Le projet de recherche consiste à observer en laboratoire la radiation de Hawking, cette prédiction stupéfiante de l'astrophysicien anglais Stephen Hawking faite en 1974 : les trous noirs ne sont pas noirs. Autrement dit, ils n'absorbent pas tout ce qui est à leur portée mais émettent un rayonnement. En plus des complications du fait que ces objets célestes sont à des milliers d'années-lumière, ce rayonnement est tellement faible que cela reviendrait à essayer d'entendre un murmure dans un concert de rock. Mais William Unruh, en 1981, a proposé une solution : utiliser des systèmes hydrodynamiques qui présentent les mêmes équations mathématiques qu'en astrophysique. Plus précisément, dans notre cas, nous utilisons la correspondance entre la propagation des ondes lumineuses au voisinage d'un trou noir et celles des ondes de surface dans un contre-courant rendu inhomogène par la présence d'un obstacle immergé. Pour cela, une compréhension approfondie de la mécanique des ondes de surface est nécessaire (bathymétrie variable, vorticité, non-linéarités…). Du côté technique, une méthode de mesure de surface libre a été développée et optimisée. / The aim of the PhD is the observation the Hawking radiation in the laboratory, this astounding prediction of the English astrophysicist Stephen Hawking made in 1974: black holes are not black. In other words, they do not absorb anything within reach but emit a radiation. In addition to the complications of the fact that these celestial objects are thousands of light years away, this radiation is so weak that it would be like trying to hear a whisper in a rock concert. But William Unruh, in 1981, proposed a solution: to use hydrodynamic systems which have the same mathematical equations as in astrophysics. More precisely, in our case, we use the correspondence between the propagation of light in the vicinity of a black hole and surface waves propagation on a inhomogeneous countercurrent (due to the presence of a submerged obstacle). For this, a thorough understanding of the surface waves physics is necessary (variable bathymetry, vorticity, non-linearities ...). On the technical side, a free surface measurement method has been developed and optimized.

Ce travail de thèse s’inscrit dans lecadre du projet « MOMEQA » dont l’objectif est le soutien à l’innovation dans l’industrie horlogère en Franche-Comté. La première impression visuelle conditionne notre relation à l’objet, c’est pourquoi une finition soignée est primordiale. L’électropolissage est un procédéde dissolution électrochimique permettant der éduire la rugosité de surface d’un objet. La pièce traitée constitue l’anode dans une cellule d’électrolyse. La première partie de l’étude est consacrée aux laitons et à l’acier inoxydable 316 L. Une étude électrochimique préliminaire a permis de définir les conditions optimales d’électropolissage pour chaque matériau et milieu. La suite de l’étude a été dédiée à l’étude des comportements des aciers inoxydables 316L de fonderie comme de fabrication additive, afin de mettre en évidence l’influence du procédé de fabrication sur l’aptitude à l’électropolissage. Un dispositif spécialement conçu a également permis de faire varier les conditions hydrodynamiques et d’appliquer des ultrasons,en vue d’optimiser l’agitation. L’obtention d’une finition poli miroir sur des carrures de montres a validé la conception du pilote. Enfin, l’usage d’un électrolyte moins nocif que les mélanges d’acides, le Deep Eutectic Solvent constitué d’un mélange de chlorure de choline et d’éthylène glycol se montre prometteur. L’utilisation de ces olvant non-conventionnel permet d’utiliser des techniques d’analyses de surface impraticables in-situ en milieu très corrosif, tel que l’AFM. Finalement, un modèle décrivant les mécanismes d’électropolissage de l’acier inoxydable 316 L dans les deux milieux a été proposé, qui permet une bonne simulation des résultats de spectroscopie d’impédance électrochimique / This work is part of the project"MOMEQA" whose main purpose is to supportinnovation in watchmaking industry in Franche-Comté. For high-end pieces, the first visualimpression is crucial and that is why a neatfinishing is required. This is achieved byelectropolishing, which consists in anelectrochemical dissolution process that enablessurface roughness reduction. Although it ispresent in several applications, fundamentalmechanisms of electrochemical polishingremain poorly understood and tailoring theprocess to additive manufacturing parts is in itsearly stages. The first part of the study isdedicated to brass and 316L stainless steel.Basic electrolytic baths (H3PO4 for brasses anda H3PO4/ H2SO4 mixture for 316L stainlesssteel) are used as references. A preliminaryelectrochemical study allows the determinationof optimal electropolishing conditions for eachmaterial and medium. A special attention hasbeen paid to characterization methods, such asmicro-roughness, brightness, microstructure,texture and corrosion resistance. Subsequently,the study was restricted to both cast and additivemanufacturing 316L stainless steels, in order toidentify the influence of manufacturing processon the electropolishing ability. To meet theproject requirements, a pilot cell dedicated tolarge area parts was designed and built. The aimwas to study the scale-up as well as the effectsof workpieces shape. The outcome of this studywas the realization of a mirror finish on a watchdial, allowing validation of the pilot-cell design.The last part of our study consists in replicatingthe process in a less harmful electrolyte, a greensolvent (Deep Eutectic Solvent), made by amixture of choline chloride and ethylene glycol.This allows successful electropolishing,compatible with an industrial application.Moreover, it makes possible in-situ AFMmeasurements, impossible in highly corrosiveelectrolytes. Finally, a model forelectropolishing mechanism in the case of 316Lstainless steel was proposed for both media,allowing a good simulation of electrochemicalimpedance spectroscopy behaviour.

