Dans le cadre de la fusion par confinement inertiel en attaque directe, l'utilisation de mousses en tant qu'ablateur permet de réduire les instabilités hydrodynamiques créées sur la cible par l'irradiation directe des faisceaux laser. Des études antérieures ont été réalisées en considérant cette mousse comme homogène. Or, étant composée de fibres de CH baignant dans du DT, elle présente un aspect hétérogène. Le but de cette thèse est d'étudier l'effet de cette hétérogénéité sur la vitesse du choc lors de l'irradiation laser de la cible. Une étude expérimentale sur tube à choc et des études numériques avec le code HERA nous ont permis de trouver que le choc se propage plus rapidement dans le milieu hétérogène que dans le milieu homogène de densité moyenne équivalente. Cette écart de vitesse dépend du taux de présence des fibres de CH, du rapport de densité entre les deux matériaux constituant la mousse, de leur coefficient adiabatique et de la géométrie de la mousse. Nous avons modélisé la mousse de diverses manières, en partant du plus simple au plus compliqué, afin de se rapprocher d'une configuration réaliste. La modification de la vitesse du choc étant dûe à la baroclinicité qui, lors de l'interaction du choc avec l'interface entre le CH et le DT, crée un dépôt de vorticité, responsable de l'accélération du choc. Par conséquent, une interface plane et perpendiculaire au front de choc maximise ce dépôt de vorticité et augmente les écarts de vitesse entre milieux hétérogènes et homogènes. Une corrélation entre l'énergie cinétique derrière le choc et la différence relative des vitesses de choc a été trouvée. Nous avons comparé nos résultats à deux modèles analytiques, mais le système n'étant pas fermé, nous ne pouvons pas, pour le moment, élaborer de modèle prédictif.

Le récent développement des menaces terroristes renforce l'effort de recherche du CEA et d'EDF pour la protection des citoyens et des installations. De nombreux scénarios doivent être envisagés comme, par exemple, la chute d'un avion de ligne sur une structure de génie civil. La dispersion du carburant dans la structure, son embrasement sous forme de boule de feu et les effets thermiques associés sont des éléments essentiels du problème. L'utilisation de modèles numériques est indispensable car des expériences seraient difficiles à mettre en œuvre, coûteuses et dangereuses. Le problème type que l'on cherche à modéliser est donc l'impact d'un réservoir rempli de fluide, sa déchirure et la dispersion de son contenu. C'est un problème complexe qui fait intervenir une structure mince avec un comportement fortement non-linéaire allant jusqu'à rupture, un fluide dont la surface libre peut varier drastiquement et des interactions fluide-structure non permanentes. L'utilisation des méthodes numériques traditionnelles pour résoudre ce problème semble difficile, essentiellement parce qu'elles reposent sur un maillage. Cela complique la gestion des grandes déformations, la modélisation des interfaces variables et l'introduction de discontinuités telles que les fissures. Afin de s'affranchir de ces problèmes, la méthode sans maillage SPH (\og Smoothed Particle Hydrodynamics \fg) a été utilisée pour modéliser le fluide et la structure. Ce travail, inscrit dans la continuité de recherches précédentes, a permis d'étendre un modèle de coque SPH à la modélisation des ruptures. Un algorithme de gestion des interactions fluide-structure a également été adapté à la topologie particulière des coques. Afin de réduire les coûts de calcul importants liés à ce modèle, un couplage avec la méthode des éléments finis a également été élaboré. Il permet de n'utiliser les SPH que dans les zones d'intérêt où la rupture est attendue. Finalement, des essais réalisés par l'ONERA sont étudiés pour valider la méthode. Ces travaux ont permis de doter le logiciel de dynamique rapide Europlexus d'un outil original et efficace pour la simulation des impacts de structures minces en interaction avec un fluide. Un calcul démonstratif montre enfin la pertinence de l'approche et sa mise en œuvre dans un cadre industriel.

