L’oxydation du cyclohexane est l’un des procédés les plus importants dans la chaîne de production du Nylon où l’oxygène et le cyclohexane entrent en contact pour former le cyclohexanol, la cyclohexanone puis l’acide adipique. Le rendement est influencé à la fois par le transfert de l’oxygène et par le mélange des réactifs en phase liquide. Des réacteurs de type colonne à bulles sont généralement utilisés pour fournir une aire interfaciale importante et garantir une agitation efficace en phase liquide. Cependant, la complexité des mécanismes impliqués (hydrodynamique, transfert, réaction, fort taux de vide) rend difficile la prédiction des performances des réacteurs. Ce travail est consacré à l’amélioration des lois de fermetures (quantité de mouvement et transferts) pour la modélisation Euler/Euler des réacteurs industriels utilisés pour le procédé d’oxydation du cyclohexane. Dans un premier temps, des expériences de laboratoire avec le système eau/air ont été réalisées jusqu’à de forts taux de vide (> 30%) pour mesurer les effets collectifs sur la force de traînée et le transfert de masse dans un essaim de bulles homogène. Les résultats ont confirmé que le coefficient de traînée des bulles augmente de manière significative avec le taux de vide alors que de manière surprenante l’effet est très faible sur le transfert. Dans un second temps, des expériences ont été réalisées avec le système cyclohexane/diazote dans des conditions industrielles (P = 1 - 20 bar, T = 30 - 150°C). L’analyse des résultats de transfert en condition industrielle a nécessité la simulation numérique directe du transfert à l’intérieur d’une bulle sphérique / Cyclohexane oxidation is one of the most important processes in the production line of Nylon, where oxygen and cyclohexane get in contact to produce cyclohexanol, cyclohexanone and then adipic acid. The production yield is influenced by both the oxygen transfer and the reactants mixing in liquid phase. Bubble column type reactors are usually used to provide a large interfacial area and efficient liquid phase agitation. However, the complexity of the mechanisms involved (hydrodynamic, transfer, reaction, high void fraction) makes it difficult to predict the performance of such reactors. This work is devoted to improve the associated closure laws of momentum and transfer equations used in Euler/Euler modelling of industrial reactors for cyclohexane oxidation. Bench-scale experiment for air-water system has been firstly carried out to measure the collective effects on the drag force and the mass transfer of a bubble in a homogenous bubble swarm with a high void fraction up to 30%. The results confirmed that bubble’s drag coefficient increases significantly with the void fraction. Meanwhile surprisingly, weak effect has been observed on the transfer. Nextly, pilot experiments with nitrogen-cyclohexane system have been performed under industrial conditions (P = 1 - 20 bar, T = 30 - 150°C). Analysis of the results of transfer under industrial conditions required finally direct numerical simulation of transfers inside a spherical bubble.

Ces travaux concernent l'étude d'un procédé de vapogazéification de biomasse en lit fluidisé circulant. En résultent un ensemble d'outils théoriques (modèles de simulation et de dimensionnement) et expérimentaux (pilote de vapogazéification en lit fluidisé circulant) dans le but de permettre la construction d'un procédé à dimension industrielle. Le dimensionnement, la conception et la construction d'un pilote de vapogazéification de 20 kg/h de biomasse en lit fluidisé circulant ont été réalisés. L'hydrodynamique de ce pilote a été étudiée de manière à isoler les paramètres clés permettant d'en assurer le contrôle. Les résultats obtenus lors de l'opération de pilote ont en outre permis de mieux comprendre les mécanismes d'attrition de particules polydisperses (olivine et char) en lit fluidisé circulant. Pour compléter cette étude, les phénomènes de mélange et de ségrégation des particules ont été étudiés par voie expérimentale et numérique (CFD-3D MFIX). Enfin, un certain nombre de modèles numériques (0D, 1D bulle-émulsion, bilan de population) ont été proposés pour répondre aux besoins techniques d'aide à la conception des lits fluidisés circulants appliqués à la vapogazéification de biomasse. / The vapogasification of biomass in a Circulating Fluidized Bed has been studied in order to enable the design and the erection of an industrial process. Theoretical and experimental tools have been designed to allow an engineering approach. In order to understand the hydrodynamic behaviour of the reactor, a pilot plant has been designed and erected to feed 20 kg/h of biomass. An exhaustive study of process parameters has been carried out, to determine predominant parameters for the process global control. Operating the built system has also permit to understand attrition phenomenon of polydisperse particles (olivine and char) in the Circulating Fluidized Bed. In order to complete those results, a study of mixing and segregation of those polydisperse particles has been carried out in fluidized bed with both experimental and numerical (CFD-3D MFIX) approaches. A significant contribution has also been done to numerical models assisting biomass vapogasification in Circulating Fluidized Beds design: 0D, 1D, bubble-emulsion, population balance).

