Cette étude permet d’adapter des matériaux composites thermoplastiques à fibres de bois aux engrenages, de fabriquer de nouvelles générations d’engrenages et de prédire le comportement thermique de ces engrenages. Après une large revue de la littérature sur les matériaux thermoplastiques (polyéthylène et polypropylène) renforcés par les fibres de bois (bouleau et tremble), sur la formulation et l’étude du comportement thermomécanique des engrenages en plastique-composite; une relation a été établie avec notre présente thèse de doctorat. En effet, beaucoup d’études sur la formulation et la caractérisation des matériaux composites à fibres de bois ont été déjà réalisées, mais aucune ne s’est intéressée à la fabrication des engrenages. Les différentes techniques de formulation tirées de la littérature ont facilité l’obtention d’un matériau composite ayant presque les mêmes propriétés que les matériaux plastiques (nylon, acétal…) utilisés dans la conception des engrenages. La formulation des matériaux thermoplastiques renforcés par les fibres de bois a été effectuée au Centre de recherche en matériaux lignocellulosiques (CRML) de l’Université du Québec à Trois-Rivières (UQTR), en collaboration avec le département de Génie Mécanique, en mélangeant les composites avec deux rouleaux sur une machine de type Thermotron-C.W. Brabender (modèle T-303, Allemand) ; puis des pièces ont été fabriquées par thermocompression. Les thermoplastiques utilisés dans le cadre de cette thèse sont le polypropylène (PP) et le polyéthylène haute densité (HDPE), avec comme renfort des fibres de bouleau et de tremble. À cause de l’incompatibilité entre la fibre de bois et le thermoplastique, un traitement chimique à l’aide d’un agent de couplage a été réalisé pour augmenter les propriétés mécaniques des matériaux composites. Pour les composites polypropylène/bois : • Les modules élastiques et les contraintes à la rupture en traction des composites PP/bouleau et PP/tremble évoluent linéairement en fonction du taux de fibres, avec ou sans agent de couplage (Maléate de polypropylène MAPP). De plus, l’adhérence entre les fibres de bois et le plastique est améliorée en utilisant seulement 3 % MAPP, entraînant donc une augmentation de la contrainte maximale bien qu’aucun effet significatif ne soit observé sur le module d’élasticité. • Les résultats obtenus montrent que, en général, les propriétés en traction des composites polypropylène/bouleau, polypropylène/tremble et polypropylène/bouleau/ tremble sont très semblables. Les composites plastique-bois (WPCs), en particulier ceux contenant 30 % et 40 % de fibres, ont des modules élastiques plus élevés que certains plastiques utilisés dans l’application des engrenages (ex. Nylon). Pour les composites polyéthylène/bois, avec 3%Maléate de polyéthylène (MAPE): • Tests de traction : le module élastique passe de 1.34 GPa à 4.19 GPa pour le composite HDPE/bouleau, alors qu’il passe de 1.34 GPa à 3.86 GPa pour le composite HDPE/tremble. La contrainte maximale passe de 22 MPa à 42.65 MPa pour le composite HDPE/bouleau, alors qu’elle passe de 22 MPa à 43.48 MPa pour le composite HDPE/tremble. • Tests de flexion : le module élastique passe de 1.04 GPa à 3.47 GPa pour le composite HDPE/bouleau et à 3.64 GPa pour le composite HDPE/tremble. La contrainte maximale passe de 23.90 MPa à 66.70 MPa pour le composite HDPE/bouleau, alors qu’elle passe à 59.51 MPa pour le composite HDPE/tremble. • Le coefficient de Poisson déterminé par impulsion acoustique est autour de 0.35 pour tous les composites HDPE/bois. • Le test de dégradation thermique TGA nous révèle que les matériaux composites présentent une stabilité thermique intermédiaire entre les fibres de bois et la matrice HDPE. • Le test de mouillabilité (angle de contact) révèle que l’ajout de fibres de bois ne diminue pas de façon significative les angles de contact avec de l’eau parce que les fibres de bois (bouleau ou tremble) semblent être enveloppées par la matrice sur la surface des composites, comme le montrent des images