Un des enjeux majeurs de la théorie de l'évolution stellaire est de comprendre l'influence des processus de transport liés aux mouvements macroscopiques engendrés par la rotation sur la structure interne et l'évolution des étoiles. En particulier, le transport turbulent des éléments chimiques dû à la rotation différentielle dans les zones radiatives des étoiles est actuellement pris en compte dans de nombreux codes d'évolution stellaire comme un processus diffusif dont le coefficient est déterminé à partir d'arguments phénoménologiques. Le but de cette thèse est de contraindre l'un de ces coefficients, le coefficient de diffusion radiale induit par la rotation différentielle radiale, à l'aide de simulations numériques directes décrivant les mouvements turbulents engendrés par un cisaillement forcé localement dans une zone radiative d'étoile. L'exploration du domaine des très fortes diffusivités thermiques - ou, de manière équivalente, des petits nombres de Péclet -- typiques des intérieurs stellaires a été rendue possible par l'utilisation d'un développement asymptotique des équations de Boussinesq adapté. Le principal résultat ce cette thèse est que nos simulations numériques sont en accord avec la forme du coefficient de diffusion proposée par J.-P. Zahn dans le régime des nombres de Péclet turbulents inférieurs à un. Les résultats obtenus pour des nombres de Péclet supérieurs à un sont en accord avec le modèle de Lindborg & Brethouwer (2008) proposé dans un contexte géophysique. Les simulations réalisées en prenant en compte l'effet dynamique de la stratification chimique nous ont également permis de valider un des modèles utilisés dans les codes d'évolution stellaire et d'en éliminer un autre.

Nous présentons plusieurs expériences d'hydrodynamique interfaciale illustrant des procédés de création, stabilité et rupture d'interfaces fluides, liquide/liquide ou liquide/gaz. Dans un premier temps, nous étudions le processus de fragmentation d'objets déformables, gouttes et bulles, par un obstacle rectangulaire ou une boucle asymétrique placés dans un canal microfluidique. La deuxième partie de ce travail se consacre à des expériences menées avec des bulles et films liquides minces formés à l'aide d'eau savonneuse ou de liquides très visqueux. Après avoir revisité quelques surfaces minimales adoptées par un film de savon à l'équilibre, nous étudions divers mécanismes de formation de bulles et de bulles interfaciales. Dans ces deux parties, nos études sont menées en faisant varier de façon systématique les paramètres hydrodynamiques, physicochimiques et géométriques contrôlant chaque expérience. Nous interprétons les résultats obtenus en microfluidique à l'aide d'arguments simples basés notamment sur l'analogie électro-hydraulique aux bas nombres de Reynolds, tandis que l'analyse dimensionnelle et des lois d'échelle permettent de décrire la plupart des comportements expérimentaux des bulles et films liquides minces.

Situé au SE de l'Espagne, le Campo de Cartagena est un cas emblématique extrême des changements hydrologiques et environnementaux causés par l'utilisation intensive des eaux souterraines pour l'agriculture dans les zones semi-arides du pourtour méditerranéen. Le développement agricole a entraîné la surexploitation des horizons les plus profonds de l'aquifère multicouche, tandis que l'augmentation de la recharge liée au retour d'irrigation causait une remontée des niveaux dans la nappe superficielle libre. Un grand nombre de forages multi-crépinés permettent une connexion artificielle entre les différents aquifères, et donc un possible transfert de contaminants d'origine agricole depuis la nappe superficielle vers les nappes profondes. Suite à la montée des niveaux piézométriques dans la nappe superficielle, un débit permanent est maintenant observé dans le réseau hydrographique. S'y ajoutent les rejets incontrôlés de saumures issues d'usines privées de désalinisation d'eau souterraine, aboutissant eux aussi à l'exutoire du système, la lagune de la Mer Mineure. Dans ce contexte, comprendre la complexité de l'évolution du bilan hydrique est un enjeu scientifique majeur. Le premier axe de recherche a consisté en une large tâche de collecte et d'interprétation d'informations sur l'évolution du système aquifère multicouche au cours du siècle passé. Elle a permis de mettre en évidence l'inversion des gradients hydrauliques entre les trois premiers aquifères et des baisses de niveau piézométrique atteignant 500m. Malgré 40 ans de chroniques piézométriques et