L'intérêt croissant pour l'intensification des procédés a conduit à l'avènement d'un nombre conséquent de nouvelles technologies. Le projet ANR PROCIP qui a financé cette thèse a pour but de développer un logiciel d’aide à la décision pour aider l’utilisateur industriel dans son choix de technologie optimale pour une application donnée. La méthodologie globale de discrimination des technologies vis-à-vis d’un système réactif est basée sur l’utilisation d’une base de données technologique et sur le calcul de critères de choix. Elle nécessite une bonne connaissance du comportement hydrodynamique des appareils et de leurs performances en termes de transfert de chaleur et de matière. Dans cet objectif, les travaux présentés ici portent notamment sur l’étude du comportement hydrodynamique de milli-réacteurs échangeurs industriels. Des méthodologies expérimentales et numériques de caractérisation ont été mises au point. Elles ont permis d’obtenir des corrélations pour l’estimation des pertes de charge, des coefficients de dispersion axiale et des temps de mélange pour plusieurs milli-réacteurs en fonction des conditions opératoires et de la géométrie des appareils. En outre, une nouvelle méthode numérique est proposée pour la détermination des coefficients de dispersion axiale et des temps de mélange. Elle est appliquée pour prédire l’effet de l’extrapolation des caractéristiques géométriques des appareils sur ces propriétés. Dans une dernière partie, l’impact de la dispersion axiale sur le taux de conversion et la sélectivité de différents schémas de synthèses chimiques est discuté. / The interest for process intensification has leaded to the emergence of a wide panel of new technologies. The aim of the ANR PROCIP collaborative project which has funded this work is to develop a new software program including a methodology for process choice focused on intensified technologies. The global methodology of discrimination between the different technologies with respect to a given reactive system is based on the use of an equipment database and on the evaluation of criterion of choice. This methodology implies a good knowledge of the hydrodynamics of the different reactors and their mass and thermal transfer performances. The purpose of the present work is to develop experimental and numerical methodologies for the hydrodynamic characterization of different industrial milli-heat-exchangers reactors. Pressure drop, mixing time and axial dispersion coefficient correlations are given as function of the operating conditions and the geometrical parameters of the reactors. In particular, a new numerical method using CFD computation for the determination of axial dispersion coefficients and mixing times is presented. This method is used to predict the effect of the scale-up of the geometrical characteristics of an intensified reactor on its hydrodynamic performances. Finally, the impact of axial dispersion on the conversion rate and the selectivity for different chemical synthesis schemes is discussed

Les propriétés des latex, produits aux larges applications industrielles, dépendent d’un grand nombre de facteurs : le type de monomère, les stabilisants, les initiateurs ou encore la taille des particules. Les procédés comme les formulations utilisés sont nombreux. La répartition des particules – taille moyenne, écart moyen, polydispersité – est souvent gérée par une étape de coagulation qui suit la nucléation, menée dans un post réacteur. La maîtrise de la coagulation nécessite un contrôle parfait du procédé. Ces travaux de thèse, réalisés dans le cadre de l’ANR SCALE-UP, ont pour objectif d’étudier la coagulation de latex acryliques dans un procédé continu de taille millimétrique opérant en régime laminaire. Les mécanismes de coagulation sont mis en évidence dans des conditions physico-chimiques et hydrodynamiques contrôlées, et l’influence des différents paramètres sur la cinétique de coagulation est quantifiée. Une méthodologie à l’interface de plusieurs domaines (génie des procédés, physico-chimie, numérique) est adoptée. Dans un premier temps, les bases essentielles à la compréhension du phénomène de coagulation sont introduites. Cette étude permet de distinguer deux types de coagulation : péricinétique (liée au mouvement Brownien), et orthocinétique (reliée au cisaillement). Les modèles associés sont présentés, et l’influence du procédé discutée. La déstabilisation des latex par coagulation Brownienne est ensuite examinée. Après avoir introduit les principales techniques analytiques existantes et caractérisé les latex étudiés, une étude physico-chimique est menée. Un modèle permettant d’estimer le temps de coagulation en fonction des conditions de pH, force ionique et concentration du milieu est proposé, basé sur des mesures de mobilité électrophorétiques. La troisième partie consiste en l’étude hydrodynamique par CFD de deux réacteurs millimétriques : un tube enroulé et un réacteur intensifié (Dean-Hex), comparés à un tube droit. Le régime visé est le régime laminaire. La coagulation orthocinétique dépendant des taux de cisaillement dans le réacteur, l’objectif est d’observer l’écoulement ainsi que les distributions de ces taux dans le réacteur, afin d’anticiper l’influence du changement de géométrie sur la coagulation. Des informations locales sur l’écoulement sont obtenues par suivi lagrangien de particules. La répartition des taux de cisaillement comme les temps passés dans