prises au microscope électronique à balayage MEB. • Le modèle de Lavengoof-Goettler prédit mieux le module élastique du composite thermoplastique/bois. • Le HDPE renforcé par 40 % de bouleau est mieux adapté pour la fabrication des engrenages, car le retrait est moins important lors du refroidissement au moulage. Afin de mieux prédire le comportement thermique des engrenages (30 dents dans cette thèse), les paramètres intrinsèques du matériau composite déterminés sont : • Module élastique E • Masse volumique ρ • Coefficient de Poisson υ • Conductibilité thermique k • Chaleur spécifique C • Coefficient d’amortissement tan δ Le test de DMA (analyse mécanique dynamique) nous révèle que le module de stockage E’ diminue avec la température, mais augmente avec le taux de fibres de bois. Le module de perte E’’ augmente à basse température, atteint un maximum, puis diminue à haute température, mais augmente aussi avec le taux de fibre de bois. Enfin, un dernier paramètre, le taux d’amortissent tan δ augmente avec la température, mais diminue en fonction du taux de fibres. Les essais expérimentaux sur les engrenages en composite HDPE/40%bouleau, désigné « GEAR40B » (Z1=Z2=30), donnent les résultats suivants : Le couple admis par les engrenages à une vitesse de 500 tr/min est 12.5 N.m. • À 500 tr/min, la température d’équilibre Tb augmente de 43.5 % (33.79 °C à 48.52 °C), alors qu’à 1000 tr/min, elle augmente de 50.71 % (35.45 °C à 53.43 °C). • Tb augmente de 5 %, 8 %, 9 % et 10 % respectivement pour les couples 2.5 N.m, 5 N.m, 7.5 N.m et 10 N.m quand on double la vitesse de rotation (500 tr/min à 1000 tr/min). • Tb diminue au fur à mesure qu’on s’éloigne du point de contact, en allant vers le centre de l’engrenage. Quant à la simulation thermomécanique avec MATLAB sur les engrenages « GEAR40B » (Z1=Z2=30), les résultats sont les suivants : • Les températures d’équilibre maximales sont sur le flanc chargé de l’engrenage. On observe une diminution de la température d’équilibre non seulement en allant vers le flanc non chargé, mais aussi en allant vers le centre de l’engrenage. • Tout comme dans le cas de la méthode expérimentale, la température d’équilibre moyenne Tb évolue linéairement indépendamment de la vitesse de rotation (500 tr/min ou 1000 tr/min) en fonction du couple appliqué. La simulation numérique semble mieux prédire la température d’équilibre à la vitesse de 500 tr/min; alors qu’à 1000 tr/min, on remarque une divergence du modèle. This study allows to adapt wood-plastic composites (WPCs) to gears, to create new gears generations and to predict the thermal behaviour of these gears. After a major review of the literature on thermoplastic materials (polyethylene and polypropylene) reinforced by wood fibers (birch and aspen), on the formulation and the thermomechanical behaviour study of composite plastic gears; a relationship has been established with our current PhD thesis. Indeed, many studies on the formulation and characterization of the WPCs have already been carried out, but none has focused on gears manufacturing. The various formulation techniques of the literature have facilitated the production of a composite material having almost the same characteristics as the plastic materials (nylon, acetal, etc.) used in the gears design. The WPCs formulation was carried out at the Research Center for Lignocellulosic Materials of the University of Quebec at Trois-Rivières (UQTR), in collaboration with the Department of Mechanical Engineering, by blending composites with two rolls of Thermotron-C.W. Brabender machine (German model T-303), then parts were made by thermocompression. Thermoplastics used in this thesis are polypropylene (PP) and high-density polyethylene (HDPE), with birch and aspen fiber as reinforcement. Because of the incompatibility between wood fiber and thermoplastic, a chemical treatment using a coupling agent has been performed to increase the mechanical properties of WPCs. For polypropylene/wood composites: • Elastic moduli and tensile strengths of PP/birch