Nos connaissances et notre compréhension de la dynamique sédimentaire des plages macrotidales sont encore limitées de nos jours en raison d'un manque de données lié à la plus faible proportion de ces plages à l'échelle mondiale. Trois plages macrotidales à barres et à bâches du littoral de la Côte d'Opale dans le Nord de la France ont été choisies pour mener cette étude. Elle se base sur trois approches différentes visant à caractériser (1) le régime tidal et les conditions hydrodynamiques, (2) la morphologie de la zone intertidale et (3) les flux sédimentaires longitudinaux (FL) et transversaux (FC) dans diverses conditions tidales et énergétiques. Le transport a été mesuré dans la zone proche du déferlement à l'aide de pièges à sédiment de type Kraus (1987) permettant de caractériser le débit solide à plusieurs niveaux au dessus du fond au cours de conditions d'agitation faibles à modérées (Hs < 1 m). Malgré une uniformité des flux le long de la plage, les phénomènes de vidange des bâches par l'intermédiaire de chenaux perpendiculaires au trait de côte permettent l'introduction de volumes de sédiment significatifs, augmentant localement le FL. La distribution des flux à travers l'estran présente, quant à elle, une décroissance nette du bas de plage vers le haut de plage. Les mesures simultanées de FL et de FC ont démontré que le FC dirigé vers le haut de plage et la résultante du FC sont dans la plupart des cas supérieurs aux FL en raison de la plus forte intensité des vitesses de courant oscillatoire. Ces résultats mettent en évidence des mouvements significatifs de volume de sable à travers la zone intertidale à l'échelle de la mesure, ce qui influence fortement la morphodynamique de la plage. L'ensemble de la zone intertidale est toutefois apparue relativement stable, avec des changements plus significatifs à court terme qu'à plus long terme. Les mesures de transport ont permis de mettre en lumière le rôle fondamental des bâches dans la dynamique des plages macrotidales. Ces dépressions inter-barres sont en effet responsables de la canalisation du sédiment le long du rivage, limitant ainsi les transports sédimentaires transversaux et par conséquent la migration des barres intertidales. Il est vraisemblable que le temps de résidence et l'intensité des processus hydro-sédimentaires jouent un rôle prépondérant dans la dynamique des barres intertidales. Les mesures ont également été comparées avec plusieurs estimations du transport sédimentaire issues de modèles numériques et morphodynamiques. Bien que les flux calculés surestiment en général le transport mesuré, certaines formules semblent plus adaptées pour déterminer le FL dans la zone de levée.

À la frontière entre les continents et les océans, les marges continentales sont le siège de la grande majorité des apports de matière - dissoutes et solides, organiques et inorganiques - d'origine continentale vers l'océan. Elles sont aussi directement en contact avec les masses d'eau océaniques qui échangent de la matière et des éléments avec ces marges. L'érosion et le transport par les rivières étant une des sources essentielles des éléments chimiques à l'océan, la remise en suspension de matériel sédimenté et les forts mélanges d'eau favorisent les transferts de matière du continent vers l'océan. Le projet Amandes a pour objectif l'étude de ces échanges entre continents et océans, en étudiant le cas particulier du transport d'éléments en provenance des montagnes andines vers l'océan Atlantique par le système amazonien. Trois disciplines complémentaires - géochimie continentale et marine, océanographie physique et modélisation hydrodynamique (incluant l'assimilation de données) - sont associées pour atteindre ces objectifs. Parmi les modèles de la zone existants, aucun ne répond aux besoins du projet Amandes. Cette thèse a consisté à établir un nouveau modèle, qui permettra d'explorer en profondeur le problème du transport, c'est-à-dire le déplacement de toute la colonne d'eau et ce qu'elle contient, par exemple des sédiments. Cependant, établir un nouveau modèle hydrodynamique dans le but d'étudier le transport de matériaux par le fleuve Amazone dans l'océan Atlantique était un sujet trop ambitieux pour