les zones aux plus forts taux sont très différents selon le réacteur, laissant présager des résultats différents en termes de mécanismes de coagulation et de taille finale des agrégats. Le quatrième chapitre présente les résultats expérimentaux obtenus en milliréacteur. Un pilote a été développé, permettant la mise en écoulement des fluides par pressurisation de réservoirs. La coagulation de latex de trois tailles initiale différente y est menée. Les échantillons prélevés le long du réacteur sont analysés par diffraction laser (Mastersizer 2000). Outre les distributions de taille, des informations sur la dimension fractale des agrégats sont extraites. Dans le cas de réacteurs tubulaires enroulés, des résultats en fonction de la concentration, du pH et du débit sont obtenus, permettant de déterminer l’influence de ces paramètres sur la cinétique. Des informations sur l’équilibre agrégation-rupture sont également disponibles à partir des expériences réalisées sur un des latex. Le régime d’écoulement laminaire, impliquant un mode de collision balistique, permet d’obtenir des agrégats de forme pratiquement sphérique. Une discussion concernant les conditions de travail en milliréacteur est menée, afin de cerner l’applicabilité de ce procédé. Dans une dernière partie, une méthode d’estimation de noyaux cinétiques, par Quadrature des Moments est présentée et appliquée à des résultats obtenus en réacteur de Taylor-Couette. De par le contrôle de l’hydrodynamique qu’il propose, un tel réacteur est parfaitement adapté à cette application. / Due to their large applicability, latexes are widely used in industries. Their properties depend on many parameters including the monomer, stabilizers and initiators used, and also the particle size. The particle size distribution of these suspensions is often regulated by a coagulation step, occurring after nucleation in a reactor. Coagulation control thus means perfect process control. This thesis, led in the framework of the project ANR SCALE-UP, aims at studying acrylic latex coagulation in millimetric-scale reactors in laminar flow. Coagulation mechanisms are highlighted in controlled physico-chemical and hydrodynamic conditions, and the influence of the various parameters on coagulation kinetics is quantified. A scientific methodology based on chemical engineering, physical-chemistry and fluid mechanics is employed. The first part of the thesis aims at presenting the theoretical basis of this work, where by the differences between perikinetic coagulation (driven by Brownian motion) and orthokinetic coagulation (related to shear) are distinguished. Models related to coagulation and rupture of aggregates are presented. As the reactor geometry is expected to have a significant impact on coagulation due to its sensitivity to shear, the influence of the geometry is also discussed. The second part of the work focuses on the stability of latex, which is related to Brownian coagulation. The main analysis techniques related to the size determination of aggregates are firstly discussed and a complete characterization of the latex used is presented. A physical-chemical study is then performed, resulting in the proposition of a model that allows the calculation of a coagulation time as a function of the properties of the latex suspension, namely pH, concentration and ionic strength. The third part presents a CFD study of two millimetric-scale reactors – a coiled tube and a meandering channel (Dean-Hex) reactor – and compares them with a straight tubular reactor. This work aims at studying the flow properties and shear rates produced inside these reactors in order to better understand their influence on the coagulation process. At equal flow rates, the Dean-Hex reactor proposes a narrower shear rate distribution compared with the tubular geometries, however very high shear rates are also generated and these are likely to modify the particle size distribution by breaking the aggregates. The fourth part of the thesis details the experimental results of the latex coagulation process in the coiled tube. A pilot-scale set-up was designed and constructed allowing the reactant feeds to be regulated and product sampling at eight points such that coagulation could be monitored with residence time. Samples were analyzed using dynamic light scattering (Mastersizer 2000), which enable the fractal dimension of aggregates to be obtained. The results of aggregate growth as a function of pH, flowrate and latex concentration are presented and provide information on the aggregation kinetics. A more concentrated latex is used to gain insight on aggregation-rupture equilibrium. Considering the fractal dimension of the larger aggregates, the equilibrium size was found to linearly decrease with the average shear rate. Also, laminar flow was found to result in more spherical aggregates than what is obtained in a batch reactor due to the ballistic collision mode involved. A discussion on the effects of experimental conditions (concentration, pH and flow rates) and the limitations of millimetric-scale equipment for latex aggregation is initiated. The final part of the work aims at introducing a population balance model for the aggregation process using the Quadrature Method of Moments (QMOM) and results obtained in a Taylor-Couette reactor. This device offers good control of hydrodynamics and it istherefore well suited to the determination of aggregation and rupture kernels.