géochimiques, les possibilités d'interprétation étaient limitées par les rares descriptions techniques complètes de forages. Une méthode reposant sur la méthode d'apprentissage automatique Random Forest a donc été mise en œuvre et a permis d'identifier l'aquifère d'origine de 107 échantillons d'eau souterraine, avec des résultats bien meilleurs à ceux de l'Analyse Discriminante Linéaire (LDA) ou des arbres de décision (CART). Le deuxième axe de recherche a été motivé par la difficulté d'actualiser le bilan hydrique du système aquifère, où le retour d'irrigation s'ajoute à l'infiltration des précipitations comme source de recharge de la nappe superficielle. Des traceurs environnementaux (14C, 13C, 2H, 18O, 3H) ont été employés pour caractériser l'évolution à long terme de la recharge des nappes ainsi que les principaux processus de mélanges, discriminés entre échelle régionale (entre aquifères) et locale (au sein des forages). L'identification des échantillons correspondant à une recharge ancienne (pré-anthropisation) ou à une recharge moderne (post-anthropisation) à permis de quantifier une augmentation des taux de recharge dans la plaine de plus d'un ordre de grandeur en conséquence de la mise en place de l'activité agricole, soit de 10 mm.an-1 à 210 mm.an-1. Le troisième axe de recherche a été la quantification de la décharge sous-marine d'eau souterraine (SGD) vers la lagune de la Mer Mineure à l'aide des isotopes du radon (222Rn) et du radium (223Ra, 224Ra), combinés à une modélisation hydrodynamique de la lagune pour comprendre l'impact des apports anthropiques sur le bilan de radionucléides. Les principales zones de SGD ont été localisées, de même que la zone d'influence du panache de radionucléides issus des eaux de surface et des rejets de saumure. Finalement, les bilans de masse en été et en hiver aboutissent à des flux de SGD totaux (incluant les recirculation salines) de 7.2 à 15.9 108 m3.an-1 (222Rn), 21.9-44.7 108 m3.an-1 (224Ra) et 6.9 108 m3.an-1 (223Ra, hiver). Cette étude d'un cas extrême d'anthropisation présente un large intérêt bien au-delà du système aquifère multicouche du Campo de Cartagena ou de la région de Murcie. Les méthodes mises en place dans cette thèse pourront être appliquées dans d'autres sites méditerranéens où l'exploitation de l'eau souterraine suit une évolution comparable, continue et apparemment inexorable.

Cette thèse a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes qui gouvernent le bon fonctionnement et les performances des procédés de dépollution à biomasse fixée et d'en développer leur modélisation. Ces procédés pourraient voir leur efficacité intensifiée si les couplages entre les divers mécanismes locaux qui les gouvernent étaient mieux compris. L'interaction forte écoulement / biofilm dans ces procédés rend très difficile leur modélisation sans des progrès drastiques dans la compréhension de phénomènes intervenant à diverses échelles (biofilm, pore, bioréacteur). En conséquence, un des premiers verrous à lever est d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes locaux responsables de l'adhésion, du détachement et de la croissance de micro-organismes sous écoulement. Dans ce but une chambre d'écoulement a été mise au point pour permettre l'observation microscopique et la caractérisation in-situ de ces phénomènes sous conditions hydrodynamiques contrôlées. Le système étudié est une bactérie de Pseudomonas putida et le polluant modèle est du phénol. En conditions non limitantes, nous montrons que les paramètres de la loi de Monod, pour les instants initiaux de croissance du biofilm et les conditions hydrodynamiques en régime très diffusif, sont dépendants du cisaillement imposé, ce qui n'est pas pris en compte dans la plupart des modèles. Des expériences mettant en œuvre l'observation de la croissance du biofilm sous écoulement (à bas Reynolds) ont ensuite permis de montrer la nature hétérogène de la structure du biofilm (structures filamenteuses, distribution de protubérances sur le support solide). Ces structures pourraient entre autre expliquer comment la croissance du biofilm influence le frottement. Pour étudier l'influence de la microstructure sur cette quantité, une technique de reconstruction 3D du biofilm a été développée et mise en œuvre en complément de la microscopie optique directe. La simulation de l'écoulement dans la microstructure ainsi reconstituée et l'ordre de grandeur des perméabilités calculées montrent bien l'importance de la distribution locale de la biomasse sur ce paramètre.

