L'objectif de cette thèse est de développer de nouveaux textiles biomimétiques pour réaliser des prothèses vasculaires au comportement mécanique proche de celui de l'aorte native, afin de limiter les problèmes post-opératoires observés actuellement. Afin d'établir le cahier des charges, un modèle de comportement de l'AA inspiré d'un modèle multicouches a été ajusté sur des essais biaxiaux de la littérature réalisés sur des échantillons d'AA excisés, pour trois groupes d'âge distincts. Ce modèle a ensuite été implémenté dans un code de calculs par éléments finis afin de simuler le comportement mécanique de l'aorte saine soumise à un ensemble de sollicitations mécaniques, tant à l'échelle du matériau (traction uni et biaxiale, flexion) qu'à celle de la structure (gonflement avec pré-élongation, flexion, compression diamétrale). Dans un second temps, des essais de caractérisation couplés à des mesures par imagerie ont été mis en œuvre sur des prothèses du commerce, avec les mêmes conditions limites et de chargement que les simulations numériques. Ces essais ont permis d'identifier les écarts de comportement mécanique entre les prothèses actuelles et l'aorte native. Afin de pallier à cela, la dernière partie de ce travail a été consacrée au développement de nouveaux textiles biomimétiques, i.e mimant le comportement mécanique de l'aorte native ainsi que ses principales caractéristiques histologiques (« ondulation » et « orientations de fibres privilégiées»), réalisables à l'échelle industrielle par technologie « tricot maille jetée ». Dans un premier temps, le comportement mécanique de plusieurs multifilaments en PET avec différents titres, nombres de filaments et différentes textures, a été étudié après plusieurs traitements (thermique…). Ceci a permis de sélectionner un fil en particulier pour la réalisation des textiles. Par la suite, une première optimisation des paramètres de fabrication (armure, densité de mailles, jauge) a été réalisée pas-à-pas à travers plusieurs campagnes de réalisations et de caractérisations de tricots plans en sollicitation uniaxiale et biaxiale. Enfin, des premiers essais de mise en forme tubulaire ont été réalisés à partir des textiles optimisés. Deux procédés de mise en forme ont été développés : tubes cousus / tubes tramés. La production de « tubes tramés » continus est une technologie innovante à notre connaissance, et prometteuse. Le comportement mécanique des tubes réalisés a été caractérisé en gonflement pour une première évaluation. Plus spécifiquement, l'effet des procédés appliqués sur les textiles médicaux (lavage, traitement thermique, enduction) a été testé sur des échantillons de tube tramé et de textiles plans. Ces premiers essais ont montré qu'en pilotant les paramètres de ces différents traitements et plus particulièrement ceux du traitement thermique, il est possible de moduler le comportement mécanique des tricots afin qu'il s'approche au mieux de celui de l'AA. / This thesis aims at developing new biomimetic textiles to design vascular prostheses with a mechanical behavior close to the one of the host aorta, in order to reduce current post-operative problems. To define the ideal target properties, a AA mechanical model was chosen, based on a multi-layered model from the literature. The model parameters were adjusted on biaxial tensile data reported in the literature, performed on excised AA samples for three different age groups. Then, this model was implemented in a finite element code in order to simulate the mechanical behavior of the healthy aorta submitted to various mechanical loadings, both at the material's scale (uni- and biaxial tensile tests, bending) and at the structure's scale (inflation with prestretch, bending, diametric compression). Secondly, several commercial prostheses were characterized using dedicated experimental devices combined with image recordings. The prostheses were tested under the same boundary and loading conditions as the ones used in the numerical simulations. These tests showed that the actual prostheses are not fully mechanically compatible with the host aorta. In order to solve this problem, the last part of this work was dedicated to the design of new biomimetic textiles, i.e. mimicking the healthy aorta's mechanical behavior and main histologic properties (“wavy fibres” and “preferred fiber orientations”), which can be produced industrially using “warp knitting” technology. Firstly, the mechanical behavior of several PET yarns made of different titers, filament numbers and textures were characterized after several treatments (thermal, etc.). This step enabled to identify one specific yarn to produce the biomimetic textiles. Then, a first optimization of the manufacturing parameters (weave, gauge, density, etc.) was made step by step by means of several textile production and planar tests (uni- and biaxial tensile tests). Finally, several trials were conducted to design tubular structures from the optimized textiles. Two shaping methods were developed: sewed tubes / weaved tubes. The continuously “weaved tubes” production is an innovative and promising technology as far as we know. The mechanical behavior of the new tubes was characterized using inflation tests for a first assessment. More specifically, the effect of the treatments usually applied on medical textiles (cleaning, thermal treatment, coating) was tested on weaved tubes and planar textiles samples. By adjusting the parameters of the several processes - and mostly those of thermal treatments – it was possible to adjust the textiles' mechanical behavior in order to make it the closest to the AA's one.