La conversion thermochimique de la biomasse en lit fluidisé circulant permet la production d’un gaz à haute valeur ajoutée, utilisable dans de nombreuses applications. L’objectif de ces travaux est de mieux comprendre et modéliser les phénomènes couplés, hydrodynamiques et réactifs, se déroulant en lit fluidisé circulant. Dans un premier temps, un pilote de pyrogazéification de 20 kg/h de biomasse en lit fluidisé circulant a été conçu. L’étude hydrodynamique de ce pilote a ensuite été réalisée entre 20 et 950 °C. Les résultats ont permis d’établir des règles de design et de fonctionnement de réacteurs de gazéification en lit fluidisé circulant. Dans un second temps, une étude de la pyrogazéification de la biomasse a été réalisée en lit fluidisé dense ainsi qu’en lit fluidisé circulant, entre 750 et 850 °C. L’étude de l’influence de nombreux paramètres opératoires (températures, pression partielle de la vapeur d’eau, débit de biomasse, débit de circulation, inventaire et nature du média, forme de la biomasse) sur les performances de la gazéification a permis d’identifier les paramètres clés permettant de contrôler la composition ainsi que le volume de gaz de synthèse produit. Par ailleurs, à partir des résultats expérimentaux, un schéma réactionnel est proposé pour la pyrolyse de la biomasse étudiée. Enfin, un outil de modélisation du réacteur de gazéification de la biomasse en lit fluidisé dense et circulant, intégrant les réactions de pyrolyse, de gazéification, de water-gas shift et de reformage des goudrons a été développé et validé sur les résultats expérimentaux.

L'objectif de cette étude est de développer un procédé hybride qui combine à lacoagulation, la floculation et le procédé de flottation dans un hydroclone pour réaliser letraitement de l'eau. Le développement sert à déterminer la caractérisationhydrodynamique ainsi que les conditions optimales pour réaliser le traitement de l'eau.L'étude de caractérisation hydrodynamique est réalisée à l’aide d’une simulationnumérique (Computational Fluid Dynamics). Le travail expérimental a été réalisé à l’aidede la technique dite de l'échographie Doppler afin d’étudier l'hydrodynamique. Lesrésultats ont servi à valider la technique expérimentale « méthode de la goutte d’huile » et les connaissances de base expliquant les phénomènes du procédé hybride. La technique de diffraction du laser est utilisée pour déterminer la taille des micro-bulles ainsi que les paramètres qui affectent leur taille.Le travail expérimental sur le développement d'un pilot hybride est étudié avec del'eau synthèse et de l'eau naturelle. L'objectif de cette étude est d'appliquer ce procédéhybride pour le traitement de l'eau. Différents paramètres tels que les caractéristiques del'eau brute, le type et la concentration de coagulant et de floculant, la fraction de l'air et ledébit d'entrée, ont été modifiés à plusieurs reprises afin d'en déterminer les effets sur leprocédé hybride / The aim of this study is to develop a hybrid process which combines withcoagulation, floculation and flotation process in a hydroclone for water treatmentprocess. The development is for characterization the hydrodynamics of this process andto find the optimum condition for water treatment process.The hydrodynamics characterization study is carried out by the numericalsimulation (Computational Fluid Dynamics) and experimental work by Dopplerultrasound velocimetry technique to study the hydrodynamics for the further research.The results are used for validating the oil droplet experimental technique and to be thebasis knowledge to explain the phenomena in the hybrid process. Laser diffractiontechnique is involved for determining the micro bubbles size and also study on theparameter affects to the size. The experimental work of a developed hybrid pilot plant is studied with synthesisraw water and natural river water. The objective of this study is to apply this hybridprocess for the water treatment. The parameters have been varied in many operatingconditions to indicate the separation and the water treatment phenomena such as rawwater characteristic, coagulant - floculant type and concentration, air fraction and inletflow rate

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.