Cette thèse traite principalement des connaissances fondamentales en hydrodynamique et des caractéristiques des réactions gaz-liquide dans des microréacteurs capillaires. Dans une première partie, nous avons effectué des essais dans trois microcanaux circulaires en verre placés horizontalement. Les diamètres étudiés étaient de 302, 496 et 916 µm. Les arrivées de gaz et de liquide se font de manière symétrique et forme un angle de 120° entre elles. Une cartographie des écoulements diphasiques gaz-liquide a été systématiquement faite pour des vitesses du liquide comprises entre 0,1 et. 2 m/s et des vitesses du gaz comprises entre 0,01 et 50 m/s Ces essais mettent en évidence l'influence du diamètre des canaux, de la viscosité du liquide et de leur tension superficielle. Ces mesures ont été comparées avec les cartes décrivant les différents régimes d'écoulement (à bulles, en bouchons de Taylor, annulaires ou sous forme de mousse) et confrontés aux modèles de la littérature qui prédisent les transitions entre les différents régimes. Nous avons mis en évidence que ces derniers n'étaient pas totalement satisfaisant et en conséquence, un nouveau modèle de transition prenant en compte les effets de taille du canal, les propriétés physiques du liquide a été proposé. Les pertes de charge engendrées par ces écoulements gaz- ont été étudiées. Nous avons constaté que la chute de pression est très dépendante du régime d'écoulement. Cependant pour décrire l'évolution de la perte de charge il est commode de la scinder en trois régions: une où les forces de tension superficielle sont le paramètre prépondérant et qui correspond aux faibles vitesses superficielle du gaz, une zone de transition et une dans laquelle les forces d'inertie sont dominantes et qui correspond aux grandes vitesses superficielles du gaz. La prédiction de cette chute de pression dans la troisième zone a été faite à partir d'un modèle de Lockhart-Martinelli. Ce modèle qui prend en compte les flux de chaque phase dépend d'un paramètre semi empirique C. Nous avons proposé de le corréler avec les nombres de Reynolds correspondant à chacune des deux phases en présence. Cette méthode permet de bien rendre compte de nos mesures. Les caractéristiques hydrodynamiques en écoulement de Taylor ont été examinées. Il a été montré que la formation des bulles dans un écoulement de Taylor est dominée par un mécanisme d'étranglement en entrée du capillaire. La taille des bulles dépend fortement de la viscosité du liquide et la tension superficielle. La chute de pression dans cette zone, lorsque le nombre capillaire est relativement faible, peut assez être bien décrite par le modèle de Kreutzer modifiée par Walsh et al... En fin dans une dernière partie, nous avons réalisé une réaction chimique en écoulement de Taylor. L'oxydation du 2-hydrogéne-ethyltetrahydroanthraquinone (THEAQH2) pour former du peroxyde d'hydrogène a été expérimentalement étudiée dans un microcanal circulaire horizontal de 900 µm de diamètre et 30 cm de long. La présence d'une réaction chimique ne modifie que très peu les transitions entre les différents régimes d'écoulement ni l'évolution des pertes de charge. Les cinétiques de conversion du peroxyde d'hydrogène sont environ deux fois plus rapides celles obtenues dans les réacteurs gaz liquide utilisés habituellement. Mots-clés: microcanal, écoulement diphasiques, écoulement de Taylor, pertes de charge, réaction gaz-liquide.