Afin de répondre aux besoins du marché de l’acier, le procédé de cokéfaction du charbon doit s’adapter. Cependant, changer les paramètres de cokéfaction du charbon, tels que la température du four, le temps de cuisson ou la composition de la pâte à coke enfournée, peut générer un endommagement prématuré de la maçonnerie des fours. En effet, la transformation du charbon en coke s’accompagne d’une poussée sur les parois du four fortement dépendantes d’un grand nombre de paramètres. Afin d’anticiper ce problème, un projet européen nommé « Swelling PRessure In a coke oven, Transmission on oven walls and COnsequences on wall » a été mis en place. Cette thèse s’inscrit dans ce programme et vise à déterminer la poussée maximale pouvant être admise par un piédroit de cokerie lors de la pyrolyse du charbon. Pour modéliser ces structures composées de plusieurs centaines de milliers de briques, le point de vue macroscopique est le plus approprié. La maçonnerie est remplacée par un matériau homogène équivalent dont le comportement varie en fonction de l’état d’endommagement de la maçonnerie, ramené localement à un état d’ouverture des joints de mortier. Afin de détecter ces ouvertures, un critère de type Mohr-Coulomb en contraintes est utilisé. Il repose sur la comparaison des limites à rupture d’un sandwich brique-Mortier déterminé expérimentalement à haute température avec les contraintes mésoscopiques issues de la simulation. Un protocole expérimental novateur a été développé pour caractériser la tenue en traction du sandwich brique / mortier / brique jusqu’à 1000°C. Les limites à rupture issues de cet essai de traction directe ont été comparées à celles obtenues par des essais de fendage réalisés à l’université de Leoben. Les résultats sont concordants et confirment l’importance de l’état de surface avant maçonnage. Selon l’état d’endommagement considéré, les contraintes mésoscopiques sont obtenues grâce à un tenseur de localisation ou grâce à une sous-Structuration. Cette étape de sous-Structuration consiste à simuler localement une cellule à l’échelle mésoscopique en lui appliquant le champ de déplacement macroscopique obtenu grâce à la simulation. L’outil numérique a été validé par confrontation avec un cas test de référence. Pour finir, l’outil numérique développé a été utilisé pour caractériser l’influence de différents paramètres tels que la prise en compte de la thermique, la mise en compression de la structure…. Enfin, la simulation de cuissons sur des piédroits complets (sains ou initialement endommagés) a été réalisée. L’importance de l’endommagement initial est clairement soulignée par les résultats. Enfin, un nouveau modèle, appelé « deux carneaux avec poutres», est proposé pour réduire le coût de calcul. Plus complet que le modèle « deux carneaux » utilisé au CPM, il donne accès à de très bons résultats pour un coût nettement moindre que celui du piédroit complet avec homogénéisation et sous-Structuration. / To face coke and steel market requirements, the coking process has to be more flexible. Changing process parameters such as coking temperature, blend composition and cooking time can damaged coke oven battery heating wall. Indeed, the coking process generates a swelling pressure on wall which depends on a lot of parameters. To study this point, a European project named « Swelling PRessure In a coke oven, Transmission on oven walls and COnsequences on wall » has been set up. This work is a part of it and aims to determine the admissible pushing pressure for the coke oven heating walls to prevent crack formation. To model large masonries composed of numerous bricks, a mesoscopic point of view is more appropriate. Bricks and mortar are replaced by a Homogeneous Equivalent Material (HEM) whose behaviour depends on the joint state. In order to represent joint opening mechanism, a Mohr-Coulomb criterion in stress is used. This criterion compares the level of stress to the ultimate tensile or shear stress at mesoscopic scale. Ultimate stresses are obtained thanks to an experimental campaign using a new protocol developed at PRISME Laboratory. The brick-Mortar behaviour is experimentally characterised at high temperature (20°C to 1000°C). To validate the tensile test developed, a second experimental campaign using “wedge splitting tests” has been done at Leoben University. Results are similar and confirm the importance of the brick surface state. Depending on the initial damage of the structures, mesoscopic stresses are obtained by localization tensor or by sub-Modelling. The sub-Modelling step aims to simulate a local part of the masonry at the mesoscopic scale. This step aims to simulate with a mesoscopic point of view a local part of the global model. This numerical tool has been validated thanks to a literature test. Finally, the numerical tool has been used to characterise the influence of some parameters (thermal, force due to the cross tie rod,..). Next, the simulation of the whole coke oven heating wall has been performed (undamaged or initially damaged masonry). These FE simulations show the influence of initial damage on the final masonry damage. Finally, a two flues model with beams is proposed to take into account compression due to cross tie rod and to limit computational cost. It permits to obtain better results than the existing two flues model used at CPM with a lower cost compared to the whole coke oven heating wall model.

