Le béton de chanvre constitue une solution constructive conforme aux objectifs en matière de développement durable.Sa morphologie structurelle, induite par l’association de fibres végétales poreuses à une matrice minérale grenue, se traduit par une forte porosité et une densité limitée. Le béton de chanvre présente ainsi des propriétés hygrothermiques très intéressantes : sa faible conductivité thermique lui confère de bonnes capacités d’isolation et sa forte perméabilité au transport d’eau favorise le transfert d’humidité.En outre, il est caractérisé par un comportement thermohydrique hystérétique gouverné en humidité et en température qui conditionne l’évolution de ses propriétés. L’objectif de ce travail est d’évaluer sa réponse hygrothermique auxsollicitations climatiques, enjeu majeur pour le développement de cette solution technologique face aux problématiques énergétiques et de confort dans le bâtiment. La difficulté d’évaluation de cette réponse réside dans la complexitédes phénomènes couplés des transferts de masse et de chaleur auxquels est soumise la paroi. Le transfert d’humidité au sein de parois poreuses est régi par le transport diffusif d’eau sous forme liquide et vapeur. Le transfert de chaleur dans les milieux poreux humides est dû à plusieurs mécanismes simultanés comme la conduction thermique ou le phénomène d’évaporation-condensation. Par ailleurs, dans le cadre de la physique du bâtiment, les surfaces externes sont notamment soumises au rayonnement solaire, à la pluie ou aux phénomènes de convection mixte, naturelle et forcée, dus à la température d’air ambiant et au vent ou aux systèmes de ventilation.Dans un premier temps, un modèle numérique de transferts hygrothermiques HAM (Heat, Air and Moisture) prenant en compte ces phénomènes a été développé. Afin d’alimenter ce modèle numérique, l’étude est par ailleurs focaliséesur la modélisation des propriétés thermiques et hydriques du matériau en s’appuyant sur les résultats de différents essais de caractérisation. Elle permet également d’appréhender l’effet d’une variation de la masse volumique du béton de chanvre sur ses propriétés. Les résultats du modèle sont alors confrontés aux mesures expérimentales réalisées sur une paroi en béton de chanvre placée dans une enceinte biclimatique dont les régulations suivent un programme choisi. Une analyse de sensibilité aux paramètres montre que le transfert thermo-hydrique est très influencé par le paramètreteneur en eau. La modélisation de l’effet hystérétique thermo dépendant qui conditionne la capacité de stockage hydrique et influe sur le transport de masse et de chaleur s’avère nécessaire pour bien appréhender le comportement du matériau. La prise en compte du phénomène d’hystérésis sur l’évolution de la teneur en eau produit ainsi des résultats de simulation pertinents en accord avec les réponses expérimentales obtenues sous sollicitations hydriques et thermiquescycliques.En outre, le travail est étendu à l’étude numérique de l’influence de la nature et de l’épaisseur d’une couche d’enduit apposée sur les surfaces externes de la paroi en béton de chanvre. Finalement, la notion de confort hygrothermique est discutée en configuration réelle d’utilisation sous sollicitations climatiques typiques annuelles. / The use of hemp concrete, an environmentally friendly material, participates in a process of sustainable development in the residential sector. The association of porous vegetable fibers and a grainy mineral matrix gives a strong porosity and a limited density. Therefore hemp concrete has very interesting hygrothermal properties: a low thermal conductivity which offers good insulation capacities and a high moisture permeability which favors moisture transport. Besidesit is characterized by a hysteretic hygrothermal behavior governed by humidity and temperature which determines the evolution of its properties. This work deals with the evaluation of the hemp concrete hygrothermal response to climatic stresses. This objective is a main issue for the development of that kind of material faced with energetics problemsand the notion of comfort feeling in buildings. The evaluation of the hygrothermal behavior of a hemp concrete wallis linked to coupled heat and mass transfer. Mass transfer is governed by moisture transport in liquid and vapor forms. Heat transfer is mainly carried out by conduction and phase change in pores. Moreover in building physics, external surfaces of porous walls are submitted to solar radiation, rain or phenomenon of natural and forced convectiondue to ambient temperature and wind or ventilation systems. Firstly a numerical HAM transfer model (HAM: Heat, Air and Moisture) able to take into account these phenomena is built. In order to feed this model, the modeling of hemp concrete hygrothermal properties is lead based on experimental characterization campaigns. The study points out also the influence of the hemp concrete hygrothermal properties depending on a variation of the density. The results of the model are thus compared to the experimental measures collected on a hemp concrete wall in a biclimatic room ofwhich regulation follows a chosen program. A sensitivity analysis to the parameters of the model enables to show that the