La pénétration d'un projectile - éventuellement balistique - à grande vitesse/haute énergie, et l'occurrence d'un coup de bélier dans un réservoir, représentent une éventualité qu'il est souvent légitime, sinon toujours nécessaire, de considérer en sécurité aéronautique. Pour se protéger d'une telle éventualité, le durcissement structural à l'impact via l'intégration de blindages est une solution ultime, qui n'est - dans l'aéronautique - que rarement acceptable pour des raisons évidentes de pénalité de masse. La réduction de la vulnérabilité devient alors indissociable d'un exercice délicat d'optimisation de la résistance de la structure au regard de sa masse, ce qui nécessite donc de modéliser précisément l'occurrence d'un tel coup de bélier, sa sévérité et ses conséquences sur la structure. Ceci est d'autant plus vrai et difficile qu'on s'intéresse - depuis plusieurs décennies déjà en aéronautique - à des structures composites à renfort de fibres de carbone, qu'on sait être particulièrement fragiles aux chocs, et à des projectiles balistiques réels différant notablement de projectiles sphériques rigides, académiques. Les situations étudiées depuis les années 1980 à l'ONERA-Lille concernent en effet des impacts de balles ou d'éclats réels (simples ou multiples : gerbes) perforants et subsoniques p/r à la célérité des ondes dans le liquide. Pour résumer la problématique traitée dans ce mémoire : après pénétration du réservoir, l'éclat ou la munition animée d'une vitesse proche d'un km/s est brutalement freiné(e) par le liquide contenu dans la structure. La force de traînée qui lui est opposée par le fluide varie violemment en fonction de l'évolution du profil traînant du projectile, en particulier lorsqu'il est déstabilisé et se retourne dans le fluide. Cette énergie cinétique est brutalement transférée au liquide, et il y a création d'un choc hydrodynamique puis d'une cavité (on est en présence d'un mélange fluide multiphasique air, vapeur, liquide) dans le sillage du projectile. Après une première onde de choc hydrodynamique potentiellement destructrice, l'expansion à peine plus lente de la cavité dans le liquide (quasiment incompressible) peut se traduire par des déformations non négligeables de la structure pouvant aboutir à des ruptures catastrophiques des matériaux ou des assemblages structuraux, le coup de grâce étant éventuellement porté lors de l'effondrement final de la cavité. Le mémoire présenté à l'occasion de cette candidature à l'obtention d'une Habilitation à Diriger des Recherches retrace l'ensemble des travaux de recherche que j'ai été amené à réaliser et surtout à encadrer depuis le début des années 1990 concernant cette problématique de la modélisation des matériaux et structures composites soumis à des sollicitations de type chocs hydrodynamiques, en particulier sur les sujets de la caractérisation et de la modélisation, d'une part, du comportement et de la rupture dynamique des matériaux composites à matrice organique et, d'autre part, des interactions fluide/structures et des chocs hydrodynamiques consécutifs aux impacts balistiques dans des réservoirs aéronautiques.

La première étude du fonctionnement de la zone non saturée (ZNS) des aquifères karstiques, par accès direct, a été réalisée dans la galerie souterraine du LSBB, sur le bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse. Cette galerie recoupe arbitrairement le réseau karstique et les écoulements de la ZNS. Ceux-ci sont répartis tout au long de la galerie sous différentes épaisseurs de roche calcaire (de 30 à 514 m). 45 points d'écoulements ont été prélevés au moins une fois. Les suivis hydrodynamiques et hydrochimiques sur 8 ans montrent : (i) l'organisation des écoulements en fonction de la profondeur et de la densité de fracturation, (ii) les modalités de réponses hydrodynamiques et hydrochimiques des écoulements en fonction des précipitations et de l'état initial du système, (iii) la nécessité de prendre en compte la non-linéarité des réponses impulsionnelles dans la modélisation.Trois composantes d'écoulement sont caractérisées : (i) une composante lente, pérenne et caractérisée par des longs temps de séjour, (ii) une composante rapide, active seulement en période de très forte recharge, marquée par les traceurs d'infiltration et caractérisée par de faibles temps de séjour, (iii) une composante intermédiaire, associée à des comportements hystérétiques, également marquée par les traceurs d'infiltration et caractérisée par des temps de séjour intermédiaires. Ces observations directes justifient la prise en compte du phénomène d'hystérèse dans la modélisation de la ZNS. Confirmant des modèles conceptuels existants, ce travail contribue au développement d'un modèle de fonctionnement de l'aquifère karstique, qui devra à terme être transposable aux autres systèmes méditerranéens.

