Nous présentons une étude expérimentale de la dynamique des structures de solidification directionnelle eutectiques fibreuses non-facettées en échantillons semi-massifs. L'alliage transparent utilisé est le succinonitrile-camphre droit. Nous utilisons un dispositif optique original d'observation en vue oblique, qui permet de suivre en temps réel l'ensemble de la structure avec une résolution micronique. La symétrie de base de la structure fibreuse est hexagonale. Nous montrons qu'une courbure résiduelle des isothermes, provoquant un étirement continuel de la structure, conduit à un régime permanent au voisinage du seuil supérieur de stabilité (instabilité de branchement). Les branchements sont alors une source continuelle de défauts. Nous montrons aussi que le seuil inférieur de stabilité (élimination de fibres) coïncide avec le seuil de l'instabilité d'Eckhaus mesuré en échantillons minces. Nous avons étudié d'autres instabilités de la structure fibreuse (oscillation, ovalisation).

La thèse porte sur les effets d'anisotropie induits par croissance d'interface rugueuse en solidification directionnelle. Ceux-ci se manifestent notamment par des directions de croissance variables des structures et des phénomènes morphologiques associés importants : dissymétrie, long cortège de branchements, instabilités. Cette étude est menée dans un premier temps sur des structures homogènes avant d'être étendue à des situations inhomogènes. Lorsque la vitesse de croissance augmente, la direction de croissance des dendrites s'oriente depuis une direction macroscopique donnée par le gradient thermique jusqu'à une direction microscopique fixée par les symétries cristallines. Leur étude expérimentale exhaustive a fourni ici un grand nombre de données dont le traitement a révélé une symétrie interne. Celle-ci conduit à la sélection d'une loi d'orientation fonction du nombre de Péclet et de l'écart entre les directions fixes macroscopique et microscopique du problème. Une nouvelle définition de la taille caractéristique des structures a cependant permis d'exprimer l'orientation relative des dendrites en fonction du seul nombre de Péclet par une courbe devenue indépendante de l'angle entre les deux directions fixes. La nouvelle loi ainsi obtenue est universelle car elle est indépendante de l'intensité du gradient thermique, des caractéristiques d'anisotropie et même de la nature de l'alliage solidifié. Enfin, l'application locale aux fronts inhomogènes des résultats obtenus sur les fronts homogènes permettent de comprendre la dynamique propre engendrée par des variations de taille de structures, d'orientation et d'intensité du gradient thermique.

Cette thèse a pour objectif de proposer un modèle mathématique pour le transport électronique hors-équilibre dans des systèmes mésoscopiques tels que les hétérostuctures ou les super-réseaux. On est amené à faire une étude asymptotique de systèmes non-linéaires stationnaires 1D du type Schrödinger-Poisson hors-équilibre. Le potentiel présente des sauts ainsi que des puits quantiques ponctuels à la limite. Pour l'étude non-linéaire à proprement parler, on établit l'existence de solutions asymptotiques, et que celles-ci sont déterminées par un nombre fini de paramètres. Néanmoins, le gros de l'étude consiste en une compréhension des propriétés spectrales de l'équation de Schrödinger linéaire associée, le système non-linéaire étudié étant semi-linéaire. La nature du problème nécessite une analyse sur le spectre continu, qui plus est la présence des puits engendre des résonances quantiques. Après avoir établi l'asymptotique des fonctions du Hamiltonien, on s'attarde sur les fonctions du moment. Leur analyse, plus complexe, est étroitement liée aux résonances de l'opérateur. On fournit une réponse complète dans les cas où la répartition des puits permet un traitement de ces résonances, notamment lorsque les puits sont bien groupés ou confinés à l'intérieur de l'île et suivant qu'ils sont alimentés ou non. Cette discussion met en évidence l'existence de solutions stationnaires dites classiques, par opposition aux solutions de nature quantique. On termine l'étude en mettant en évidence l'existence de solutions quantiques dans des cas particuliers.