hygrothermal transfer is very influenced by the moisture content parameter. The thermal dependence of the hysteretic effect determines the hydric capacity of moisture storage and the heat and moisture transportthrough the material. The consideration of this phenomenon is necessary to well understand and reproduce the hygrothermal behavior of the hemp concrete. The modeling of the hysteresis gives simulated results in good agreement with the experimental ones obtained under hydric and thermal cyclic stresses. Moreover the work is extended to the numerical study of the influence of the nature and the thickness of a coating layer on the external surfaces of a hemp concrete wall. Finally a discussion about the notion of hygrothermal comfort is carried out on a wall in real configuration ofoperation under typical annual climatic conditions

Cette thèse porte sur la force de résistance au mouvement à faible vitesse d'un objet (sphère, cylindre ou disque) dans un empilement de grains dense et sec. Des expériences ont été menées sur deux dispositifs permettant un mouvement à vitesse contrôlée, en s’intéressant à l’influence des tailles des objets et des grains, des conditions aux limites de l’empilement, de la gravité, et d’une éventuelle vibration de l’empilement. Dans un premier dispositif expérimental permettant un mouvement vertical, nous avons consacré une partie importante de ce travail à l'étude de la forte asymétrie de la force lors de cycles de pénétration/extraction d’un cylindre horizontal et d’une sphère. Pour tenter de comprendre l'origine de cette asymétrie, différentes conditions aux limites ont été considérées : parois rigides ou souples sur les côtés ou au fond de l’empilement, surface libre ou surmontée d’un couvercle plus ou moins chargé en haut de l’empilement. La longueur caractéristique issue du champ de vitesse des grains autour d'un cylindre a été montrée comme la longueur pertinente à considérer pour le confinement latéral, ainsi que pour les déformations de la surface libre telles que la formation d’un cratère consécutif à la pénétration ou d’une bosse lors de l’extraction. Ces déformations peuvent être retrouvées par intégration d’un modèle de champ de vitesse autour de l’objet. La présence d'un couvercle chargé a par ailleurs permis de mettre en évidence une riche et complexe variété de comportements, notamment en extraction où la force ne diminue plus avec la profondeur de l’objet. Dans un second dispositif permettant le mouvement horizontal d’un gros disque intrus à l’intérieur d’une couche de petits disques photoélastiques vibrés ou non, nous avons mesuré la force globale sur l’intrus et visualisé les distributions de contraintes au sein du milieu granulaire. Au-delà des importantes fluctuations spatio-temporelles, des valeurs moyennes de force sur l’intrus et des tenseurs locaux de contraintes et taux de déformations autour de l’intrus ont pu être obtenus, dans la perspective d’établir une loi de comportement locale pour le milieu. La vibration de la couche de grains a été montré pouvoir changer considérablement la dépendance de la force avec la vitesse de l’intrus, avec un effet de fluidification du milieu. / This thesis focuses on the force of resistance to the slow motion of an object (sphere, cylinder or disk) in a dense and dry granular medium. Experiments were conducted using two devices that permitted movement at constant velocity, with the aim of studying the influence of the object size, the grain size, the boundary conditions, and vibration of the grains. Using the first device in which the object moved vertically, we studied in detail the strong asymmetry of the resistance force during cycles of penetration/withdrawal of a horizontal cylinder and a sphere. In an attempt to understand the origin of this asymmetry, we implemented different boundary conditions: rigid and deformable walls on the sides and/or the bottom of the device, and free and quasi-rigid (loaded cover) conditions at the top. Previous work has shown that the characteristic length scale of the velocity field around a moving cylinder is the relevant length for both the lateral confinement and the deformation of the free surface, such as the formation of a crater during penetration or a mound during withdrawal. These deformation fields can be found by integrating a model of the velocity field around the object. Our use of a loaded-cover boundary condition has also revealed a variety of complex behaviors, including a force that no longer decreases with the depth of the object during the withdrawal phase. The second device allows the horizontal movement of a large hard intruder into a monolayer of small photoelastic disks which could be vibrated or not. Using this, we measured the overall force on the intruder and visualized the stress distribution in the granular medium. We were able to measure not only the large spatio-temporal velocity fluctuations, but also average values of the force on the intruder and the local stress and strain rate tensors around it, which allowed us to determine a local constitutive law for the medium. Finally, we have shown that vibration of the grains significantly changes the dependence of the force on the intruder speed, indicating a fluidization effect.

