collectifs sur l'absorption intra-niveau de Landau. Ce dernier phénomène ressort directement de la forme particulière du réseau atomique du graphène et nous proposons dans ce document une toute première étude de ce concept.

Au Québec, les premiers Lumbricidae ont été introduits par les colons européens aux alentours du 16e siècle. Depuis cette première vague d’introduction, ils se propagent sur le territoire à l’aide de l’activité humaine. Cependant, nous en savons peu sur l’effet des diverses activités humaines sur l’établissement des communautés de Lumbricidae en milieu forestier protégé. De plus, leurs effets sur les cycles biogéochimiques et les plantes de sous-bois restent peu connus. Le premier objectif de notre étude était de comparer l’effet de la circulation routière et du transport d’appâts par les pêcheurs sur l’abondance et la structure des communautés de Lumbricidae en forêt. Notre deuxième objectif était de vérifier si les vers de terres exotiques pouvaient influencer la production d’oxyde nitreux, un gaz à effet de serre important. Enfin, le dernier objectif était de mesurer l’impact des vers de terre sur la richesse et la composition du sous-bois forestier. Nous avons réalisé un échantillonnage autours de 61 lacs du parc national du Mont-Tremblant, 46°26′00″N 74°21′00″W, avec différents niveaux d’activité humaine. Nos résultats montrent que la pêche, la proximité des routes et l’acidité du sol ont tous les trois un effet positif sur l’abondance des vers de terre. Cependant, la pêche augmente davantage la densité et la richesse d’espèces de vers. De plus, seule la pêche semble permettre l’introduction des vers anéciques Lumbricus terrestris. Afin d’estimer l’impact des vers de terre sur la biodiversité végétale et les propriétés du sol nous avons échantillonné 47 points autour de deux lacs envahis pour observer un gradient d’invasion. Nos tests ont montré que l’abondance de Lumbricus terrestris était corrélée positivement avec les taux de nitrification et de dénitrification dans le sol, deux processus pouvant émettre de l’oxyde nitreux vers l’atmosphère. Une augmentation de l’abondance des Lumbricus terrestris était également corrélée avec une diminution de la richesse d’espèces herbacées. Nous avons observé que les abondances combinées des vers anéciques et endogéiques influençaient la composition de la végétation de sous-bois. Leur abondance était corrélée négativement avec le recouvrement de Maïanthemum canadensis, Trientalis borealis et Dryopteris intermedia tout en étant corrélée positivement avec celui de Carex sp. Les résultats de notre étude pourront être utilisés par nos partenaires de la SÉPAQ afin d’assurer une meilleure gestion de la problématique des vers de terre exotiques. Nos résultats militent en faveur d’un moratoire sur la création de nouvelles routes et sur l’utilisation de vers vivants en tant qu’appâts dans les parcs nationaux. De manière plus générale, cette étude amène des pistes de solutions quant à la gestion de la propagation des vers de terre exotiques dans des nouveaux milieux, par exemple en donnant aux autorités nécessaires le mandat de contrôler l’accès des pêcheurs dans les secteurs non envahis.

L'équipe Inolivent oeuvre dans le domaine de la ventilation liquidienne totale (VLT), une technique de ventilation expérimentale pour traiter des détresses respiratoires aiguës en utilisant un liquide respirable. Sur les prototypes de l'équipe Inolivent, ce liquide, un perfluorocarbone (PFC), est oxygéné et débarrassé du gaz carbonique à l'aide d'un oxygénateur à bulles avec une membrane flexible perforée.L'efficacité de ces échanges gazeux est partiellement connue. Le présent ouvrage définit des critères de performances sur ces échanges gazeux et évalue ces critères sous différentes conditions avec une approche théorique, des tests expérimentaux en laboratoire et des tests en expérimentations animales. Les oxygénateurs à bulles utilisés par l'équipe Inolivent sont évalués selon leurs caractéristiques et comparés aux oxygénateurs à membrane également utilisés en VLT. Les critères qui qualifient le mieux la performance des oxygénateurs sont le coefficient de transfert de matière multiplié par la surface d'échange (k[indice inférieur L] M ) et la constante de temps ([tau]). Les résultats expérimentaux en laboratoire et en expérimentations animales concordent ensembles et sont cohérents avec l'approche théorique. Les performances de l'oxygénateur du quatrième prototype (Inolivent-4) sont jugées adéquates avec un débit d'O[indice inférieur 2] de 4 l/min avec une membrane de 470 trous. Avec ces conditions, on évalue le k[indice inférieur L] M minimum (3.13 x 10[indice supérieur -5] m[indice supérieur 3]/s) qui doit être atteint dans la conception d'un oxygénateur à bulles en VLT.L'oxygénateur d'Inolivent-4 maintient une fraction partielle d'oxygène (FiO[indice inférieur 2]) dans le PFC de 0.94 à 0.98 lors d'expérimentations animales. Ces valeurs permettent d'obtenir des pressions partielles de CO[indice inférieur 2] inférieures à 45 mmHg au niveau du sang artériel (PaCO[indice inférieur 2]). De plus, la variation de FiO[indice inférieur 2] permet de diminuer la pression partielle d'O[indice inférieur 2] dans le sang artériel (PaO[indice inférieur 2]) entre 80 et 100 mmHg. Des pistes d'améliorations pour la conception des oxygénateurs à bulles en VLT sont proposées notamment la diminution du diamètre de l'oxygénateur et la diminution du volume de PFC en fonction du maintien de la PaCO[indice inférieur 2].

Ce mémoire porte sur la gestion des effluents organiques à l'aide d'un procédé intégré de valorisation énergétique dans le contexte d'une municipalité de 150 000 habitants en considérant la génération d'énergie et la réduction des gaz à effet de serre. Dans cette optique, la digestion anaérobie devient intéressante. Un premier scénario étudie la cogénération de chaleur et d'électricité à partir du biogaz issu de la digestion anaérobie des effluents organiques gérés par la municipalité : les résidus domestiques putrescibles et les boues d'usine municipale de traitement des eaux (scénario 1). Un second scénario propose d'ajouter le lisier issu des fermes régionales pour faire de la codigestion avec les matières gérées par la municipalité et faire de la cogénération de chaleur et d'électricité (scénario 2). Le troisième scénario propose de générer du gaz naturel renouvelable (GNR) en purifiant le biogaz pour accroître son pouvoir calorifique (scénario 3). Ces scénarios sont comparés d'un point de vue économique, énergétique et environnemental à l'aide du chiffrier MATTEUS version 5.11 développé par Hydro-Québec afin de proposer le meilleur procédé intégré de gestion à la municipalité en tenant compte des trois aspects. Le scénario 1 (cogénération) mène à une période de retour sur l'investissement (PRI) de 3,7 ans avec un prix d'achat de l'électricité de 0,10$/kWh. Le scénario 2 (codigestion) accroît la production de biogaz de 37%, mais augmente la PRI à 6,8 ans à moins que le digestat produit puisse être utilisé pour faire de la valorisation agronomique; cela devient économiquement avantageux. Le scénario 3 (GNR) n'obtient pas de PRI, car le coût d'achat du gaz naturel est trop faible. Par contre, ce scénario mène à la plus faible période de retour en énergie (3,3 ans) et réduit le plus les émissions de gaz à effet de serre (4261 tCO[indice inférieur 2] eq/an). Parmi les scénarios proposés, le scénario 1, cogénération des matières organiques gérées par la municipalité, représente l'alternative la plus intéressante économiquement et devrait être favorisé à l'heure actuelle. Toutefois, le scénario 3, GNR, se démarque dans les deux autres aspects.