and PP/aspen composites evolve linearly with the rate of fibres, with or without coupling agent (maleated polypropylene, MAPP). In addition, the adhesion between the wood fibers and the plastic is improved using only 3% MAPP, thus resulting in an increase in the tensile strength although no significant effect is observed on the Elastic modulus. • The results obtained show that, in general, the tensile properties of the PP/birch, PP/aspen and PP/birch/aspen composites are very similar. WPCs, especially those containing 30% and 40% wood fibers, have higher elastic moduli than some plastics used for gears application (e.g. Nylon). For polyethylene/wood composites, with 3% Maleated polyethylene (MAPE): • Tensile tests: the elastic modulus increases from 1.34 GPa to 4.19 GPa for the HDPE/birch composite, while it goes from 1.34 GPa to 3.86 GPa for the HDPE/aspen composite. The tensile strength increased from 22 MPa to 42.65 MPa for the HDPE/birch composite, while it increased from 22 MPa to 43.48 MPa for the HDPE/aspen composite. • Flexural tests: the elastic modulus increases from 1.04 GPa to 3.47 GPa for the HDPE/birch composite and to 3.64 GPa for the HDPE/aspen composite. The flexural strength increases from 23.90 MPa to 66.70 MPa for the HDPE/birch composite, while it increases to 59.51 MPa for the HDPE/aspen composite. • The Poisson’s ratio determined by the acoustic pulse is around 0.35 for all HDPE/wood composites. • Thermal degradation (TGA) tests reveal that composite materials have intermediate thermal stability between wood fibers and the HDPE matrix. • The wettability test (contact angle) reveals that the addition of wood fibers (birch or aspen) does not significantly reduce contact angles with water because the wood fibers appear to be wrapped by the matrix on the surface of the composites, as shown by Scanning Electron Microscope (SEM) images. • The Lavengoof-Goettler model better predicts the elastic modulus of the WPCs. • HDPE reinforced with 40% birch is better suited for gear manufacturing, as shrinkage is less important during casting cooling. To better predict the thermal behaviour of gears (30 teeth in this thesis case), the intrinsic parameters of the determined composite materials are: • Elastic modulus E • Density ρ • Poisson’s ratio υ • Thermal conductivity k • Specific heat C • Damping factor tan δ A Dynamic Mechanical Analysis (DMA) test reveals that the storage module E’ decreases with temperature but increases with the rate of wood fibers. The loss module E'' increases at low temperature, reaches a maximum, then decreases at high temperature, but also increases with the rate of wood fibers. Finally, a last parameter, the damping factor tan δ increases with the temperature, but decreases according to the rate of fibers. The gears experimental tests made of HDPE/40% birch composite, designated « GEAR40B » (Z1 = Z2 = 30), give the following results: • The torque admitted by the gears at a speed of 500 revolutions per minutes (rpm) is 12.5 Newton metre (N.m). • At 500 rpm, the bulk temperature (equilibrium temperature )Tb increases by 43.5% (33.79 °C to 48.52 °C), while at 1000 rpm, it increases by 50.71% (35.45 °C to 53.43 °C). • Tb increases by 5%, 8%, 9% and 10% respectively for torques 2.5 N.m, 5 N.m, 7.5 N.m and 10 N.m when the rotation speed is doubled (500 rpm to 1000 rpm). • Tb decreases as one moves away from the point of contact, towards the center of the gear. For the thermomechanical simulation with MATLAB on the “GEAR40B” gears (Z1 = Z2 = 30), the results are as follows: • The maximal bulk temperature Tb are on the loaded side of the gear. A decrease of Tb is observed not only towards the unloaded side, but also towards the center of the gear. • As in the case of the experimental method, Tb evolves linearly regardless of the rotation speed (500 rpm or 1000 rpm) depending on the applied torque. Numerical simulation seems to better predict the bulk temperature at the speed of 500 rpm; while at 1000 rpm, there is a divergence of the model.