La plupart des objets astrophysiques, comme les planètes ou les étoiles, produisent leur proprechamp magnétique à partir d’une forte agitation d’un fluide conducteur d’électricité comme un métalen fusion ou un plasma ionique. Un champ magnétique de grande échelle est alors crée lorsqueles mouvements de ce fluide génèrent des courants induits suffisamment intenses pour compenserla dissipation Ohmique du système. Ceci est vrai pour des dynamiques à haut nombre de Reynoldsmagnétique Rm = UL/h (U et L sont la vitesse et la longueur caractéristique du système et h la diffusivitémagnétique). Il est connu, que l’écoulement moyen d’un fluide en rotation peut produire unchamp magnétique de grande échelle en cisaillant les lignes d’un champ magnétique déjà présentdans le système. Il s’agit de l’effet Omega. Cependant, un tel processus d’induction ne permet pasd’obtenir une dynamo qui s’auto-entretienne, celle-ci a donc besoin d’un mécanisme d’inductionsupplémentaire pour exister. Ainsi, on fait souvent appelle aux mouvements turbulents de petiteséchelles pour fournir l’ingrédient manquant à l’effet dynamo.Les contributions des fluctuations turbulentes au champ magnétique moyen font l’objet d’une étudeapprofondie dans notre expérience de Couette sphérique soumise à un fort champ magnétique.Notre dispositif expérimental, appelé Derviche Tourneur Sodium (DTS), est une expérience en sodiumliquide conçue pour explorer le régime magnétostrophique du noyau terrestre où les forcesde Coriolis et de Lorentz sont à l’équilibre.De nombreuses mesures sont réalisées au sein de notre expérience et nous obtenons par méthodeinverse des profils radiaux de la force électromotrice moyenne, exprimée en terme d’effets alpha etbeta, et des cartes de l’écoulement moyen pour des Reynolds magnétique allant Rm = 30 à 100. Il résultede ces inversions que les fluctuations turbulentes de l’écoulement peuvent être modélisées parune forte contribution à la diffusivité magnétique, négative dans la région interne et positive prés dela sphère externe. Une simulation numérique directe de l’expérience appuie également ce résultat.La réduction de la diffusivité magnétique effective par les mouvements de petites échelles impliqueque la turbulence peut aider à l’auto-génération d’un champ magnétique de grande échelle. De cepoint de vue la turbulence est un ingrédient favorisant l’effet dynamo. / Earth, Sun and many other astrophysical bodies produce their own magnetic field by dynamoaction, where induction of magnetic field by fluid motion overcomes the Joule dissipation when themagnetic Reynolds number Rm = UL/h is large enough (U and L are characteristic velocity andlength-scale and h the magnetic diffusivity). Large scale motion of a conducting medium shearingpre-existing magnetic field lines is a well known process to produce large scale magnetic field by omega-effect. However, such a process cannot sustain a self-excited dynamo and small-scaleturbulent motions are usually invoked as the appropriate mechanism to dynamo action.The contribution of turbulent fluctuations to the induction of mean magnetic field is investigated inour liquid sodium spherical Couette experiment, with an imposed magnetic field. Our experimentaldevice, named Derviche Tourneur Sodium (DTS), has been designed to explore the magnetostrophicregime of the Earth outer core where Coriolis and Lorentz forces are in balance.Many measurements are used through an inversion technique to obtain radial profiles of the meanelectromotrice force, expended interns of alpha and beta effects, together with the mean flow atmagnetic Reynolds number Rm = 30 up to 100. It appears that the small scale turbulent fluctuationscan be modeled as a strong contribution to the magnetic diffusivity which is negative in the interiorregion and positive close to the outer shell. Direct numerical simulations of our experiment supportthese results. The lowering of the effective magnetic diffusivity by small scale fluctuations impliesthat turbulence can actually help to achieve self-generation of large scale magnetic fields.