Au cours de ce travail, nous avons décrit et mis en œuvre la fabrication de surfaces nanostructurées d’alumine par anodisation de feuilles d’aluminium de très grande pureté. Les paramètres morphologiques caractérisant la membrane d’oxyde que sont le diamètre des pores, leur profondeur et leur espacement sont finement contrôlés par les paramètres expérimentaux. Ces surfaces nanotexturées ont permis l’étude approfondie de l’interaction solide-liquide au sein des pores et de la physique de la ligne de contact devant composer avec les nano-aspérités de surface. Ces deux éléments ont pu être appréhendés par des mesures d’angles de contact à l’équilibre et d’hystérésis de mouillage. La modélisation des résultats a montré l’inadéquation des modèles classiques de CASSIE, WENZEL ou de capillarité à cette situation. L’adjonction du terme controversé de tension de ligne permet de bonnes prévisions. Nous montrons que cette interprétation n’est pas unique ; une diminution de l’énergie de surface due à la forte courbure des pores conduit à des résultats identiques. Une investigation théorique a été menée par l’intégration des forces de VAN DER WAALS. La baisse de l’énergie de surface est prévue mais dans des proportions insuffisantes. Le modèle peut être amélioré. Les mesures d’hystérésis ont dévoilé le pouvoir adhésif des surfaces nanoporeuses. À cause des forces de capillarité dans les pores, la ligne de contact ne peut jamais reculer. Les angles d’avancée ont montré que la ligne de contact a une épaisseur négligeable devant la dizaine de nanomètre. Elle peut en outre parfaitement contourner les pores, imprimant de fortes courbures à l’interface liquide-gaz à la base de la goutte. Sa forme tridimensionnelle a été abordée au travers d’un modèle numérique restant à perfectionner. / In this work, we have described and carried out the fabrication of nanostructured alumina surfaces by anodizing highly pure aluminum foils. The pore diameter, depth and spacing are finely controled through experimental parameters. These nanotextured surfaces allowed a thorough study of the solid-liquid interactions within the pores and of the contact-line constrained by the surface nanoasperities. Equilibrium contact-angle and wetting hysteresis measurements were helpful to apprehend them. Modeling the results has revealed the inability of classical CASSIE, WENZEL and capillarity models to properly match the situation. Adding the controversial line-tension term solves the problem and provides good predictions. Anyway, this interpretation is not unique. A lower surface energy within the pores due to their strong curvature yields the same modeling quality. This case has been theoretically investigated through the integration of VAN DER WAALS’ forces. A surface-energy decrease has been calculated but it is not as strong as required. The model still can be improved. Hysteresis measurements have highlighted the nanoporous surfaces are strongly adhesive. Because of the pore size, the capillarity is very marked and keeps the contact line from receding. The advancing contact angles have shown that the contact-line thickness is negligible with respect of ten nanometres. In addition, it can circumvent the pore openings which involves strong liquid–gas interface curvatures at the drop base. The three-dimensional liquid–gas interface shape has been studied with a numerical model that still has to be enhanced.