Le givrage atmosphérique a été la cause de beaucoup de dommages sur les réseaux de transport de l'énergie électrique. Le délestage naturel de la glace de câbles et de conducteurs a causé des pannes majeures sur ces réseaux. À titre d’exemple, on peut citer le « grand verglas » qui a frappé principalement Québec en 1998, causant des dommages considérables à la suite de l’accumulation et délestage de glace sur les lignes de haute tension. Pour éviter ou diminuer le risque d’occurrence de ce phénomène, il est nécessaire de connaître et de comprendre le comportement mécanique de la glace. En tant qu’exemple fondamental du comportement de déformation de la glace, on a choisi le cas de la glace isotrope polycristalline dans cette étude. Cependant, l'obtention d'une structure isotrope avec le moins de porosité possible pourrait être un problème majeur. Dans ce contexte, trois méthodes pour fabriquer de la glace isotrope en laboratoire ont été développées et utilisées. Ensuite, les propriétés structurelles (physiques) de la glace, comme la porosité et le degré d’anisotropie, ont été étudiées à l’aide d’échantillons fabriqués par ces trois méthodes. Par la suite, le comportement en déformation uniaxiale des échantillons obtenus à partir ces trois méthodes a été comparé et étudié. Après avoir choisi la méthode la plus appropriée de fabrication de l'échantillon, le comportement visqueux de la glace isotrope été analysé à partir d’essais de compression simples réalisés à différentes températures et vitesses de déformation axiale. Les études existantes réalisées sur le phénomène de déformation de la glace ne considèrent pas l’existence d’une déformation inélastique (permanente) indépendante du temps, comme on le voit dans d’autres matériaux, comme les métaux. Afin d’étudier la présence de cette déformation et de déterminer les autres parties de déformation de fluage, des essais de fluage sous le chargement de compression uniaxiale constant et avec plusieurs temps de chargement et de déchargement ont été réalisés à des températures de -5, -10 et -15 °C. Par la suite et dans un premier temps, la présence de déformation plastique indépendante du temps a été étudiée et été identifiée à chaque température. Ensuite, les paramètres des autres composantes de la déformation (élastique, viscoélastique et fluage primaire) ont été déterminés en fonction de la température. La contribution de chacune des composantes de la déformation (élastique, viscoélastique, plastique, fluage primaire et fluage secondaire) dans la déformation totale a été déterminée en fonction du temps pour différentes valeurs de température et de contrainte appliquée. Atmospheric icing is at the source of damage to overhead transmission lines of power networks. Natural ice load shedding off cables and conductors has caused major power outages during ice storms in Canada, like the major one that mainly hit Quebec in 1998. This widespread damage was caused by ice accumulation on the power network overhead lines. To avoid or reduce the risk of occurrence of this phenomenon, it is necessary to know and understand the mechanical behavior of the ice. As a fundamental subject on the deformation behavior of ice, the simple case of polycrystalline isotropic ice was chosen for this study. For this purpose, however, obtaining an isotropic structure with the least possible porosity could be a major problem. In this context, three methods for making isotropic ice on a laboratory scale have been developed and used. Then, the structural (physical) properties of the ice, such as the porosity and degree of anisotropy, were studied using samples made by these three methods. Subsequently, the uniaxial deformation behavior of the samples obtained from these methods was compared and studied. By selecting the most appropriate method of sample preparation, the viscous behavior of isotropic ice was analyzed from simple compression tests performed at different temperatures and axial strain rates. Then, the secondary creep strain parameters were determined. Existing studies on the ice deformation phenomenon do not consider an inelastic (permanent) strain with a time independent nature as seen in other materials such as metals. In order to investigate the presence of this strain and to determine the other creep strain parts, creep tests under constant uniaxial compression loading and with several loading and unloading times were carried out at temperatures of -5, -10 and -15 ° C. Subsequently, and in a first step, the presence of non-time-dependent plastic strain, which was identified at each temperature, was studied. Then, the parameters of the other strain components such as elastic, viscoelastic and primary creep were determined as a function of temperature. The contribution of each of the elastic, viscoelastic, plastic, primary and secondary creep strains as a function of time in the total strain were determined for different values of temperature and applied stress.