Les missions spatiales CoRoT (2006-2014) et Kepler (2009) ont procuré de nombreuses données sismiques pour des milliers d'étoiles de faible masse. L'analyse de ces données a rendu possible l'étude de l'intérieur de ces étoiles au cours de l'évolution et a apporté de fortes contraintes sur les processus physiques à l’œuvre sous leur surface. En particulier, ces observations ont montré que la rotation moyenne du cœur de ces étoiles augmente légèrement avec le temps sur la branche des sous-géantes avant de diminuer lors de l'ascension de la branche des géantes rouges. Ceci est désaccord avec les prédictions théoriques actuelles et souligne la nécessité d'inclure de nouveaux processus de transport de moment cinétique dans les modèles stellaires. Dans une première partie, j'ai donc étudié l'influence du transport de moment cinétique par les ondes internes de gravité sur l'évolution de la rotation dans les étoiles de faible masse. Ces ondes se propagent dans les zones radiatives stablement stratifiées et sont capables d'en modifier la vitesse de rotation moyenne. Or, l'efficacité du transport par les ondes dépend de leur amplitude et donc du mécanisme d'excitation. Alors que des modèles semi-analytiques permettaient déjà d'évaluer l'énergie transférée aux ondes par la pression turbulente dans la zone convective, une estimation théorique de l'excitation par la pénétration de panaches convectifs à l'interface avec la zone radiative restait manquante. J'ai donc proposé un modèle d'excitation pour estimer la part d'énergie cinétique des panaches transférées sous forme d'ondes à la base de la zone convective (Pinçon et al., 2016). Cela m'a d'abord permis d'établir que la pénétration convective génère des ondes plus efficacement que la pression turbulente, et ensuite que les ondes induites par la pénétration convective sont capables de s'opposer à l'accélération de la rotation due à la contraction des couches internes, depuis la séquence principale jusqu'au début de l'ascension de la branche des géantes rouges. En particulier, j'ai montré que les valeurs de la rotation observées dans l'intérieur des étoiles sous-géantes peuvent être interprétées comme le possible résultat d'un mécanisme de régulation contrôlé par ces ondes (Pinçon at al., 2017). Dans une seconde partie, je me suis intéressé à l'amélioration et à l'élaboration des diagnostiques sismiques par les modes mixtes, ces modes d'oscillation qui sont capables de sonder aussi bien l'enveloppe que les régions centrales des étoiles. Les diagnostiques sismiques font le lien entre les caractéristiques observées dans un spectre d'oscillation et les propriétés de la structure interne de l'étoile. Mon attention s'est premièrement focalisée sur la facteur de couplage des modes mixtes qui décrit le degré d'interaction entre les oscillations dans la cavité centrale et celles dans l'enveloppe de l'étoile. Ce paramètre n'a été, jusque là, que très peu étudié. Une première étude observationnelle sur un large échantillon d'étoiles par Mosser et al. (2017) a montré que ce facteur varie au cours de l'évolution et se comporte différemment selon le stade évolutif. J'ai contribué à l'interprétation des résultats en montrant via un modèle simplifié que ce facteur est sensible aux changements structuraux de l'étoile au cours de l'évolution. De plus, cette analyse a notamment démontré la nécessité de considérer l'hypothèse d'un fort couplage. J'ai donc entrepris une validation du formalisme proposé parallèlement à cette dernière étude par Takata (2016) en comparant ses prédictions avec celles obtenues numériquement pour des modèles d'étoiles évoluées. Enfin, en utilisant une modélisation simple, j'ai montré qu'une analyse précise du spectre des modes mixtes paramètre permettrait de plus d'obtenir de l'information sur le contraste de densité entre le coeur et l'enveloppe de l'étoile. / The space-borne missions CoRoT (2006-2014) and Kepler (2009) provided a lot of seismic data for thousands of low-mass stars. Data analysis enabled us to study the interior of these stars during their evolution and brought stringent constraints on the physical processes at work under their surface.These observations notably revealed that the mean core rotation rate of stars weakly increases on the subgiant branch before dropping on the red giant branch while their central layers are contracting.for several subgiant and red giant stars in which mixed modes could be detected. Subsequently, several works demonstrated the inability of the current stellar evolution codes to reproduce these observations and stressed out the need for an additional transport process of angular momentum to counteract the acceleration of the central rotation driven by the core contraction during the post-main sequence evolution.Therefore, in a first part of my PhD thesis, I investigated the effect of the angular momentum transport by internal gravity waves on the rotation evolution of low-mass stars. These waves have buoyancy as restoring force and can propagate into stably stratified radiative zones, where they are able to interact with the medium and modify its mean rotation. The