Ces travaux de thèse sont consacrés à l’analyse des phénomènes ondulatoires se produisant dans les structures périodiques : des phénomènes comme les réflexions de Bragg ou les résonances locales qui émergent dans de telles structures permettent de contrôler la propagation des ondes, et ces structures présentent donc des propriétés spécifiques. Dans le premier chapitre, des outils numériques permettant de déterminer les relations de dispersion dans les structures périodiques sont présentées, et notamment la méthode de Floquet-Bloch qui sert de référence dans l’analyse des milieux périodiques. Cette technique consiste à résoudre le problème sur une cellule unitaire avec des conditions limites adaptées, cependant l’introduction d’amortissement dans les cas 2D et 3D n’est pas facile. Elle est mise en œuvre dans le deuxième chapitre pour étudier la propagation des ondes dans un méta matériau comprenant des performations rectangulaires, hiérarchiques et auxétiques (coefficient de poisson négatif). L’influence des paramètres géométriques de la cellule sur la dispersion et les propriétés mécaniques de la structure est investiguée en utilisant une méthode d’homogénéisation. Une validation expérimentale est effectuée sur un réseau en polyméthacrylate de méthyle (PMMA) en utilisant un vibromètre3d à balayage. Dans le troisième chapitre, une alternative à la méthode de Floquet-Bloch pour étudier la propagation d’ondes dans des milieux dissipatifs est décrite : la méthode intitulée « Shift cell operator ». Elle est basée sur une reformulation du problème aux équations aux dérivés partielles, la périodicité étant incluse dans le comportement global de la structure et des conditions de continuité sur les bords de la cellule sont imposés. Cette stratégie permet de résoudre le problème quelle que soit l’évolution en fréquence de propriétés de la cellule. Des outils de post-traitement des diagrammes de dispersion avec amortissement sont proposés basés notamment sur une analyse de la vitesse de groupe. Dans le dernier chapitre, la démarche est appliquées sur une structure périodique amortie consistant en un guide d’ondes bidirectionnel infini mêlant aluminium et polymère hautement dissipatif. Les résultats obtenus sur une structure finie intégrant une interface composée d’un ensemble distribué de ces cellules unitaires confirment le caractère adaptatif du méta matériau ainsi conçu. Une confrontation de ces résultats à des résultats expérimentaux a permis de confirmer ce comportement. / The understanding of wave propagation in periodic structures is proposed in this work. Periodic structures exhibit very specific properties in terms of wave propagation. First, some numerical tools for dispersion analysis of periodic structures are presented. The classical Floquet-Bloch approach is first presented, as a reference. This technique uses proper boundary conditions on the unit cell, but dealing with damping is not easy for 2D or 3D cases. Secondly, a metamaterial with hierarchical, auxetic (negative Poisson ratio) rectangular perforations is presented using the Floquet-Bloch method as a reference. Some numerical eigenvalue tools are used for the dispersion analysis of this structure. A geometric parametric investigation of these rectangular perforations using a numerical asymptotic homogenisation finite element approach is done. The experimental validation is performed with a network based on polymethyl methacrylate (PMMA) using a 3D scanning vibrometer. Third, the Shift cell operator technique is described. It consists in a reformulation of the PDE problem by shifting in terms of wave number the space derivatives appearing in the mechanical behavior operator inside the cell, while imposing continuity boundary conditions on the borders of the domain. Damping effects can be introduced in the system. This strategy make it possible to solve the problem with an arbitrary frequency dependency of the physical properties of the cell. A focus is proposed on tools for the post-processing of dispersion diagrams in damped configurations like group velocity. Finally, an adaptive metamaterial based on the combination of metallic parts with highly dissipative polymeric interface is designed. In order to validate the design and the adaptive character of the metamaterial, results issued from a full 3D model of a finite structure embedding an interface composed by a distributed set of the unit cells are presented. After this step, a comparison between the results obtained using the tunable structure simulation and the experimental results is presented.