Fréquemment, les patients traités par ventilation mécanique développent des lésions pulmonaires graves pouvant entraîner une hypoxie ou dans le pire des cas une défaillance multisystémique. Cette thèse étudie sur un modèle animal la dynamique des déformations bronchiques et alvéolaires d'un poumon ventilé en pression positive, à l'état normal et après induction d'un œdème pulmonaire de perméabilité. A l'aide d'une technique d'imagerie en contraste de phase utilisant une source de rayon x synchrotron, des phénomènes de collapsus et de réaération alvéolaire ont été identifiées comme se produisant à des intervalles de temps court et malgré un mode ventilatoire à pression contrôlée. Nos résultats montrent que l'application d'une pression de fin d'expiration permet de réduire mais n'annihile pas les instabilités pulmonaires. Afin de tester différentes hypothèses mécanistiques, un modèle mathématique de la mécanique respiratoire saine et lésée a été implémenté dans une structure bronchique morphologiquement réaliste. Les résultats de cette simulation numérique suggèrent que le recrutement cyclique des alvéoles pulmonaires pourrait être dus à la conjonction de deux phénomènes : 1) le collapsus et la réaération sont des phénomènes dynamiques; 2) les alvéoles pulmonaires interagissent mécaniquement entre elles. Le comportement à court et à long terme du modèle exhibe une bonne corrélation avec les données expérimentales lorsque ces deux conditions sont réunies. Ce modèle représente un outil de simulation intéressant pour mettre au point et tester de nouveaux protocoles de ventilation mécanique, permettant de minimiser les phénomènes de recrutement cyclique des alvéoles pulmonaires / Patients treated with mechanical ventilation are exposed to lung damage leading to hypoxia or in the worst case multi organ failure. Using x-ray phase contrast synchrotron imaging of an animal model, we study the pulmonary micro-mechanic of the damage parenchyma. The relevance of the study lies in the characterisation of the dynamic of the alveoli and bronchi mechanic under constant pressure control ventilation. Thus, extent and magnitude of potential inflammatory regions were reported based on lung recruitment and derecruitment maps on each CT slice. It appears that lung instabilities remain non negligible despite the addition of a positive end expiratory pressure, which may explain the ineffectiveness of current protective ventilation protocols in intensive care units. One probable assumption is to consider one alveolus structural alteration as a consequence of shared stresses through the surrounding network of neighbouring alveoli. To support this hypothesis, a mathematical model mimicking injured lung ventilation was implemented in a realistic airway tree. The model short and long term behaviour shows a good correlation with experimental data, and provides a useful tool to evaluate new ventilation protocols

L'étude des schémas numériques pour les équations d'Euler compressibles est un préalable à la simulation d'écoulements visqueux par les équations de Navier-Stokes. Elle a été décomposée en trois étapes : l'étude des schémas existants, leurs fondements, qualités et défauts ; l'analyse de la propriété convoitée de positivité ; et l'étude de phénomènes encore mystérieux, consiférés comme pathologiques et nommé carbuncle. Dans la première partie, un regard critique mais constructif est porté sur la plupart de schémas décentrés : les schémas FVS, FDS, les méthodes intégrales ou hybrides. Des variantes sont proposées dans le but d'améliorer vees méthodes. Dans la seconde partie, une caractérisation théorique de la robustesse est détaillée, en particulier dans le cadre des schémas FVS : la positivité. Une condition nécessaire et suffisante est exhibée. Elle permet de démontrer la positivité des schémas de Steger et Warming et de deux formulations du schéma de van Leer. De plus, l'incompatibilité de cette propriété avec la résolution exacte des discontinuités de contact est démontrée pour les schémas FVS. Après une description du phénomène du carbuncle, la troisième partie est consacrée à une étude approfondie du comportement des schméas. Enfin, une analyse précise du caractère instable du phénomène sera fournie et comparée avec les résultats théoriques récents de Robinet (1999).

La maîtrise du comportement en cas de crash des structures en matériaux composites est une des difficultés qui accompagnent le développement industriel de ces structures. Le composite peut absorber de grandes quantités d'énergie si la structure s'écrase progressivement. Cette thèse vise à améliorer la compréhension des mécanismes de ruine mis en jeu dans ces fronts d’écrasements progressifs. Un montage expérimental innovant a été conçu. Il permet l'écrasement homogène, visualisé en direct, de plaques stratifiées. Une campagne expérimentale a permis d'obtenir une variété intéressante de mode de ruine. L'initiation, la stabilisation et les mécanismes d’absorption d'énergie dans les fronts d'écrasement sont analysés. Les relations entre chaque mode de ruine et l'influence des paramètres matériaux et expérimentaux sont expliquées. Une classification synthétique des modes de ruine est exposée. La modélisation numérique d’un front à l’échelle mésoscopique est proposée. Certains modes de ruine sont reproduits avec précision. Les mécanismes de ruine sont clairement identifiables et la contribution de chacun à l’absorption d’énergie est quantifiée. A key challenge for the industrial development of composite structures is to enhance its crashworthiness. Composites materials are known to absorb energy if they are crushed progressively. The aim of this thesis is to improve threw experimental and numerical study the understanding of the progressive crush mechanisms. An innovative crash test fixture has been designed in order to obtain real–time visualized homogeneous crush front on laminated plane specimens. An interesting variety of crush modes have been obtained by the experiments. Initiation, stability and energy absorption of the crush mechanisms are analysed. Connection between crush mode and influence of the material properties and experimental parameters are explained. A global classification of the crush mode is proposed. A finite element model of the crush front at mesoscopic scale is also developed. Some crush modes are simulated precisely. Crush mechanisms and their energy absorption contributions are clearly established.