efficiency of the angular momentum transport by waves depends on their amplitude and so on their generation mechanism. While several works had already theoretically studied the wave excitation by turbulent pressure in the convective, an estimate of the wave generation by penetrative convection into the upper layers of the radiatve zone was still missing. I thus developed a semi-analytical excitation model to estimate the part of the plumes kinetic energy transferred into internal gravity waves at the base of the convective zone (Pinçon et al., 2016). I first found that penetrative convection generates waves more efficiently than turbulent pressure, and then that plume-induced waves are able to counteract the spin-up of the core driven by the gravitational contraction from the main-sequence to the beginning of the ascent of the red giant branch. Moreover, I showed that the radial-differential rotation observed in subgiant and early red giant stars can be explained by a regulation mechanism controlled by the influence of the plume-induced internal gravity waves (Pinçon et al., 2017).In a second part, I worked on the elaboration and the improvement of the seismic diagnoses by mixed modes that have the ability to probe both the envelope and the core of stars. Seismic diagnoses aim at making the link between the features observed in oscillation spectra and the physical quantities describing stars and their internal structures. In a first step, I focused on the coupling factor of mixed modes which expresses the level of interaction between the central and the outer resonant cavities and had still remained largely unexploited. The first large-scale analysis of this parameter by Mosser et al. (2017) showed that this factor vary during the evolution, with typical values depending on the evolutionary status.In this work, I contributed to the interpretation of the results via a simplified model in which the value of the coupling factor is directly sensitive to structural readjustments occurring during stellar evolution. This study notably revealed the necessity to consider the hypothesis of a strong coupling. In parallel to this work, a theoretical description of mixed modes under the assumption of strong coupling was proposed by Takata (2016). Therefore, I undertook a validation of this formalism by comparing its predictions with an oscillation code for appropriate evolved models. Finally, using a simplifying modeling, I showed that a precise analysis of the mixed modes spectrum can also bring information on the contrast of density between the core and the envelope.

L'objectif de ce travail de thèse est l'exploitation des oscillations de plasma bidimensionnelles dans les transistors à haute mobilité électronique à base d'InGaAs, matériaux de grand intérêt pour les applications Terahertz grâce à sa haute mobilité électronique. Ce travail s'insère dans le contexte d'études récentes dans lesquelles l'utilisation de dis- positifs basés sur l'excitation d'ondes de plasma bidimensionnelles a été proposée pour des applications Terahertz. Cette étude est menée au travers du développement d'un outil numérique de simulation basé sur le modèle hydrodynamique couplé avec l'équation de Poisson pseudo 2D. La réponse continue du courant à une excitation électrique de fréquence THz a été étudiée et l'influence sur les résonances de plasma des différents paramètres de transistor est mise en évidence. Une étude de la densité spectrale de la fluctuation du courant est alors présentée en vue d'établir une coordination entre le bruit dans les HEMT et la détection directe d'un signal électrique THz. La réponse de HEMT à différentes perturbation au niveau de drain et de la grille est enfin évaluée par le biais de la description du régime petit-signal, ce qui permettrait éventuellement une étude plus approfondie des ondes de plasma dans les transistors HEMT. / The objective of this work is the use of plasma oscillations mechanism in the electron mobility transistors channel that based of InGaAs, this materials characterize by it great interest for Terahertz thanks to its high electron mobility applications. This work registered in the context of recent studies in which the use of devices based on wave excitation of two-dimensional plasma has been proposed for Terahertz applications.This study is conducted through the development of a simulation tool based on the hydrodynamic model coupled with the Poisson equation 2D. the continued current response to THz electrical excitation has been studied and the influence of the different parameters of transistor on plasma resonances is demonstrated. A study of the spectral density of the current fluctuation is then presented, we demonstrate that the main resonances in the drain current noise spectrum are the same as those observed in the current response to an external THz excitation. The current response at different perturbation applied upon the drain and the gate of the HEMT is finally evaluated by means of the description of the small-signal equivalent circuit, which would possibly further studies of plasma oscillation in HEMT transistors.