Die Arbeit beschreibt die skalenübergreifende Modellierung und Simulation des Werkstoffverhaltens von Faser-Kunststoff-Verbunden mit textiler Verstärkungsstruktur, die ausgehend von den konstitutiven Eigenschaften der Verbundbestandteile (Mikroskala) und ihrer geometrischen Anordnung im Verbund (Mesoskala) die rechnerische Vorhersage des effektiven Materialverhaltens des Verbundes (Makroskala) ermöglicht. Neben Schädigungsprozessen beeinflusst insbesondere das dehnratenabhängige Materialverhalten der polymeren Matrix das mechanische Verhalten des Verbundes. Dieser Einfluss wird anhand verschiedener Glasfaser-Polypropylen-Verbunde numerisch untersucht. Ein viskoplastisches Materialmodell bildet dabei das nichtlineare Materialverhalten von Polypropylen ab. Die Modellierung der textilen Verstärkungsstruktur erfolgt durch Anwendung der erweiterten Finiten-Elemente-Methode (XFEM). Anhand des Vergleichs von rechnerisch und experimentell gewonnenen Ergebnissen erfolgt schließlich die Verifikation der vorgeschlagenen Modellierungsstrategie. / This contribution covers the trans-scale modelling and simulation of the mechanical behaviour of textile-reinforced polymers. Starting from the material properties of the individual constituents (micro-scale) and their geometrical arrangement (meso-scale), the effective material behaviour of the composite (macro-scale) is numerically predicted. In addition to damage processes, the inelastic deformation behaviour of the composite is influenced by the strain-rate dependent material behaviour of the polymeric matrix. This influence is numerically investigated for different glass-fibre-polypropylene composites. A viscoplastic material model accounts for the nonlinear mechanical behaviour of polypropylene. The complex textile reinforcement is modelled by the eXtended finite element method (XFEM). A comparison of computed and experimental results allows for the verification of the proposed modelling strategy.

Abstract The aim of the present study was to increase the understanding of how the cell surface properties affect the performance of unit operations used in primary protein purification. In particular, the purpose was to develop, set up and apply methods for studies of cell surface properties and cell interactions. A method for microbial cell surface fingerprinting using surface plasmon resonance (SPR) is suggested. Four different Escherichia coli strains were used as model cells. Cell surface fingerprints were generated by registration of the interaction between the cells and four different surfaces, with different physical and chemical properties, when a cell suspension was flown over the surface. Significant differences in fingerprint pattern between some of the strains were observed. The physical properties of the cell surfaces were determined using microelectrophoresis, contact angle measurements and aqueous two-phase partitioning and were compared with the SPR fingerprints. The generated cell surface fingerprints and the physical property data were evaluated with multivariate data analysis that showed that the cells were separated into individual groups in a similar way using principal component analysis plots (PCA). Studies of the behaviour of the model cells on stirred cell filtration and in an interaction test with different expanded bed adsorption (EBA) adsorbents were performed. It could be concluded that especially one of the strains behaved differently. Differences in the properties of the model cells were indicated by microelectrophoresis and aqueous two-phase partitioning which to some extent correlated with observed differences in behaviour during filtration and in an interaction test with EBA adsorbents. The impact of high-pressure homogenisation of E. coli cell extract was examined, with a lab scale and a pilot scale technique. The DNA-fragmentation, visualised with agarose gel electrophoresis, and the resulting change in viscosity was analysed. A short homogenisation time resulted in increased viscosity of the process solution that correlated with increased concentration of released non-fragmented DNA. With longer homogenisation time the viscosity decreased with increasing degree of DNA-fragmentation. The results show that strain dependant cell surface properties of E. coli may have an impact on several primary steps in downstream processing. / QC 20101129