une seule thèse. En conséquence, nous nous sommes attachés à établir les bases d'un modèle qui sera étendu par la suite. Pour répondre à ses besoins de modélisation, le projet Amandes a opté pour le modèle à grilles non-structurées T-UGOm. L'avantage des grilles non-structurées est leur grande souplesse, qui leur permet de s'adapter finement aux spécificités géographiques de la zone modélisée. Dans le cas de l'estuaire de l'Amazone, où la géographie peut être complexe, cette particularité est un avantage critique. Pour appliquer T-UGOm au cas de l'Amazone, il a fallu préciser certains schémas numériques. Également, l'estuaire étant une zone de fortes marées, avec des fonds de faibles profondeurs sur de grandes étendues et soumise à de forts courants, le frottement de fond a une influence primordiale. Nous avons donc apporté un effort important pour affiner la prise en compte de ce frottement par le modèle. D'autre part, tant la faiblesse des fonds marin que la complexité de la géographie induisent également une forte influence du trait de côtes et de la bathymétrie. En conséquence, une part importante des efforts a été dédiée à établir un trait de côtes et une bathymétrie de la zone aussi précis que possible. La marée étant le phénomène hydrodynamique de plus forte amplitude dans la zone, nous nous sommes focalisés sur sa modélisation. Les développements évoqués précédemment ont permis, lorsque l'on compare notre meilleure solution de marée avec les données in situ et satellites, d'améliorer sensiblement la modélisation de la marée. En comparant notre meilleure solution avec celles déjà publiées, celle-ci est plus proche des données collectées. Ceci ouvre la voie à une modélisation hydrodynamique plus complète, en particulier du transport.

La présente étude a permis de mettre au point une méthode itérative de calcul non-linéaire des structures super-cavitantes. Le coefficient de pression au bord d'attaque de la structure est obtenu avec une grande précision, ce qui est essentiel pour la prévision du domaine de cavitation. En écoulement 2D le cas de l'aile super-cavitante à extrados mouillé est traité et la méthode permet de déterminer le point de décollement de la cavité à l'extrados. Le calcul de l'aile à extrados complètement dénoyé est rendu ainsi possible. Le cas des cavités très courtes est obtenu avec une grande précision. Ces trois problèmes n'avaient jamais été résolus auparavant. En écoulement 3D, pour des ailes à envergure finie, une méthode de résolution matricielle spécifique a été mise au point. C'est une méthode de Gauss Seidel par blocs, chaque bloc étant inversé par la méthode de Householder (orthogonalisation de Schmidt). La méthode nécessite des temps de calcul importants mais la richesse des indications qu'elle fournit pourra la faire préférer à d'autres méthodes moins onéreuses sur le plan informatique mais ne permettant pas d'avoir une description de l'écoulement aussi précise. Un champ d'application particulièrement intéressant a été celui des structures sub-cavitantes fonctionnant avec une cavité partiellement développée à partir du bord d'attaque. Les résultats sont très précis et comparés à certaines valeurs expérimentales.

Une méthode de calcul non-linéaire d'écoulement autour de structures minces par la méthode des singularités est présentée. Le concept de minimisation est développé et appliqué à des configurations sub-cavitantes, partiellement cavitantes et super-cavitantes. Ce concept est relatif aux erreurs numériques commises sur les débits de fuite. Le calcul non-linéaire de la géométrie de la poche de cavitation est obtenu par une procédure itérative. La méthode est validée par différentes comparaisons des résultats avec les résultats de référence issus de la littérature. Le cas de la grille d'aubes a été traité, les résultats comparés à ceux obtenus avec une méthode d'éléments finis. La comparaison est excellente. Le code de calcul a été étendu au calcul 3D de l'écoulement autour d'une aile partiellement cavitante et super-cavitante en présence d'une surface libre ainsi qu'au calcul 3D d'une hélice sub-cavitante, suivie de son sillage, en écoulement tournant. Les résultats sont confrontés aux résultats expérimentaux.