Une caractéristique remarquable de la convection de Rayleigh-Bénard qui concerne une couche de fluide horizontale chauffée par le bas et refroidie par le haut, est l’établissement spontané de l’ordre spatial et la formation d’une circulation cohérente à grande échelle. Comment les différents facteurs, tels que la géométrie du domaine et les conditions limites, influencent l’écoulement à grande échelle, restent une question ouverte. Malgré sa simplicité apparente, la convection de Rayleigh-Bénard présente une dynamique à grande échelle incroyablement riche et complexe, tels que des modes de torsion et du battement, la rotation du plan et des cessations de la circulation, qui coexistent souvent et se concourent. Une approche couramment utilisée dans l’étude des cessations, consiste à contraindre la circulation à grande échelle à un plan en limitant le domaine fluide à une cellule carrée (2D) ou à une cellule rectangulaire mince (quasi-2D). Cependant, il n’est pas tout à fait clair si les retournements 2-D et (quasi-)2-D correspondent au même phénomène. Le présent document est consacré à l’étude des modes d’écoulement à grande échelle dans la convection turbulente de Rayleigh-Bénard et de l’influence exercée par différents facteurs sur les structures d’écoulement et sur leur évolution temporelle. La caractérisation proposée combine une analyse statistique avec une approche physique s’appuyant sur le moment angulaire ainsi que sur les énergies cinétiques et potentielles pour mettre en évidence les mécanismes physiques sous-jacents. Nous essayons ensuite de relier ces mécanismes à chacun des modes d’écoulement distinctifs observés et à leur évolution. / One outstanding feature of the Rayleigh-Bénard problem which concerns a horizontal fluid layer heated from below and cooled from above, is the spontaneous establishment of spatial ordering and the formation of a coherent large-scale circulation. How different factors, such as the domain geometry and boundary conditions, influence the sizes and shapes of the large-scale flow remains an open question. Despite its apparent simplicity, Rayleigh-Bénard convection exhibits some incredibly rich and complex large-scale dynamics such as torsional modes, rotation, sloshing, and cessations, which often coexist and compete to each other. One approach, commonly used in the study of cessations is to constrain the large scale circulation to a plane by restricting the fluid domain to a (2-D) square cell or to a slim rectangular cell of small aspect ratio in the transversal direction. However, it is not entirely clear whether the 2-D and (quasi-)2-D reversals correspond to the same phenomenon. The present document is dedicated to the study of the large-scale flow patterns in turbulent Rayleigh-Bénard convection, and of the influence exerted by different factors on the flow structures and on their temporal evolution. The proposed characterization combines a statistical analysis with a physical approach relying on the angular momentum as well as the kinetic and potential energies to highlight the underlying physical mechanisms. We subsequently attempt to tie these mechanisms together to each of the distinctive flow patterns observed and to their evolution.

L'objectif de cette thèse est d'étudier l'oscillation collective dans un matériau semi-conducteur (InGaAs) dans le but d'élargir les connaissances théoriques et de proposer de nouvelles configurations et des structures pour la conception de détecteurs ou émetteurs THz innovants et efficaces. Pour ce faire, nous développons un modèle théorique permettant l'étude de l'oscillation collective soumis ou non à une excitation externe (battement optique ou rayonnements THz). Une attention particulière est faite pour prendre en compte des phénomènes physiques importants tels que la mobilité différentielle dynamique négative et les oscillations de Gunn.Cette étude est faite à travers le développement d'un outil de simulation numérique basé sur l'approche HD couplé à un solveur de Poisson unidimensionnel. Le modèle HD décrit le temps de vol et le mécanisme de diffusion par l'énergie et la vitesse de relaxation. En outre, on prend en compte les frottements et leur évolution, la variation de l'énergie, la vitesse, et la masse effective. Par conséquent, le modèle HD permet l'observation des régimes transitoires ainsi que d'effectuer des études de fréquence. L'influence des différents paramètres physiques et technologiques sur les oscillations et résonances collectives des électrons sont évalués. Ensuite, le régime de petits signaux est étudié et la réponse de la diode aux perturbations optiques et électriques harmoniques et non harmoniques est évaluée. L'influence du fort biais appliqué à la diode sur les processus d'émission et de détection est ensuite décrit. / The purpose of this thesis is to obtain theoretical results in order to propose new configurations and structures for the conception of innovant and efficient THz detectors or emitters. For this sake, we develop a theoretical model allowing the study of collective oscillation in a semiconductor materials (we choose InGaAs), submitted or not to an external excitation (that is to optical beating or THz radiations). A particular attention is payed also to important physical phenomena such as negative dynamic differential mobility and Gunn oscillations.This study is made through the development of numerical simulation tool, which is based on the HD approach coupled to a one-dimensional Poisson solver. The HD model describes the free-flight and scattering mechanism through energy and velocity relaxation rates. Also it takes into account frictions and their evolution, the variation of energy, velocity and effective mass. Hence, the HD model allows us observing the transient regimes and performing frequency studies. The influence of the different physical and technological parameters on the electron collective oscillations and resonances are evaluated. Then, small-signal regime is studied and the diode response to harmonic and non-harmonic optical and electrical perturbations is evaluated. The influence of the high bias applied to the diode on emission and detection processes is then described.