Résumé : L'interaction entre la β-Lactoglobuline (β-Lg) et le rétinol ou entre les micelles de phosphocaséines (PC) et le rétinol à un pH proche de la neutralité, a été étudiée à pression atmosphérique et sous pression isostatique jusqu'à 400 MPa. Les constantes de dissociation et le nombre de sites de liaison ont été calculés indiquant des différences d'affinité en fonction de la structure protéique. A 25°C, des pressions inférieures à 150 MPa favorisent l'association β-Lgrétinol (rapport molaire β-Lg/rétinol : 1/1). A ≥ 150 MPa le complexe se dissocie. A 350 MPa, la β-Lg est dénaturée et le complexe irréversiblement dissocié. Le complexe PCrétinol (rapport molaire PC/rétinol : 1/1) reste au contraire formé après un traitement à 400 MPa et 25°C, bien que la pression induise des phénomènes de dissociation/réassociation des assemblages micellaires à ≥ 100 MPa. L'interaction PCrétinol stabiliserait plutôt les micelles de PC vis-à-vis de la pression, de même qu'une température de pressurisation modérée (35°C) comparativement à une température plus basse (15°C). Un isolat protéique de lactosérum (IPL) en dispersion dans l'eau à 10% (p/p) de protéines (pH 6,5) et en présence d'acétate de rétinol (AcRet) (rapport molaire β-Lg/AcRet : 10/1) a été traité par (i) haute-pression isostatique (HP) (350 MPa, 25°C, 15 min), (ii) traitement thermique de courte durée (TTCD) (75°C, 4 s) ou (iii) homogénéisation à ultra-haute pression (UHPH) (300 MPa, Tin = 24°C). Les trois traitements permettent de former des agrégats de β-Lg capables de retenir l'acétate de rétinol, mais avec une efficacité différente dépendant probablement des mécanismes d'agrégation induit par le chauffage (TTCD), la pression isostatique (HP) ou dynamique (UHPH). Des dispersions à 2,38% (p/p) en phosphocaséines (pH 6,6) en présence d'acétate de rétinol (rapport molaire PC/AcRet : 5/1) ont été traitées par (i) HP (300 MPa, 14°C ou 34°C, 15 min), ou (ii) UHPH (300 MPa, Tin = 14°C). Ces deux traitements favorisent la rétention de l'acétate de rétinol par les micelles de PC pouvant ainsi servir de cargo pour véhiculer des molécules bioactives. Mots clefs : haute pression isostatique, haute pression dynamique, homogénéisation à ultra-haute pression, fluorescence, β-Lactoglobuline, micelles de phosphocaséines, rétinol, acétate de rétinol, agrégats protéiques, interaction protéine-ligand. / Abstract: The binding of retinol to native β-Lactoglobulin (β-Lg) or phosphocasein (PC) micelles at pH close to neutral was studied at atmospheric pressure or under isostatic high-pressure. The dissociation constants and number of binding sites were calculated indicating that difference in retinol affinity depended on protein structure. At 25°C, pressure level < 150 MPa promoted β-Lgretinol association (β-Lg/retinol molar ratio: 1/1). At ≥ 150 MPa, the complex dissociated. At 350 MPa, β-Lg was denatured and the complex irreversibly dissociated. PC and retinol (PC/retinol molar ratio: 1/1) remained associated after pressurisation at 400 MPa and 25°C, while pressure induced dissociation/reassociation phenomena of micelle assemblies. The binding of retinol to PC stabilised micelles towards pressure, as well as moderate temperature of pressurisation (35°C) compared to lower temperature (15°C).A whey protein isolate (WPI) dispersed in water at 10% (w/w) proteins (pH 6.5) in the presence of retinyl acetate (RetAc) (β-Lg/RetAc molar ratio: 10/1) was processed by (i) isostatic high-pressure (HP) (350 MPa, 25°C, 15 min), (ii) short-time thermal treatment (STTT) (75°C, 4 s) or (iii) ultra-high pressure homogenisation (UHPH) (300 MPa, Tin = 24°C). All processing produced β-Lg aggregates able to retain RetAc, but with different efficiency depending on aggregation mechanisms induced by heating (STTT), isostatic high-pressure (HP) or dynamic high-pressure (UHPH). Phosphocaseins dispersed at 2.38% (w/w) proteins (pH 6.6) in the presence of RetAc (PC/RetAc molar ratio: 5/1) were processed by (i) HP (300 MPa, 14°C or 34°C, 15 min), or (ii) UHPH (300 MPa, Tin = 14°C). Both treatments promoted RetAc retention by phosphocasein micelles that can be used as cargoes to transport bioactive molecules.Keywords: isostatic high-pressure, dynamic high-pressure, ultra-high pressure homogenisation, fluorescence, β-Lactoglobulin, phosphocasein micelles, retinol, retinyl acetate, protein aggregates, protein-ligand binding.Discipline: Biochimie, Chimie et Technologie des Aliments.Thèse préparée à : Université Montpellier 2 – Equipe de Biochimie et Technologie Alimentaire – UMR IATE 1208 – Pôle EVAP – Place E. Bataillon, 34095 Montpellier, France.