Le durcissement des normes d'émission, tout autant que l'impératif d'économie,poussent à étudier de nouveaux modes de combustion pour les moteurs. L'autoallumage decharges homogènes à basse température offre de bonnes perspectives quant au rejet de NOx,suies, et CO2. Cependant son control reste délicat, car il est extrêmement sensible à latempérature et la cinétique de l'hydrocarbure. L'assistance par plasma hors-équilibre pourraitfournir une solution. Les expériences sont menées dans une MCR avec des mélanges pauvresd'isooctane/air et un prototype d'allumeur Renault. La combustion obtenue identifiée commeSICI se déroule en deux phases: la propagation d'une flamme comprime les gaz restantjusqu'à leur autoallumage. Le réchauffement du système expérimental est intégré dans leprotocole d'exploitation, afin de quantifier l'effet SICI relativement à l'autoallumage pur.L'effet du plasma semble avant tout dépendre de l'énergie déposée, bien qu'il convergerapidement, quel que soit l'avance du déclenchement. Le comportement asymptotique à hauteénergie s'explique par la thermalisation des filaments, soulignée par comparaison avec l'effetSICI d'un arc classique. A l'inverse, le seuil minimal d'énergie nécessaire semble lié à lacapacité à générer un noyau de flamme viable, rapprochant le phénomène d'un problèmeclassique d'allumage en conditions difficiles. La propagation de la flamme détermine ledéclenchement de l'autoallumage selon une caractéristique linéaire particulièrementremarquable, car indépendante des conditions thermodynamiques du mélange. L'existenced'une flamme froide est mise en avant par des acquisitions de PLIF formaldéhyde. Lapréréaction semble accélérer la propagation du front de flamme.

Sous conditions de fort déséquilibre thermodynamique, les populations des états internes émettant dans le VUV et l’infrarouge ne suivent plus une distribution de Boltzmann mais sont contrôlés par des processus collisionels et radiatifs. Nous avons développé un nouveau modèle collisionel-radiatif (CR) comprenant les mécanismes d’excitation et d’ionisation par impact d’électrons et de particules lourdes, ainsi que les transitions radiatives. Une revue exhaustive des diverses données expérimentales et théoriques nous a conduit à sélectionner les formulations les plus appropriées. Les transitions radiatives on été traitées via le concept de facteur d’échappement, égal à 0 pour les transitions dans le VUV, et à 1 pour les transitions dans l’infrarouge, en accord avec les récents calculs de la littérature. Nous avons interfacé notre modèle CR avec un code d’écoulement et un code spectral en vue de prédire les luminances récemment mesurées dans le tube à choc EAST de la NASA. Nous avons choisi deux conditions représentatives d’une rentrée hypervéloce sur Terre: V∞=10.6 et 11.12 km/s, à pression p∞=13.3 Pa. Nous avons comparé les densités d’électrons prédites par le modèle d’écoulement avec celles extraites des caméras CCD et avons obtenu un excellent accord, validant de fait le modèle d’ionisation et nous permettant de déterminer la position du choc. Ensuite, nous avons comparé les profils de luminance prédits par le modèle CR mesurés dans le VUV et l’infrarouge avec les données expérimentales et avons obtenu un excellent accord. Nous avons ainsi montré que les collisions par impact de particules lourdes sont cruciales et doivent être déterminés précisément en vue de prédire le flux radiatif dans le VUV, lequel peut représenter 60% du flux total reçu par le vaisseau spatial lors de sa rentrée dans l’atmosphère terrestre. / Under nonequilibrium, the populations of the electronic states that strongly radiate in the VUV and IR are no longer governed by a Boltzmann distribution but rather by collisional and radiative processes. A new collisional-radiative (CR) model was developed including the key processes chief among them electron-impact excitation and ionization, heavy-particle impact excitation and bound-bound transitions. A comprehensive review of the available experimental and theoretical reaction rates governing these processes was undertaken to produce a reliable set of rates. The bound-bound radiative mechanisms were treated using the escape factor concept, set to zero for VUV lines and set to one for infrared lines, in accordance with literature results. The CR model was interfaced with the a flowfield solver and with a radiation code to predict the nonequilibrium VUV and IR radiation spectra very recently measured in the EAST facility at NASA Ames Research Center. Two shock-tube conditions representative of a Lunar return reentry trajectory were selected: V∞=10.6 and 11.12 km/s, both at p∞=13.3 Pa. The electron number density profiles inferred from experiments were compared with the prediction of the flowfield model, showing excellent agreement in trend and absolute magnitude for both freestream conditions, and thus validating the ionization model and providing a way to accurately locate the shock front in the CCD images. Then, the experimental intensity profiles were compared with the prediction of the CR model. Excellent agreement between predicted and measured intensity profiles was obtained for both freestream conditions, when adjusting the heavy-particle impact excitation rate constants of Park (1985), suggesting that the nonequilibrium peak intensities observed in the VUV and IR spectral ranges are controled by heavy-particle impact processes.