Une nouvelle modélisation, écrite à l'échelle macroscopique, est proposée pour rendre compte de quelques spécificités essentielles du comportement mécanique non linéaire des matériaux microfissurés. L'attention est notamment portée ici à la description de l'anisotropie induite par le caractère orienté des microfissures et des effets unilatéraux liés à l'ouverture-fermeture de celles-ci. La microfissuration évolutive étant le seul mécanisme dissipatif considéré, l'endommagement du matériau est caractérisé au travers de la distribution en orientation des densités de microfissures. La construction du potentiel thermodynamique s'appuie quant à elle sur la physique du phénomène considéré et sur quelques considérations d'ordre micro-mécanique, notamment pour décrire la restitution des propriétés élastiques induite par la fermeture de défauts. Enfin, le formalisme complémentaire (évolution du dommage) est établi dans un cadre strictement standard à partir de l'expression de la dissipation.

Une nouvelle approche intitulée «Théorie Variationnelle des Rayons complexes est appliquée au calcul de vibrations forcées de plaques faiblement amorties dans le domaine des moyennes fréquences. Pour chaque fréquence de la bande considérée, la résolution d'un système linéaire de petite dimension donne les grandeurs effectives (énergie cinétique, intensité vibratoire) ; cette approche ne fait pas intervenir une discrétisation fine «éléments finis» de la structure. Le premier élément caractérisant cette approche est l'exploitation d'une nouvelle formulation variationnelle du problème à résoudre qui a été élaborée afin d'autoriser des approximations non compatibles, c'est à dire ne vérifiant pas a priori les conditions de transmission aux interfaces entre les sous-structures, tant en déplacement qu'en contrainte. Ces conditions sont contenues dans la formulation variationnelle. Le deuxième élément définissant cette approche est l'introduction d'approximations à fort contenu mécanique : la solution est supposée bien décrite localement au voisinage d'un point, comme la superposition de modes de vibration locaux en nombre infini. Ces modes de base, ou «rayons complexes», vérifient les lois de la dynamique.

L’objectif de cette étude a été de déterminer l'effet du verrouillage des vis sur la cicatrisation osseuse et sur la stabilité de l’ostéosynthèse effectuée par plaque LCP® équipée soit de vis verrouillées soit de vis corticales standard. Pour cela, des tibias ovins, présentant une perte de substance de 5 mm, qui constitue un modèle de fracture comminutive, ont été utilisés. Les propriétés biomécaniques des tibias ex vivo (flexion, torsion et compression) ainsi que les propriétés radiographiques, biomécaniques, histologiques et histomorphométriques des tibias ovins in vivo au cours de la cicatrisation osseuse, ont été comparées entre les 2 groupes de vis. Les différentes observations ont permis de conclure à un effet positif des vis verrouillées sur la vitesse et la qualité de la cicatrisation osseuse, par rapport aux vis standard. Il pourrait être lié à un environnement biomécanique et biologique plus favorable pour les montages verrouillés que pour les montages conventionnels.