L'objectif de cette thèse est la compréhension théorique des phénomènes d'adsorption dans les aérogels de silice. En dépit de leur très haute porosité, les aérogels modifient profondément les propriétés du fluide adsorbé. Le caractère hors d'équilibre du système se traduit par la présence d'hystérésis dans les isothermes d'adsorption. Plusieurs groupes expérimentaux ont mis en évidence l'influence remarquable de la température et de la porosité sur la morphologie des boucles d'hystérésis. Ni l'approche traditionnelle des phénomènes de condensation capillaire dans les solides mésoporeux ni les propriétés d'équilibre du modèle d'Ising en champ aléatoire (RFIM) ne permettent d'expliquer ces observations.<br /><br />Notre modélisation prend pleinement en compte le caractère désordonné et hors d'équilibre du système fluide-aérogel. Le fluide est représenté par un gaz sur réseau et l'aérogel est décrit de manière réaliste à l'aide d'un algorithme d'agrégation de "clusters" limitée par diffusion (DLCA). Le caractère "coarse-grained" de notre description permet d'étudier les phénomènes collectifs se produisant à une échelle supérieure à celle des cavités de l'aérogel. Le modèle est traité dans le cadre d'une théorie de champ moyen local, qui définit un paysage de grand potentiel. On peut négliger les processus activés, comme le suggèrent les expériences, et le système-modèle évolue dès lors dans ce paysage selon une dynamique de température nulle, ne changeant de configuration que lorsqu'un paramètre extérieur (potentiel chimique) est modifié. <br /><br />Cette modélisation nous permet d'élucider la nature des phénomènes d'adsorption. Le désordre imposé par l'aérogel induit, pour une température assez basse, un paysage de grand potentiel complexe, caractérisé par un grand nombre d'états métastables. Le système y évolue par une succession d'avalanches, qui sont des événements irréversibles de condensation (ou d'évaporation) en général microscopiques. Cette dynamique d'avalanche dans un paysage complexe est à l'origine de l'hystérésis. La forme des boucles d'hystérésis dépend du mécanisme à l'oeuvre, mécanismes qui diffèrent à l'adsorption et à la désorption, et changent avec la porosité et la température. On observe en particulier des transitions de phase hors d'équilibre identiques à celles qui existent dans le RFIM à température nulle. A l'adsorption, l'isotherme est soit discontinue soit continue selon qu'il existe une avalanche de taille macroscopique ou des avalanches seulement microscopiques ; ces deux régimes sont séparées par une ligne critique correspondant à la transition d'avalanche. A la désorption, trois mécanismes distincts sont mis en évidence : le premier est la cavitation, les deux autres sont des transitions qui mettent en jeu l'interface entre le fluide adsorbé et le réservoir de gaz : transition de percolation d'invasion et transition de dépiégeage. Nous montrons que de manière générale, il est difficile d'établir un lien direct entre la structure de l'aérogel et les caractéristiques des isothermes. <br /><br />Dans la dernière partie de ce travail, nous étudions le rapport entre métastabilité et hystérésis en considérant le cas du RFIM sur réseau de Bethe à température nulle. Par des calculs analytiques, nous établissons un lien entre la boucle d'hystérésis et la répartition des états métastables dans le plan champ magnétique-aimantation.

Dans un actionneur électromagnétique, le circuit magnétique joue le rôle indispensable de canalisateur de flux pour diriger l'énergie magnétique dans la zone souhaitée (l'entrefer). Au sein de ce circuit magnétique, des énergies de différente nature, sont transformées, stockées, échangées et dissipées. Les performances de l'outil informatique pour représenter les régimes transitoires et les pertes sont liées à la précision avec laquelle sont évaluées simultanément toutes ces formes d'énergie. Ce constat impose au modèle d'être à même de décrire, en régime dynamique, tout l'historique de l'aimantation du matériau.<br />Notre travail a consisté à développer des outils de simulation dans lesquels le circuit magnétique est au coeur de la conversion énergétique. Des hypothèses simplificatrices ou/et des couplages de méthodes à priori ou en temps réel nous autorisent à étudier les régimes transitoires à l'intérieur de ces circuits et à en évaluer les pertes.<br />Le couplage de méthodes de représentation ainsi que les hypothèses y attenant est décrit au fil des chapitres. Les résultats obtenus permettent l'analyse minutieuse du rôle du circuit magnétique pour plusieurs systèmes à vocation industrielle ainsi que la réflexion sur d'éventuelles améliorations à apporter à ces systèmes.