Les effets collectifs sont présents dans la nature à de nombreuses échelles et dans des systèmes très différents.On peut notamment citer les vols d'oiseaux, les bancs de poissons, les nuages d'insectes, ou encore les troupeaux de moutons.Pour pouvoir décrire ces effets collectifs, il est nécessaire de disposer de systèmes expérimentaux abiotiques modèles.Dans cette thèse nous présentons un système expérimental composé de colloïdes Janus or et platine. Au contact d'eau oxygénée ces colloïdes se mettent en mouvement tout en consommant ce carburant.Ce système est donc fondamentalement hors équilibre puisque de l'énergie est consommée à l'échelle des individus. Il a la particularité de présenter des effets collectifs sous la forme de l'apparition de clusters, agrégats dynamiques de colloïdes / Collective motion are present at every scales and in very various biological systems. For example one can observe flocks of birds, schools of fishes, or swarms of insects. To be able to describe and understand these collective effects, it is necessary to have experimental abiotic model systems.In this PhD we present an experimental system made of Janus colloids of gold and platinum. When putted in an hydrogen peroxide bath, they set in motion, consuming fuel.This system is fully out of equilibirum because energy is consumed at the scale of individuals. It presents collective motion with the apparition of clusters, dynamical aggregates of active colloids.This PhD is structured around three parts :- the study of the kinetics and dynamics of the clusters- the achievement of sedimentation experiments- the study of the system in dense assemblies, forming an active colloidal glass

Le durcissement des normes d’émission, tout autant que l’impératif d’économie,poussent à étudier de nouveaux modes de combustion pour les moteurs. L’autoallumage decharges homogènes à basse température offre de bonnes perspectives quant au rejet de NOx,suies, et CO2. Cependant son control reste délicat, car il est extrêmement sensible à latempérature et la cinétique de l’hydrocarbure. L’assistance par plasma hors-équilibre pourraitfournir une solution. Les expériences sont menées dans une MCR avec des mélanges pauvresd’isooctane/air et un prototype d’allumeur Renault. La combustion obtenue identifiée commeSICI se déroule en deux phases: la propagation d’une flamme comprime les gaz restantjusqu’à leur autoallumage. Le réchauffement du système expérimental est intégré dans leprotocole d’exploitation, afin de quantifier l’effet SICI relativement à l’autoallumage pur.L’effet du plasma semble avant tout dépendre de l’énergie déposée, bien qu’il convergerapidement, quel que soit l’avance du déclenchement. Le comportement asymptotique à hauteénergie s’explique par la thermalisation des filaments, soulignée par comparaison avec l’effetSICI d’un arc classique. A l’inverse, le seuil minimal d’énergie nécessaire semble lié à lacapacité à générer un noyau de flamme viable, rapprochant le phénomène d’un problèmeclassique d’allumage en conditions difficiles. La propagation de la flamme détermine ledéclenchement de l’autoallumage selon une caractéristique linéaire particulièrementremarquable, car indépendante des conditions thermodynamiques du mélange. L’existenced’une flamme froide est mise en avant par des acquisitions de PLIF formaldéhyde. Lapréréaction semble accélérer la propagation du front de flamme. / Emission standards tightening as well as economical needs urge to study newcombustion modes for engines. Low-temperature homogeneous charge auto-ignition offersgood prospects for NOx, soot, and CO2 emissions. However, its control remains sharp for it isextremely influenced by temperature and fuel chemistry. Assisting non-equilibrium plasmascould provide a solution. Experiments are RCM managed with lean isooctane/air mixtures andprototype Renault ignition devise. Combustion occurs in a two steps mode known as SICI:flame propagation compresses the remaining gas to auto-ignition. The experimental settemperature rise is computed in order to measure the SICI effect compared to pure autoignition.The plasma seems to act mainly through the energy dropped, albeit its effect quicklyreaches a maximum, no matter how early it starts. This asymptomatic high energy behaviorrelies on the streamers overheating, as underlined by the look-like SICI effect from a regulararc discharge. On the contrary, minimal required energy appears to be linked to the capabilityof generating a sustainable flame kernel, making it closer to a standard ignition issue in roughconditions. Flame propagation sets auto-ignition start, according to an astonishingly linearcharacteristic not even influenced by charge’s thermodynamic conditions. Cool flame is putforward through formaldehyde PLIF imaging. Prereaction seems to enhance front propagationspeed.