Cette thèse porte sur la propagation d'incertitudes et la résolution de problème inverse et leur accélération par Chaos Polynomial. L'objectif est de faire un état de l'art et une analyse numérique des méthodes spectrales de type Chaos Polynomial, d'en comprendre les avantages et les inconvénients afin de l'appliquer à l'étude probabiliste d'instabilités hydrodynamiques dans des expériences de tubes à choc de type Richtmyer-Meshkov. Le second chapitre fait un état de l'art illustré sur plusieurs exemples des méthodes de type Chaos Polynomial. Nous y effectuons son analyse numérique et mettons en évidence la possibilité d'améliorer la méthode, notamment sur des solutions irrégulières (en ayant en tête les difficultés liées aux problèmes hydrodynamiques), en introduisant le Chaos Polynomial généralisé itératif. Ce chapitre comporte également l'analyse numérique complète de cette nouvelle méthode. Le chapitre 3 a fait l'objet d'une publication dans Communication in Computational Physics, celle-ci a récemment été acceptée. Il fait l'état de l'art des méthodes d'inversion probabilistes et focalise sur l'inférence bayesienne. Il traite enfin de la possibilité d'accélérer la convergence de cette inférence en utilisant les méthodes spectrales décrites au chapitre précédent. La convergence théorique de la méthode d'accélération est démontrée et illustrée sur différents cas-test. Nous appliquons les méthodes et algorithmes des deux chapitres précédents à un problème complexe et ambitieux, un écoulement de gaz compressible physiquement instable (configuration tube à choc de Richtmyer-Meshkov) avec une analyse poussée des phénomènes physico-numériques en jeu. Enfin en annexe, nous présentons quelques pistes de recherche supplémentaires rapidement abordées au cours de cette thèse.

Ce travail de thèse a pour objectif de simuler numériquement des écoulements de gaz dans des matrices poreuses dont les pores sont de taille micrométrique. On étudie l'influence des phénomènes de glissement hydrodynamique qui apparaissent lorsque la dimension caractéristique de micro- conduites est caractérisée par des nombres de Knudsen compris entre Kn = 0,01 et Kn = 0,1.Le mémoire de thèse est composé de cinq chapitres suivis d'une conclusion dans laquelle nous présentons quelques perspectives pour une suite de ce travail. Le chapitre I constitue le travail préliminaire de thèse qui s'est ensuite orienté vers des approches complémentaires. Le principe des méthodes d'homogénéisation périodique est d'abord exposé. Suit une présentation de deux méthodes de résolution dans l'espace de Fourier : l'approche en déformation et l'approche en contrainte. L'extension de ces méthodes à la résolution d'écoulements régis par l'équation de Stokes est ensuite décrite. Des applications aux cas d'écoulements à travers des réseaux de cylindres, avec condition d'adhérence ou avec condition de glissement, sont ensuite discutées. Deux techniques de modélisation des phénomènes de transport dans des milieux poreux saturés par un fluide monoconstituant sont présentées dans le second chapitre. La première est basée sur la méthode des développements asymptotiques, appelée aussi méthode d'homogénéisation. On explique que le processus consiste en trois étapes : description locale, localisation et description macroscopique. La seconde technique s'appuie sur la méthode de calcul de moyennes à l'échelle d'un VER. Le point de départ de cette méthode est basé sur des théorèmes donnant les expressions des moyennes de tous les opérateurs intervenant dans une équation de transport. Après une brève présentation du logiciel commercialisé que nous avons utilisé, nous exposons les études de convergence spatiale que nous avons effectuées et nous comparons nos solutions avec des résultats de la littérature dans le chapitre III. Diverses géométries sont considérées (allant de géométries planes à des empilements 3D de cubes ou de sphères).L'effet du glissement sur la perméabilité de milieux microporeux est abordé dans le chapitre IV. Le formalisme résultant de l'homogénéisation de structures périodiques est utilisé pour simuler numériquement des écoulements isothermes de gaz dans divers empilements