Sous l'action d'une perturbation extérieure (température, pression, irradiation lumineuse, champ magnétique), les matériaux à transition de spin (TS) du Fe(II) présentent un état diamagnétique (S = 0) et/ou paramagnétique (S = 2). Cette commutation optique ouvre de réelles perspectives dans le domaine de l'affichage et du stockage d'information. A l'issu d'un travail préliminaire sur les différents processus photomagnétiques rencontrés dans les composés à transition de spin du Fe(II), l'étude a été focalisée sur l'effet LIESST (Light-Induced Excited Spin State Trapping). Une nouvelle procédure, notée Tc(LIESST), a été introduite afin de caractériser un grand nombre de matériaux. A partir de cette base de données, l'influence de différents paramètres sur la relaxation HS -> BS a été discutée. De nouveaux dérivés phosphorés à TS thermique et optique ont notamment été décrits.

Le comportement des matériaux doux est complexe et associe hystérésis et anisotropie. Ce comportement résulte de la structure microscopique du matériau et des processus physiques mis en jeu, comme le déplacement irréversible des parois en bas champ et la rotation de la magnétisation pour les champs forts. En vue de modéliser ce comportement, nous avons développé un modèle d'hystérésis vectoriel appelé Modèle Mixte Preisach/Biaxial (MMPB). Ce modèle couple les modèles de Preisach et de Stoner-Wohlfarth, permettant ainsi de décrire les mécanismes d'aimantation par déplacement des parois et par rotation. Pour ce faire, nous avons introduit la notion de particule biaxiale de structure cubique. On peut ainsi décrire le comportement hystérétique et vectoriel des tôles à grains non-orientés ou à texture cubique. Le modèle MMPB a été appliqué sur plusieurs types de tôles magnétiques soumises à des excitations uniaxiales et tournantes. Le modèle donne de bons résultats pour les hauts niveaux d'induction, mais des écarts par rapport à l'expérience sont observés pour des niveaux plus bas d'induction. Pour améliorer le modèle, une particule bidimensionnelle de Preisach a été proposée pour mieux décrire les mécanismes de déplacements des parois, le modèle de Stoner-Wohlfarth décrivant ensuite les rotations cohérentes de la polarisation magnétique. Le comportement de la particule en 1D et en 2D est cohérent et il décrit qualitativement les observations expérimentales.

Le CyberKnifeTM est composé d'un accélérateur linéaire de 6 MV monté sur un bras robotisé, avec 6 axes de rotation et d'un système d'imagerie permettant de guider le faisceau d'irradiation sur la cible à traiter. Le but est d'améliorer la précision du traitement et la réduction de l'irradiation des organes critiques environnants. Le traitement est réalisé par la convergence " isotrope " d'une centaine d'orientation pour créer jusqu'à 1200 mini faisceaux dirigés sur la cible avec une précision sub-millimétrique. Cet ensemble est complété par une table de traitement montée sur un bras robotisé qui offre 6 degrés de liberté supplémentaires, permettant d'améliorer encore la précision du traitement et de lever d'éventuelles limitations. Grâce à son sous système SynchronyTM, le CyberKnifeTM est capable de traiter les tumeurs abdo-thoraciques, qui bougent avec la respiration en déplaçant dynamiquement le LINAC afin de compenser le mouvement respiro-induit. La forte dose utilisée dans ce genre de traitement hypofractionné, rend toute erreur même minimale inacceptable et impose une très grande précision géométrique, tout en assurant une précision dosimétrique maximale. Notre travail est consacrée à évaluer la qualité de traitement en termes des précisions géométrique et dosimétrique, pour les différents modes de suivi disponibles dans le système en statique, et en dynamique avec suivi respiratoire. Dans cette étude, nous avons utilisé différents types de détecteurs (chambres d'ionisation, films radiochromiques), et trois plateformes afin de simuler des simples mouvements respiratoires, des mouvements réels provenant des patients traités et enfin des mouvements complexes avec hystérésis. Les résultats obtenus montrent clairement la haute précision dosimétrique du système. Ceci est accompagné par une précision géométrique submillimétrique en mode statique. Cette précision géométrique se dégrade légèrement lors d'un traitement en mode dynamique avec suivi respiratoire par SynchronyTM, et surtout où les cycles respiratoires montrent une grande variation en amplitude, alors que la précision dosimétrique est conservée. La présence du mouvement d'hystérésis provoque plus de dégradation en précision géométrique par rapport à celle mesurée pour un mouvement respiratoire linéaire. L'utilisation du gamma index a montré une grande correspondance entre les distributions des doses prescrite et délivrée. En bref, le CyberKnifeTM remplit les performances annoncées par le constructeur, et il est fiable et capable de réaliser une radiochirurgie de haute qualité.