Le sujet de cette thèse est la dynamique des populations. Nous en étudions les caractéristiques en absence ou en présence d'une structure spatiale, et cela se reproduit dans la subdivision du manuscrit en deux parties. Dans la première, où nous considérons la compétition comme se manifestant entre tous les individus en même temps, nous prouvons qu'une condition de bilan détaillé est vérifiée dans des différents régimes d'évolution (et non seulement dans le cas de successional-mutations). On montre que la dynamique adaptative d'une population présente nombreux aspects en commun avec la dynamique vitreuse hors-équilibre, le rôle de la température étant joué par la dimension de la population. Des nombreuses applications d'une telle analogie sont suggérées. Dans la suite, nous considérons l'évolution de populations monomorphes interagissants. Nous montrons comment le couplage génère une séparation des échelles temporales d'adaptation, et il est possible qu'une hiérarchie soit crée selon les degrés d'adaptation des populations. Dans le cas de populations en compétition dans l'espace, la dynamique évolutive est fortement modifiée par la localité des interactions. Les mécanismes de sélection sont moins efficaces pour ce qui est de favoriser la fixation du phénotype mieux adapté. Nous montrons de façon quantitative comment un taux de mutation plus élevé occasionne un désavantage évolutif, car la présence de mutants ralentit la croissance spatiale d'une population. On montre que, si le taux de mutation est variable, la sélection favorise non seulement un taux de reproduction élevé, mais aussi un taux de mutation réduit. / The subject of this thesis is population dynamics. We study its characteristics in the absence or in presence of a spatial structure, and this is reproduced in the subdivision of the manuscript into two parts. In the first, where we consider the competition as concerning all the individuals at the same time, we prove that a detailed balance condition holds in different regimes of evolution (and not only in the case of successional-mutations) . We show that the adaptive dynamics of a population has several aspects in common with out of equilibrium glassy dynamics, the role of the temperature being played by the size of the population. Several applications of such an analogy are suggested. Later, we consider the evolution of monomorphic interacting populations. We show how the presence of a coupling engenders a separation of the adaptative time-scales, and it is possible that a hierarchy is created, according to the degrees of adaptation of populations.In the case of competing populations in space, the evolutionary dynamics is strongly modified by locality interactions. Selection mechanisms are less effective in promoting the fixation of the fittest phenotype. We show quantitatively how a higher mutation rate constitutes an evolutionary disadvantage, because the presence of mutants slows down the spatial growth of a population. It is shown that if the mutation rate is variable, selection promotes not only a high rate of reproduction, but also a reduced mutation rate.