Ausgehend von einem thermodynamisch konsistenten Modell von Dreyer und Duderstadt für Tropfenbildung in Galliumarsenid-Kristallen, das Oberflächenspannung und Spannungen im Kristall berücksichtigt, stellen wir zwei mathematische Modelle zur Evolution der Größe flüssiger Tropfen in Kristallen auf. Das erste Modell behandelt das Regime diffusionskontrollierter Interface-Bewegung, während das zweite Modell das Regime Interface-kontrollierter Bewegung des Interface behandelt. Unsere Modellierung berücksichtigt die Erhaltung von Masse und Substanz. Diese Modelle verallgemeinern das wohlbekannte Mullins-Sekerka-Modell für die Ostwald-Reifung. Wir konzentrieren uns auf arsenreiche kugelförmige Tropfen in einem Galliumarsenid-Kristall. Tropfen können mit der Zeit schrumpfen bzw. wachsen, die Tropfenmittelpunkte sind jedoch fixiert. Die Flüssigkeit wird als homogen im Raum angenommen. Aufgrund verschiedener Skalen für typische Distanzen zwischen Tropfen und typischen Radien der flüssigen Tropfen können wir formal so genannte Mean-Field-Modelle herleiten. Für ein Modell im diffusionskontrollierten Regime beweisen wir den Grenzübergang mit Homogenisierungstechniken unter plausiblen Annahmen. Diese Mean-Field-Modelle verallgemeinern das Lifshitz-Slyozov-Wagner-Modell, welches rigoros aus dem Mullins-Sekerka-Modell hergeleitet werden kann, siehe Niethammer et al., und gut verstanden ist. Mean-Field-Modelle beschreiben die wichtigsten Eigenschaften unseres Systems und sind gut für Numerik und für weitere Analysis geeignet. Wir bestimmen mögliche Gleichgewichte und diskutieren deren Stabilität. Numerische Resultate legen nahe, wann welches der beiden Regimes gut zur experimentellen Situation passen könnte. / Based on a thermodynamically consistent model for precipitation in gallium arsenide crystals including surface tension and bulk stresses by Dreyer and Duderstadt, we propose two different mathematical models to describe the size evolution of liquid droplets in a crystalline solid. The first model treats the diffusion-controlled regime of interface motion, while the second model is concerned with the interface-controlled regime of interface motion. Our models take care of conservation of mass and substance. These models generalise the well-known Mullins-Sekerka model for Ostwald ripening. We concentrate on arsenic-rich liquid spherical droplets in a gallium arsenide crystal. Droplets can shrink or grow with time but the centres of droplets remain fixed. The liquid is assumed to be homogeneous in space. Due to different scales for typical distances between droplets and typical radii of liquid droplets we can derive formally so-called mean field models. For a model in the diffusion-controlled regime we prove this limit by homogenisation techniques under plausible assumptions. These mean field models generalise the Lifshitz-Slyozov-Wagner model, which can be derived from the Mullins-Sekerka model rigorously, see Niethammer et al., and is well-understood. Mean field models capture the main properties of our system and are well adapted for numerics and further analysis. We determine possible equilibria and discuss their stability. Numerical evidence suggests in which case which one of the two regimes might be appropriate to the experimental situation.

Dans ce travail, les propriétés thermiques effectives du milieu fibreux sont déterminées en tenant compte du couplage conduction et rayonnement. Un échantillon numérique fibreux statistiquement homogène composé de deux phases a été généré en empilant des cylindres finis absorbant dans le vide. Ces cylindres sont dispersés selon des fonctions de distribution de la position de leur centre et de leur orientation. L'interpénétration des cylindres est permis. L'extinction, l'absorption et la diffusion sont caractérisées par des fonctions statistiques radiatives qui permettent de savoir si le milieu est Beerien (ou non). Elles sont déterminées précisément à l'aide d'une méthode de Monte Carlo. On montre que la phase gazeuse a un comportement Beerien et que le phase fibreuse a un comportement fortement non Beerien. Le champ de puissance radiative déposée dans le milieu fibreux est calculé en résolvant un modèle qui couple une Équation du Transfert Radiatif Généralisée (ETRG) et une Équation du Transfert radiatif Classique (ETR). Le modèle de conduction thermique est basé sur une méthode de marche aléatoire ne nécessitant aucun maillage. La simulation du mouvement Brownien de marcheurs dans les fibres permet de résoudre l'équation de l'énergie. L'idée de la méthode est de caractériser la température d'un volume élémentaire par une densité de marcheurs, qui peuvent parcourir le milieu. Le problème est gouverné par les conditions aux limites ; Une concentration constante de marcheurs (ou un flux constant) est associée à une température imposée (ou un flux). / In the present work, the effective heat transfer properties of fibrous medium are determined by taking into account a coupling of heat conduction and radiation. A virtual, statistically homogeneous, two-phase fibrous sample has been built by stacking finite absorbing cylinders in vaccum. These cylinders are dispersed according to prescribed distribution functions defining the cylinder positions and orientations. Cylinder overlappings are allowed. Extinction, absorption and scattering are characterised by radiative statistical functions which allow the Beerian behaviour of a medium to be assessed (or not). They are accurately determined with a Monte Carlo method. Whereas the gaseous phase exhibits a Beerian behaviour, the fibre phase is strongly non Beerian. The radiative power field deposited within the fibrous material is calculated by resolving a model which couples a Generalized Radiative Transfer Equation (GRTE) and a classic Radiative Transfer Equation (RTE). The model of conduction transfer is based on a random walk method without meshing. The simulation of Brownian motion of walkers in fibres allows the energy equation to be solved. The idea of the method is to characterize the temperature in an elementary volume by the density of walkers, which roam the medium. The problem is governed by boundary conditions ; A constant concentration of walkers (or a constant flux) is associated with a fixed temperature (or flux).