Les colonnes à bulles sont largement utilisées dans les domaines du génie chimique et biologique, grâce à leur configuration simple, exempte de toute partie mobile. Néanmoins, leur extrapolation aux échelles industrielles engendre des modifications de l’hydrodynamique globale (vitesse du liquide, taille des bulles) qui sont encore difficile à prédire avec les outils numériques disponibles.La thèse a pour objectif d’établir une base de données sur l’évolution radiale et axiale de l’hydrodynamique locale (taux de vide, taille de bulles, vitesse liquide), dans différentes tailles de colonnes allant de 0.15 à 3 m de diamètre, pour des vitesses superficielles gaz comprises entre 3 et 35 cm/s, générant des taux de vide atteignant les 35%. Les mesures de taux de vide local, de vitesse de bulles et de la taille verticale des bulles sont réalisées à l’aide d’une sonde optique 1C. De plus, une nouvelle méthode pour mesurer la taille horizontale des bulles à fort taux de vide et en écoulement fortement multidirectionnel est proposée dans cette thèse. Cette méthode est basée sur la corrélation croisée spatiale de signaux provenant de deux sondes optiques placées parallèlement à la même élévation, et à une distance l’une de l’autre devant nécessairement être plus faibles que les bulles les plus petites présentes dans l’écoulement. Les mesures de taille de bulles sont validées en les comparant à un traitement d’images par endoscopie. Pour des vitesses superficielles de gaz supérieures à 9 cm/s, un bon accord est trouvé entre les trois méthodes (sonde optique 1C, corrélation croisée et endoscopie). La taille des bulles augmente légèrement lorsque la vitesse superficielle gaz augmente, par contre elle n’est pas impactée de manière significative par le diamètre des colonnes. Une plus grande ségrégation radiale est tout de même visible dans les plus grandes colonnes testées.Un modèle 1D radial développé pour un écoulement invariant le long de l’axe de la colonne est utilisé pour tester différents formalismes de forces de trainée, utilisant les données expérimentales de taille moyenne de bulles. Les simulations montrent que pour prédire correctement le flux gazeux expérimental, il est nécessaire d’introduire un « swarm factor » (Simonnet et al, 2008) diminuant le coefficient de trainée à fort taux de vide. De plus, des simulations 3D URANS avec Fluent® sont réalisées avec la loi de trainée validée par le modèle 1D précédemment cité. Un bon accord est observé entre les valeurs expérimentales et simulées des profils radiaux de taux de vide et de vitesse liquide, pour des diamètres de colonne allant de 0.4 m à 3 m, et pour des vitesses superficielle gaz de 3 à 35 cm/s. / Bubble columns reactors are widely used in chemical and biological engineering due to its simple configuration without mobile parts. However, the scale-up prediction of a bubble columns reactors is still a challenging process, due to the lack reliable experimental data and models.The present work aims to construct detailed database of the radial and axial evolution of local hydrodynamics properties (gas hold-up, bubble size and velocity, liquid velocity) acquired in several bubble columns in a scale factor of 20 (from 0.15 to 3 m in diameter), for a superficial gas velocity from 3 to 35 cm/s, yielding gas hold-ups up to 35 %. Measurements of local gas hold-up, bubble velocity and bubble vertical size are performed by a 1C mono-fiber optical probe. Moreover, a novel method to measure mean horizontal diameter of bubbles at high void fraction and in a multi-directional flow is proposed. This method is based in the spatial-cross correlation of signal of two optical probes placed parallel side by side, at a given distance from each other, at the same elevation in the column. The validation of the bubble size measurements are performed through a comparison of the results with an endoscopic imaging method. For superficial gas velocities higher than 9 cm/s, a good agreement is found between the three methods (1C mono-fiber optical probe, cross-correlation and endoscopic imaging). A slight increase is registered with the increase of the superficial gas velocity, however there is no significant variation with the column diameter.A 1-D radial model of a bubbly flow (Ueyama and Miyauchi, 1979) developed for a invariant flow along the column axis, is used to benchmark several classic formalisms of the drag force, using experimental average bubble size. Results show that to correctly predict the experimental gas flowrate, it is necessary to use a Swarm factor (Simonnet et al, 2008) that reduces the drag coefficient for high gas hold-up values. Moreover, Fluent® 3D URANS simulations are performed using the previously validated drag force formalism. A good agreement is found between experimental and simulated radial profiles of gas holdup and liquid velocity for column diameters ranging from 0.4 m up to 3 m in diameter in a range of superficial gas velocities from 3 cm/s to 35 cm/s.