L'objectif du projet, intitulé "Vieillissement dans les processus réaction-diffusion sans bilan détaillé", est de mieux comprendre le comportement physique des systèmes avec un très grand nombre de degrés de liberté. En particulier, de tels systèmes peuvent bien montrer un comportement collectif avec de nouvelles qualités, qui ne sont pas présentes auprès des constituants individuels. C'est dans ce contexte que nous nous sommes intéressés au vieillissement. D'emblée, nous pourrions répondre que la seconde loi de la thermodynamique justifie le vieillissement, cependant cette loi seule ne permet pas de comprendre les processus sous-jacents responsables de ce phénomène. Dans ce but, nous nous sommes restreints dans un premier temps aux modèles exactement résolubles, dans l'espoir d'avoir des résultats analytiques qui pourront permettre une intuition physique correcte. Nous avons donc considéré dans ce travail les systèmes qui suivent une dynamique de type réaction-diffusion. Plus précisément, nous avons étudié les systèmes relaxant vers des états stationnaires hors-équilibre avec une dynamique ne satisfaisant pas le bilan détaillé. En effet, alors que le rapport fluctuation-dissipation est bien connu pour les systèmes avec bilan détaillé, il n'en est rien pour ces autres systèmes. Cette thèse se focalise sur deux modèles; le premier est le processus de contact bosonique avec une diffusion de type "vols de Lévy" permettant les sauts à longue portée, et le second est le processus coagulation-diffusion. Dans ces deux modèles, nous avons calculé les observables à deux temps, comme le corrélateur et la réponse, extrait les formes d'échelle et les exposants caractérisant le vieillissement. Nos résultats ont amené à proposer une généralisation du rapport fluctuation-dissipation dont l'applicabilité a été testée sur un grand nombre de modèles. Son interprétation physique reste une question ouverte pour de futures recherches / The objective of the project, which title is "Ageing in reaction-diffusion processes without detailed balance", is to arrive at a better understanding of the physical behaviour of strongly interacting many-body systems. In particular, such systems can exhibit a collective behaviour with new qualities which are not present at the microscopic level. It is in this context that we focus on the ageing. As an answer, we could argue that the second law of the thermodynamics might be sufficient to justify the ageing. However, that law alone does not suffice if one wishes to understand more deeply the underlying processes responsible of these ageing phenomena. For this motive, we consider exactly solvable systems in order to obtain precise analytical results on very simple models which later on could help to form a correct physical intuition. A common type of this kind of system is particle-reaction models with reaction-diffusion dynamics. More precisely, we have studied intrinsically irreversible systems, whose dynamics does not satisfy detailed balance and which relax towards non-equilibrium stationary states. Indeed, while for systems that obey the detailed balance relations, the fluctuation-dissipation relationship is well known, that is no longer the case for more general systems. This thesis focuses on two different models; the first one is the bosonic contact process (and also the bosonic pair-contact process) with a long range transport of particules ("Lévy flights") and the second one is the coagulation-diffusion process. In both models, characteristic two-time observables such as the two-time correlations and responses are found exactly and their exact scaling forms are extracted, especially the values of the non-equilibrium exponents characterising ageing are found. Our results suggest a novel generalisation of the fluctuation-dissipation ratio whose applicability is tested in a large set of models. Its physical interpretation remains an open question for future research

Cette étude est consacrée à la détermination théorique de la composition et des propriétés thermodynamiques des plasmas thermiques à l'équilibre et hors d'équilibre thermodynamique. <br /><br /> Dans le cas des plasmas à l'équilibre thermodynamique, la méthode de la minimisation de l'enthalpie libre est employée. Pour cela, une banque de données thermodynamiques, nécessitant le calcul des fonctions de partition de chaque espèce prise en compte, est constituée. Le formalisme numérique utilisant la méthode de minimisation « steepest descent » de White et al, est rappelé.<br /><br /> Dans le cas des plasmas hors d'équilibre thermique, l'enthalpie libre totale est établie en associant une température à chaque degré de liberté. Les fonctions de partition des espèces diatomiques doivent alors être modifiées. La méthode numérique « steepest descent » de White et al est alors adaptée. Cette méthode de calcul permet plusieurs hypothèses sur les températures internes : rotation, vibration et excitation électronique.<br /><br /> Les méthodes de calculs basées sur la minimisation de l'enthalpie libre, sur les lois d'action de masse, sur une approche cinétique dans le cas des plasmas hors d'équilibre thermique sont comparées. Les deux premières méthodes donnent des résultats identiques mais diffèrent de la troisième. Le calcul des constantes d'équilibre chimique est alors modifié ce qui permet de déterminer la composition des plasmas hors d'équilibre thermique et chimique. <br /><br /> Les calculs sont appliqués à de nombreux plasmas ayant un rapport direct avec les applications industrielles, ou générés à partir de mélanges de gaz étudiés expérimentalement au laboratoire : <br />• disjoncteurs : plasmas de vapeurs d'isolants (PE, POM, PETP, PMMA, PA6-6)<br />• détection des composés polluants émis lors de la combustion du charbon (HAP)<br />• mélange Ar-CO2, O2, N2, H2.<br />De nombreux développements peuvent être envisagés, par exemple : <br />• système polyphasique (solide, liquide) <br />• calcul du déséquilibre thermique en fonction du champ électrique