The savanna woodlands of Southern Africa, colloquially termed the miombo, are poorly described in terms of biodiversity compared to other biomes. They have therefore been underrepresented in the wider understanding of how land use intensification is shaping global biodiversity. Land use change is known to reduce biodiversity and disrupt intactness of ecological communities with consequences for ecosystem functioning, resilience, and services. Miombo woodlands are described as biodiversity hotspots due to a high endemism of species and the presence of megafauna. At the same time, they are also considered dynamic socio-ecological systems shaped by disturbances and the land use activities of people. The patterns of biodiversity change in these tropical ecosystems may, therefore, have their own unique contexts, understanding of which will be essential for biodiversity and land use management in these ecosystems. In this thesis, I identified the patterns of biodiversity change in response to the two major land use practices in the two dominant woodland types in southern African woodlands: the selective logging due to charcoal production in the mopane woodlands, and agricultural expansion in the miombo. I also examined the impact of two main disturbance agents, humans and elephants, on habitat structure and biodiversity in mopane woodlands. Across all chapters in this thesis, I investigated the effects of land use change and habitat modification on biodiversity empirically using chronosequences. To understand biodiversity change, I employed a hierarchical multilevel modelling approach making inferences at the three levels of ecological communities: species, community, and meta-community (set of ecological communities at different sites). I selected six villages in the charcoal production hotspot of southern Mozambique and carried out field surveys for three taxonomic groups: trees, mammals and ground beetles. I modelled the counts of trees and beetles and incidence of mammals using meta-community occurrence models in a Bayesian framework with the intensity class of the villages, above-ground biomass and land cover type as predictors. The results suggested that the species richness of trees and mammals declined by 12 and 8.5 % respectively while that of beetles increased by 3.5%, albeit non-significantly. In addition, the beta diversity of trees decreased while that of mammals increased. The results show that while both trees and mammals reduced in richness, they responded differently to charcoal production in terms of community organisation. The trees underwent subtractive homogenisation (decrease in alpha and beta diversities) primarily because of deterministic processes induced by selective harvesting of tree stems for charcoal. Mammal communities, on the other hand, showed subtractive heterogenization (decrease in alpha, but increase in beta diversity) mainly due to random extinctions. In the agriculture frontier of miombo-dominated northern Mozambique, I investigated the effects of fragmentation and habitat loss caused by agricultural expansion on diversity and composition of trees and mammals. I modelled the occurrences of trees and mammals using occupancy models with the fragmentation and quantity of woodland cover as predictors. The model showed that most tree species (n=10), mainly the timber and firewood species, linearly declined in population size as fragmentation increased. Mammals, on the other hand, showed a nonlinear response. Seven mammal species increased at the lower levels of fragmentation. However, at the higher levels, none of the mammal species increased while two declined. Similarly, the species richness of trees linearly declined, while that of mammals increased up to a fragmentation level of 55-65% and declined above this limit. The beta diversity of trees increased with fragmentation while that of mammals decreased. The results suggest that, although fragmentation reduces species richness of both trees and mammals, it affects their species compositions in different ways. Trees undergo subtractive heterogenization due to random species losses while mammals experience subtractive homogenisation mainly due to the combined effects of fragmentation-led habitat loss and intensified hunting. Finally, this study concludes that, above 75% fragmentation or below 26% habitat quantity, both taxonomic groups endure biodiversity loss. The threshold results here corroborate similar habitat quantity thresholds (20-30%) observed elsewhere in different ecosystems. However, they differ with the widespread notion that above 30% habitat quantity, the effect of fragmentation is non-existent. The results here emphasize that taxonomic groups respond differently, the diversity and population size of mammals reduced only after the habitat threshold, whereas, those of trees showed linear decrease with fragmentation most likely due to fragmentation-led habitat loss. Lastly, I examined the effects of disturbance by humans and elephants on habitat structure and bird diversity by conducting a space for time substitution comparison in the