Ce travail porte sur la compréhension des instabilités de sillage générées par des corps solides axisymétriques immergés dans un fluide newtonien incompressible, homogène et monophasique. La forme des objets est principalement cylindrique ; leur hauteur est toujours inférieure à leur diamètre. Des comparaisons sont effectuées avec le cas référent de la sphère solide. Deux contextes sont abordés : le cas fixe et le cas mobile. Le premier cas se penche sur la formation de structures tourbillonnaires en aval d'un obstacle fixe, dû à un écoulement incident uniforme et stationnaire. Le paramètre adimensionnel gouvernant la physique du problème est le nombre de Reynolds basé sur la vitesse incidente, la taille caractéristique de l'objet et la viscosité cinématique du fluide. La gamme balayée du nombre de Reynolds permet l'obtention des écoulements de Stokes jusqu'à la transition vers le chaos. Le second cas place le corps libre de se mouvoir dans un fluide visqueux au repos, sous l'effet de la gravité. Les paramètres pertinents, ici, seront le rapport des masses volumiques, le nombre d'Archimède (ou nombre de Galilée) tenant compte des effets de flottabilité, de la viscosité et des dimensions géométriques propres au corps. Les régimes hydrodynamiques observés correspondent à la même catégorie que ceux précédemment cités pour les corps fixes. L'outil utilisé pour approcher le sujet est la simulation numérique. Le code employé résout les équations de Navier-Stokes 3D instationnaires de manière directe avec, pour la partie dynamique, la résolution couplée des équations de Kirchhoff généralisées. Une étude mathématique, basée sur la théorie des formes normales, est développée pour aider à la cartographie des bifurcations rencontrées, ainsi qu'à la caractérisation des différents modes instationnaires.

The karstic cavity dissolution problems are often studied from a hierarchical point of view. Based on a discussion of the frequently adopted assumptions, a pore-scale model is first developed for a simple geochemistry scheme. The impact of implementing reactive or thermodynamic equilibrium boundary condition at the dissolving surface is discussed. Such a pore-scale model is subsequently used as a basis for developing models at higher scale levels. The first problem deals with transport from a heterogeneous and rough surface characterized by a mixed boundary condition. The resulting macro-scale model takes the form of an effective surface theory. In the homogenized model developed with the effective surface concept (denote ESCM), the original rough surface is replaced locally by a homogeneous and smooth surface, where effective boundary conditions are prescribed. To develop the concept of effective surface, a multi-domain decomposition approach is applied. In this framework the velocity, pressure and concentration are estimated at the micro-scale with an asymptotic expansion of deviation terms with respect to macro-scale velocity and concentration fields. Closure problems for the deviations are obtained and used to define the effective surface position and the corresponding boundary conditions. The evolution of some effective properties and the impact of surface geometry and some dimensionless numbers are investigated. A comparison between the numerical results obtained with this effective model and those from direct numerical simulations with the original rough surface shows good agreements. In the case corresponding to mass transport in porous media, upscaling is carried out with the method of volume averaging to develop a macro-scale porous medium model (denote PMM), starting from a pore-scale transport problem involving thermodynamic equilibrium or nonlinear reactive boundary conditions. A general expression to describe the macro-scale mass transport is obtained involving several effective parameters which are given by specific closure problems. The impact on the effective parameters of the fluid properties, in terms of pore-scale Péclet number (Pe), and the process chemical properties, in terms of pore-scale Damköhler number (Da) and reaction order (n), is studied for periodic stratified, 2D and 3D unit cells. An example of the application of the macro-scale model is presented with the emphasis on the potential impact of additional, non-traditional effective parameters appearing in the theoretical development on the improvement of the accuracy of the macro-scale model. The above developed PMM is also used as a Diffuse Interface Model (DIM) to describe the evolution of a gypsum cavity formation induced by dissolution. The method is based upon the assumption of a pseudo-component dissolving with a thermodynamic equilibrium boundary condition. A methodology is proposed in order to choose suitable parameters for the DIM model and hence predict the correct dissolution fluxes and surface recession velocity. Additional simulations are performed to check which type of momentum balance equation should be used. Calculations with a variable density and Boussinesq approximation were also performed to evaluate the potential for natural convection. The results showed that the impact of density driven flows were negligible in the cases under investigation. The potential of the methodology is illustrated on two large-scale configurations: one corresponding to a gypsum lens contained within a porous rock layer and the other to an isolated pillar in a flooded gypsum quarry. Geomechanical consequences of the dissolution in terms of mechanical stability is evaluated with the help of a simplified geomechanical model. A final case is also studied in which gypsum is replaced by salt to show the applicability of the proposed methodology to a rapidly dissolving material