Les supernovæ de type Ia (SNe Ia) sont devenues un outil important pour retracer l'expansion de notre Univers, leur étude est donc importante pour la cosmologie. Le modèle le plus populaire est celui de l'explosion d'une naine blanche (NB) accrétante dont la contraction relance la combustion sous la forme d'une déflagration subsonique, qui transiterait ensuite en une détonation supersonique. Ce scénario de détonation retardée repose sur un mécanisme physique de Transition Déflagration-Détonation (TDD) encore très mal compris, que nous étudions dans cette thèse.Les modèles actuels de détonation retardée reproduisent les observations en se fondant sur le mécanisme des gradients de Zel'dovich. Cependant, les échelles d'ignition n'étant pas résolues, ces simulations n'expliquent pas à elles seules la TDD, phénomène mal compris, même sur Terre, lorsqu'il s'agit de milieux non-confinés. D'autre part, ce mécanisme requiert une turbulence trop intense et impose des conditions probablement trop restrictives.C'est dans ce contexte que nous avons proposé un nouveau mécanisme de TDD: le chauffage acoustique de l'enveloppe du progéniteur. Un modèle simplifié, en géométrie plane, permet de mettre en évidence l'amplification d'ondes acoustiques (générés par une flamme turbulente) dans un gradient de densité similaire à ceux d'une NB. Selon leur fréquence et leur amplitude, leur amplification peut aller jusqu'à la formation d'un choc suffisamment fort pour initier une détonation. Ensuite, ce mécanisme est analysé en géométrie sphérique dans le cadre plus réaliste d'une NB en expansion. Une étude paramétrique montre la validité de notre mécanisme sur une gamme raisonnable de fréquences et d'amplitudes acoustiques.Finalement, quelques simulations MHD 2D et 3D, où l'on recherche une source de perturbations acoustiques, sont présentées pour démontrer le caractère réaliste de notre nouveau mécanisme de TDD. / Type Ia supernovae are an important tool to determine the expansion history of our Universe. Thus, considerable attention has been given to both observations and models of these events. The most popular explosion model is the central ignition of a deflagration in the dense C+O interior of a Chandrasekhar mass white dwarf, followed by a transition to a detonation (TDD). We study in this thesis a new mechanism for this transition.The most robust and studied progenitor model and the postulated mechanism for the TDD, the so called 'Zel'dovich gradient mechanism', are presented. State of the art 3D simulations of such a delayed detonation, at the price of some adjustments, can indeed reproduce observables. But due to largely unresolved physical scales, such simulations cannot explain the TDD by themselves, and especially, the physical mechanism which triggers this transition - which is not yet understood, even on Earth, for unconfined media. It is then discussed why the current Zel'dovich mechanism might be too constraining for a SN Ia model, pointing to a new approach, which is the core result of this thesis.In the final part, our alternative model for DDT in supernovae, the acoustic heating of the pre-supernova envelope, is presented. A planar model first proves that small amplitude acoustic perturbations (generated by a turbulent flame) are actually amplified in a steep density gradient, up to a point where they turn into shocks able to trigger a detonation. Then, this mechanism is applied to more realistic models, taking into account, in spherical geometry, the expanding envelope. A parametric study demonstrates the validity of the model for a reasonable range of acoustic wave amplitudes and frequencies.To conclude, some exploratory 2D and 3D MHD simulations, seeking for realistic acoustic source compatible with our mechanism, are presented.