de complexités croissantes. Les perméabilités sont déterminées en calculant les moyennes spatiales des champs de vitesses, solutions des équations de Stokes. Les valeurs obtenues en imposant des conditions d'adhérence sont comparées à celles obtenues avec des conditions de glissement du premier ordre. Dans le chapitre V, nous présentons des solutions pour des écoulements anisothermes et étudions l'effet du glissement sur la conductivité effective de milieux microporeux 2D et 3D. Dans ce chapitre, nous résolvons les équations de Navier-Stokes et de l'énergie en imposant des conditions de symétries dans une ou deux directions. A partir des solutions locales, sont calculées les moyennes intrinsèques des champs de vitesse et de température. Nous considérons des cas pour lesquels la condition d'équilibre thermique local peut être considérée comme satisfaite et d'autres correspondant à un non-équilibre thermique (NTLE). On détermine les conductivités de dispersion en fonction du nombre du Péclet et on montre l'influence du glissement sur les composantes longitudinales et transverses pour différentes porosités et longueur de glissement. Dans les cas NLTE, le coefficient macroscopique de transfert fluide-solide est aussi calculé

Le nettoyage en place des membranes en industrie agro-alimentaire est une opération cruciale qui, outre les exigences de sécurité sanitaire des installations et des produits traités doit permettre de restaurer les performances de la filtration (sélectivité, flux) en éliminant le colmatage formé pendant l'étape de production. Malheureusement cette étape repose encore sur des bases empiriques et non optimisées. A cause d'un manque de notions fondamentales, elle est encore pressentie comme un frein à l'utilisation massive des procédés membranaires. Une démarche originale a été menée dans le cadre de cette thèse incluant la réflexion sur l'incidence des paramètres hydrodynamiques des conditions de production sur la cohésion du dépôt colmatant et plus particulièrement de sa fraction irréversible, dont la nettoyabilité est étudiée. Pour fonder cette démarche, une étude comparée du colmatage et du nettoyage au flux limite et au flux critique a été réalisée en intégrant le rôle de la physico-chimie et de l'hydrodynamique pendant la phase de production. cette étude s'inscrit dans un cadre d'éco-conception de procédé, avec une analyse de cycle de vie réalisée afin d'estimer l'impact environnemental de l'étape de nettoyage via divers scénarii simplifiés.

Cette thèse étudie les premiers instants d'une collision d'ions lourds. Juste après cette collision, il a été démontré que la matière produite -- appelée Plasma de Quarks et de Gluons (PQG) -- est très loin de l'équilibre thermique. On voudrait donc savoir si le PQG thermalise, et quelle est l'échelle de temps caractéristique pour cela. Le manuscrit expose l'étude de ces questions dans deux sortes de théories. Dans un premier temps, on étudie une théorie scalaire. En initialisant cette dernière dans un état hors équilibre, on peut étudier l'approche de l'équilibre pour un système de volume fixe ou un système en expansion unidimensionnelle. Dans les deux cas, des preuves d'une possible thermalisation peuvent être observées : une équation d'état se forme, le tenseur des pressions devient isotrope et le nombre d'occupation tend vers une distribution d'équilibre thermique classique. Ces résultats sont obtenus à l'aide de l'approximation classique statistique (ACS), qui permet d'inclure des contributions au-delà de l'ordre dominant de la théorie des perturbations. Dans un second temps, le "Color Glass Condensate", une théorie effective basée sur la Chromodynamique quantique adaptée à l'étude des premiers instants suivant la formation du PQG, est utilisé pour étudier de manière plus réaliste l'approche de l'équilibre thermique dans les collisions d'ions lourds. Après avoir établi quelques prérequis pour l'utilisation de l'ACS, les simulations numériques effectuées avec les équations de Yang-Mills semblent indiquer que le PQG devient rapidement isotrope, tandis que son rapport viscosité sur entropie est très petit, ce qui est la caractéristique d'un fluide quasi idéal.