Dans les bassins versants reposant sur un socle géologique peu perméable et peu profond, les nappes superficielles de versant jouent un rôle prépondérant non seulement dans la genèse des débits mais également dans le transfert des solutés. Ces nappes, caractérisées par de fortes variations saisonnières des niveaux piézométriques, se développent dans un matériau aquifère constitué principalement de roche altérée et de matériaux non consolidés dont les propriétés hydrodynamiques restent peu étudiées. La connaissance du fonctionnement hydrologique et hydrochimique de ces systèmes, des processus qui déterminent les voies de transfert des solutés et leur temps de résidence dans le milieu, est essentielle en particulier dans un contexte où la recherche est de plus en plus sollicitée pour évaluer les effets de changements de pratiques agricoles sur les pollutions diffuses. Le travail présenté ici vise à comprendre les processus de transfert de solutés et de dénitrification dans les aquifères superficiels à partir de l'étude d'un aquifère d'un bassin versant élémentaire expérimental de l'ouest de la France, appartenant à l'ORE AgrHys. L'analyse repose sur les données acquises sur un dispositif instrumental original permettant un suivi spatial et temporel du niveau de la nappe et de sa composition chimique sur un versant. Les propriétés hydrodynamiques du matériau aquifère ont été étudiées au laboratoire et in situ, ce qui a permis de calibrer un modèle hydrologique à base physique et en 2D (développé avec le code Hydrus 2D) simulant de manière satisfaisante la dynamique saisonnière des niveaux piézométriques dans le versant. Les relations mises en évidence entre le cycle hydrologique et les variations intra-annuelles de la composition chimique, nous permettent de proposer un modèle conceptuel synthétisant les mécanismes mis en jeu dans le transfert d'un soluté conservatif dans la nappe. Une étude de la variabilité spatiale et temporelle de la composition isotopique de l'azote et de l'oxygène du nitrate n'a pas révélé la présence d'une dénitrification apparente dans l'aquifère. Enfin, un modèle de transport des solutés basé sur le modèle hydrologique calibré précédemment a permis de tester les hypothèses émises à partir des données expérimentales. La principale conclusion de ce travail est que les nappes superficielles de versant présentent une variabilité spatiale et temporelle importante, qui résulte de processus de mélange à partir de compartiments dont la contribution varie saisonnièrement. En période hivernale, la recharge rapide des nappes par des écoulements préférentiels joue un rôle important dans les variations de composition chimique de la partie supérieure de la nappe, ce que la plupart des modèles actuels ne permettent pas de prendre en compte.

Le mouillage dʼun gel présente un intérêt fondamental pour la physique, lʼindustrie mais aussi en biologie: lors, par exemple, de la migration en masse de bactéries Bacilus Subtilis sur des milieux de culture gélosés où celle-ci synthétise un puissant tensioactif appelée surfactine. Un dispositif de reconstruction optique a été mis au point afin de suivre l'évolution de la surface libre d'une goutte posée à la surface d'un gel d'agar. Une goutte contenant de la surfactine s'étale spontanément. Lorsqu'elle entame sa rétraction, un front de surfactant apparaît tout autour de ses bords et se propage selon une dynamique de croissance radiale en loi de puissance du temps. Nous obtenons des exposants d'étalement remarqueblement faibles. Des scénarios expliquant cette dynamique lente sont proposés. Cette dynamique présente une dépendance vis à vis de la concentration du gel en polymères mais aussi vis à vis de la physico-chimie du milieu employé, montrant ainsi le caractère non-universel de cet exposant pour des gels aux propriétés mécaniques identiques. Nous discutons des similitudes entre nos observations et le swarming de B.Subtilis, pour lequel la dynamique du front et la croissance dendritique semblent fortement corrélées. Etonnamment, nous observons une situation de mouillage partiel dans le cas d'une goutte d'eau déposée à la surface d'un gel qui est pourtant constitué jusqu'à 99,5% du même liquide. Nous mesurons une hystérésis de mouillage importante partiellement lié au caractère déformable.du substrat Les modèles existants échouent à décrire nos mesures, nous proposons un modèle tenant compte de la tension de surface du gel qui prédit mieux nos observations.