mopane woodlands of Zambia. To examine the woodland structure, I modelled the structural attributes of habitat (stem diameter, stand density, and basal area) using mixed models with the proportion of affected stems by humans and elephants as explanatory variables. I found that elephant disturbance was associated with higher stem diameters, low stand densities, but no change in basal area. Human disturbance, on the other hand, was related to reductions in stand density and basal area, but no change in the stem diameter. Further, I tested species and functional diversity of birds against the covariates of habitat structure and disturbance. I found that bird communities reduced in species richness in both, human as well as elephant disturbed areas. However, the functional diversity did not change with elephant disturbance. I concluded that human disturbance reduces woody biomass (basal area is correlated with woody biomass) of mopane woodlands and functional diversity of birds whilst elephants do not. In this thesis, I conclude that human driven land use change in the miombo woodlands erodes alpha diversity of all taxonomic groups. However, increases in beta diversity of mammals with charcoal land use and trees in agricultural land use may maintain their diversities at the meta-community level.

Nous présentons deux approches différentes pour décrire le couplage hydromécanique des géomatériaux. Dans une approche de type phénoménologique nous traitons le milieu poreux comme un milieu continu équivalent dont les interactions entre la phase fluide et le squelette solide constituent le couplage du mélange à l'échelle macroscopique. En caractérisant le comportement de chaque phase nous arrivons à décrire le comportement couplé du milieu couplé saturé.Nous utilisons cette approche pour modéliser des essais expérimentaux faits sur un cylindre creux pour une roche argileuse (argile de Boom). Les résultats expérimentaux montrent de façon claire que le comportement de cette roche est fortement anisotrope. Nous avons choisi de modéliser ces essais en utilisant une lois de comportement élasto-plastique pour laquelle la partie élastique est transversalement isotrope.Le problème aux conditions aux limites étudié met en évidence des déformations localisées autour du forage intérieur. Afin de décrire de façon objective le développement de ces bandes de cisaillement nous avons considéré un milieu continu local de type second gradient qui permet d'introduire une longueur interne. De ce fait nous avons pu étudier le problème d'unicité en montrant qu'un changement de la discrétisation temporelle du problème aux limites peut conduire à des solutions différentes.Dans la deuxième approche étudiée nous caractérisons la microstructure du matériau avec des grains et un réseau de canaux pour la phase fluide. À l'aide d'un processus numérique d'homogénéisation nous arrivons à calculer numériquement la contrainte du mélange et le flux massique. Cette méthode d'homogénéisation numérique a été implémentée dans un code aux éléments finis afin d'obtenir des résultats macro. Une validation de l'implentation est proposée pour des calculs en mecanique pure et en hydromécanique. / We present two different approaches to describe the hydromechanical behaviour of geomaterials. In the first approach the porous media is studied through an equivalent continuum media where the interaction between the fluide and solid phases caracterize the coupling behaviour at the macroscale.We take into account this approach to model experimental tests performed over a hollow cylinder sample of clay rock (Boom Clay), considered for nuclear waste storage. The experimental results clearly show that the mechanical behaviour of the material is strongly anisotropic. For this reason we chose an elasto-plastic model based on Drucker-Prager criterion where the elastic part is characterized by cross anisotropy.The numerical results of boundary value problem clearly show localised strains around the inner hollow section. In order to regularize the numerical problem we consider a second gradient local continuum media with an enriched kinematic where an internal lenght can be introduced making the results mesh independent. The uniqueness study is carried out showing that changing the temporal discretization of the problem leads to different solutions.In the second approach we study the hydromechanical behaviour of a porous media that it is characterised by the microstructure of the material. The microstructure taken into account is composed by elastic grains, cohesives interfaces and a network of fluid channels. Using a periodic media a numerical homogenization (square finite element method) is considered to compute mass flux, stress and density of the mixture. In this way a pure numerical constitutive law is built from the microstructure of the media. This method has been implemented into a finite element code (Lagamine, Université de Liège) to obtain results at the macroscale. A validation of this implementation is performed for a pure mechanical boundary value problem and for a hydromechanical one.