Les liquides confinés présentent beaucoup de comportements fascinants, très différents de ceux qui sont observés dans leur volume. Le confinement peut induire un déplacement de l'équilibre des phases (par exemple de la transition liquide-vapeur, aussi appelé condensation capillaire), il peut modifier la température de transition vitreuses des polymères, ou bien imposer un ordre dans l'arrangement moléculaire du fluide. Les modifications des propriétés mécaniques des liquides aux interfaces sont particulièrement importantes au niveau des applications. Cependant au niveau de la compréhension, le simple cas des liquides newtoniens est toujours sujet à controverse, avec d'une part des simulations numériques montrant que la viscosité ne devrait pas être modifiée pour des confinements supérieurs à quelques tailles moléculaires, et d'autre part des expériences non unanimes, montrant parfois des modifications qualitatives des propriétés rhéologiques sous confinement. Récemment nous avons montré que les méthodes d'impédance hydrodynamique en géométrie sphère-plan constituent une méthode privilégiée, non-intrusive et non-ambigüe, pour aborder la nano-mécanique des liquides aux interfaces (1,2). S'agissant d'interphases, cad de couches fluides dont les propriétés sont modifiées par la proximité d'un solide, il est possible d'accéder à leur module sans contact, donc sans la perturbation apportée par une seconde surface. S'agissant de l'effet du confinement sur la rhéologie, nous avons montré que la déformation élastique à l'échelle du pico-mètre des surfaces confinantes, donne une forte modification de la rhéologie apparente du fluide, même en l'absence de tout effet intrinsèque. Le sujet de thèse vise à mettre en oeuvre les méthodes d'impédance hydrodynamique pour étudier la rhéologie de solutions de polymères confinés. On étudiera plus précisément deux systèmes modèles d'importance fondamentale aussi bien que pratique : les brosses de polymères greffés, dont les propriétés mécaniques sont un enjeu dans les applications de lubrification aussi bien que pour les écoulements biologiques, et les solutions de polymères hydro-solubles d'intérêt pour la récupération assistée du pétrole, en vue de comprendre les effets de fluidification sous confinement et de faire la part entre modification de la viscosité et couche de déplétion induite par l'écoulement. Au niveau instrumental, un des enjeux de la thèse sera de mettre en oeuvre les mesures d'impédance hydrodynamique sur deux types d'instruments complémentaires au niveau de l'échelle de la sonde: l'appareil de mesure de forces dynamique (SFA) du Liphy, et l'AFM à détection interférométrique développé à l'Institut Néel. Ces différentes échelles d'investigation devront permettre de préciser les propriétés moyennes mécaniques moyennes des liquides confinés et leurs gradients au voisinage de la paroi. Une perspective du travail sera de mettre en regard les propriétés mécaniques et rhéologiques intrinsèques des brosses polymères déterminées directement sur SFA ou AFM, avec leur propriétés fonctionnelles: propriétés de lubrification des contacts frottants, ou de modification des écoulements des dans micro-canaux. Ceci sera poursuivi sur la plateforme expérimentale mise en place par Lionel Bureau au Liphy : SFA de friction, systèmes micro-fluidiques à visée biomimétique (parois fonctionnalisées par des brosses polymères). L'enjeu sera alors de comprendre comment les propriétés mécaniques et rhéologiques des brosses déterminent celles des systèmes dans lesquels elles interviennent. / Liquids confined present many fascinating behaviors very different from those observed in their volume. Confinement can induce a shift in the balance of phases (eg the liquid-vapor transition, also called capillary condensation), it can change the glass transition temperature of the polymer, or impose order on the molecular arrangement of fluid. The changes in the mechanical properties of liquid interfaces are particularly important in applications. However the level of understanding, the simple case of Newtonian liquids is still controversial, with one hand, numerical simulations show that the viscosity should not be changed for some higher molecular sizes containment, and secondly non-unanimous experiences, sometimes showing qualitative changes in rheological properties under confinement. Recently we have shown that the methods of hydrodynamic impedance sphere-plane geometry is a privileged, non-intrusive method and unambiguous, to discuss the mechanics of nano-liquid interfaces (1,2). As interphase, ie fluid layers whose properties are modified by the proximity of a solid, it is possible to accede their contactless module, so without the disturbance caused by a second surface.S As regards the effect of confinement on the rheology, we have shown that the elastic deformation across the pico meter of confining surfaces, gives a strong modification beyond apparent rheology of the fluid, even in the absence of any intrinsic effect. The thesis aims to implement the hydrodynamic impedance methods to study the rheology of polymer solutions confined. We specifically consider two models of fundamental importance as well as practical systems: brushes grafted polymer whose mechanical properties are an issue in lubrication applications as well as for biological flows and solutions of water-soluble polymers interest in enhanced oil recovery, in order to understand the effects of thinning containment and to distinguish between changes in viscosity and depletion layer induced by the flow. At the instrumental level, one of the challenges of the thesis is to implement the hydrodynamic impedance measurements on two complementary instruments at the level of the probe: the measuring dynamic power (SFA) of Liphy, and AFM interferometric detection developed at the Institut Néel. These different scales of investigation will help to clarify the medium average mechanical properties of liquids confined and their gradients near the wall. A view of work will be to look mechanical and rheological properties of polymer brushes intrinsic determined directly on SFA or AFM with their functional properties: lubricating properties of sliding contacts, or modification of the flow in microchannels. This will continue on the implementation by Lionel Bureau Liphy experimental platform: SFA friction advised biomimetic micro-fluidic systems (walls functionalized polymer brushes). The challenge will be to understand how the mechanical and rheological properties of brushes determine those systems in which they operate.

Les micronageurs et parmi eux les microangeurs artificiels sont en général, limités à exister dans des écoulements dominés par des forces visqueses. Ces écoulements sont caractérisés par un bas nombre de Reynolds (Re). Cela impacte la stratégie de nage et plus particulièrement les séquences de forme possibles, qui doivent nécessairement être non-réciproques dans l'espace de déformation pour espérer induire un déplacement net non-nul. De plus, due aux forts effets de traînée, les vitesses de nage sont limités à des valeurs faibles.Dans cette thèse, on examine la possibilité d'utiliser un mécanisme de nage basé sur l'instabilité de flambage d'une sphère creuse. Cette instabilité est provoquée en soumettant la sphère à une onde de pression. La particularité de ce mécanisme est qu'il satisfait par construction la condition nécessaire de nage à bas Reynolds exposée précédemment. De plus, la rapidité de la déformation lors de l'instabilité pousse à prévoir l'apparition d'effets inertiels, et ce même à l'échelle microscopique.Une étude expérimentale a été conduite à l'échelle macroscopique dans le but de comprendre la dynamique de l'instabilité et son impact sur le fluide qui entoure la coque creuse. Ces expériences nous permettent de montrer qu'un déplacement net non-nul est produit pour tous les régimes d'écoulements.On met en évidence le rôle de paramètres géométriques, des propriétés du matériau composant la coque creuse et de la rhéologie du fluide sur l'efficacité de la nage.On montre l'existence d'un optimum de déplacement net pour des valeurs intermédiaires du nombre de Reynolds. Pour expliquer cela, on se sert de mesures de PIV résolues temporellement pour mettre en évidence la présence d'effets d'histoire non-triviaux qui augmentent le déplacement net.On dérive un simple modèle en se basant sur les observations expérimentales pour montrer que ce régime optimal de nage est atteignable pour des sphères microscopiques, ceci est possible grâce l'activation rapide de l'instabilité. Cette propriété permet aussi une excitation à haute fréquence en utilisant des ultrasons. Une étude d'échelle nous permet de prédire une vitesse de nage de 1 cm/s pour un micro-robot contrôlé à distance. Cet ordre de grandeur de vitesse est idéal pour des applications biologiques comme la distribution ciblée de médicaments. / Microswimmers, and among them aspirant microrobots, are generally bound to cope with flows where viscous forces are dominant, characterized by a low Reynolds number (Re). This implies constraints on the possible sequences of body motion, which have to be nonreciprocal. Furthermore, the presence of a strong drag limits the range of resulting velocities.Here, we propose a swimming mechanism which uses the buckling instability triggered by pressure waves to propel a spherical hollow shell. The particularity of this mechanism is that it fulfills naturally the necessary condition of swimming at low Re. In addition, the swiftness of the instability might produce inertial effects even at the microscopic scale.With a macroscopic experimental model we show that a net displacement is produced at all Re regimes. We put in evidence the role of geometrical parameters, shell material properties and rheology of the surrounding fluid on the swimming efficiency.An optimal displacement is reached at intermediate Re. Using time-resolved PIV measurements, we explain that non-trivial history effects take place during the instability and enhance net displacement.Using a simple model, derived from the study of shell dynamics, we show that due to the fast activation induced by the instability, this regime is reachable by microscopic shells. The rapid dynamics would also allow high frequency excitation with standard traveling ultrasonic waves. Scale considerations predict a swimming velocity of order 1 cm/s for a remote controlled microrobot, a suitable value for biological applications such as drug delivery.