L’altération des matériaux poreux est attribuée en grande partie aux sels présents en solution dans l’espace des pores. Ce phénomène d’altération est classiquement associé à la cristallisation des sels dissous via la notion de pression de cristallisation. Le phénomène de cristallisation est quant à lui souvent très directement lié aux écoulements ou aux variations de saturation dus à l’évaporation auquel est soumis le milieu poreux. Une meilleure compréhension des phénomènes d’altération passe donc par une compréhension du transport des ions lors de l’évaporation et notamment de l’évolution de leur concentration locale. Dans ce contexte, ce travail consiste à étudier expérimentalement et numériquement le transfert des ions en solution dans un milieu poreux hétérogène pour deux situations de référence : la situation de mèche et la situation de séchage. Dans le cas de la situation de mèche, le milieu poreux est alimenté de façon continue en solution saline au cours de l’évaporation. Le milieu poreux reste complètement saturé tout au long de l’évaporation. En revanche, la situation de séchage est caractérisée par la diminution progressive de la saturation en liquide au cours du temps. Le sel considéré est le chlorure de sodium, un sel très présent dans un grand nombre d’applications. L’accent est mis sur l’étude de l’effet d’hétérogénéités macroscopiques, c’est-à-dire des variations spatiales de porosité et/ou de perméabilité, sur la position et la dynamique des maximums de concentration en sel à la surface évaporative du milieu poreux pour les deux situations de référence précitées. Les maximums de concentration correspondent en effet aux lieux les plus probables de la cristallisation. La première partie de ce travail porte sur la situation de mèche. Les expériences et les simulations numériques montrent que les maximums de concentration en sel sont anticorrélés avec les maximums de porosité et/ou de perméabilité aux temps longs. Ainsi le sel se dépose à la surface du milieu le moins perméable et le moins poreux si l’évaporation est uniforme à la surface du milieu poreux. La deuxième partie de cette étude est dédiée à l’étude de la situation de séchage. On trouve l’inverse du cas de la situation de mèche, c’est-à-dire une corrélation directe des maximums de concentration avec les maximums de porosité et de perméabilités. Ceci s’explique par la désaturation préférentielle des zones à plus fortes porosités et à plus fortes perméabilités lors du séchage. Nous avons également étudié des situations où le flux d’évaporation était plus marqué en périphérie de l’échantillon, ce qui conduit notamment à l’apparition des efflorescences en forme d’anneau de fée. Notre étude a également mis en évidence un effet notable de sursaturation ainsi que la nécessité de prendre en compte dans l’analyse l’augmentation de la porosité près d’une paroi dans le cas des milieux poreux formés par des empilements de particules. / Alteration of porous media is often due to the salts solution present in the pore space. This phenomenon is typically associated with the crystallization process of dissolved salts in relation with the concept of crystallization pressure. The salt crystallization phenomenon is in turn very often directly related to the flows or the saturation variation resulting from evaporation. A better understanding of alteration process thus needs a better understanding of the ions transport during evaporation and of the local evolution of ions concentration. In this context, this work presents an experimental and numerical study of sodium chloride transport in heterogeneous porous media. Two basic situations are considered: namely drying and wicking-evaporation. In the evaporation-wicking situation the sample is in contact at its bottom with an aqueous solution and the medium remains fully saturated by the solution during evaporation. In drying the limiting surfaces of the porous sample are in contact with impervious walls or exposed to evaporation. Since there is no supply of liquid to compensate the evaporation in this case, the overall liquid saturation decreases during the drying process. The focus is on the impact of porosity and permeability heterogeneities on the ion concentration maxima at the evaporative surface of a porous medium for the two reference situations. The ion concentration maxima correspond to the incipient spots of crystallization. The first part is devoted to the evaporation-wicking situation. Experiments and numerical simulations show that the salt concentration maxima are anticorrelated with the maxima in porosity and / or permeability in the long time regime. As a result the salt crystallizes at the surface of the less permeable and less porous medium if the evaporation is uniform at the surface of porous medium. The second part is devoted to the study of the drying situation. The drying situation is markedly different from the evaporation-wicking situation. The ion concentration maxima correspond to regions of greatest porosity and / or permeability because of the preferential decrease in saturation in the region of largest porosity / permeability. This is exactly the contrary of the evaporation-wicking situation. We also studied situations where higher evaporation fluxes along the periphery of the evaporative surface lead to the formation of an efflorescence fairy ring. The study also reveals a quite significant supersaturation effect and the impact of porosity variations near the wall on the ion concentration distribution and the first time of crystallization when the porous medium is formed by a packing of particles.

Dans ce travail de thèse j'aborde d'un point de vue expérimental le rôle de l'hétérogénéité environnementale (spatiale et temporelle) comme moteur de diversification biologique. Il comporte une synthèse générale sur les principales thématiques abordées pendant ma thèse suivie d'une présentation des publications dérivées de mes propres recherches et de collaborations. Dans la synthèse je commence par présenter la biodiversité, je souligne l'importance d'étudier les conditions qui favorisent son émergence et son maintien pour mieux comprendre son organisation. Je présente le type de diversité biologique sur lequel se concentre mon travail ainsi que l'échelle d'organisation que j'ai considérée: la metacommunauté. J'évoque aussi l'intérêt croissant des écologistes pour prendre en considération les échelles évolutives dans les approches modernes des communautés. Plus loin, je présente l'évolution expérimentale comme l'outil qui m'a permis d'explorer les aspects écologiques et évolutifs du maintien et de l'émergence de la diversité en milieu hétérogène avant d'explorer certains de ces aspects théoriques. Pour finir, j'explore la relation diversité-fonctionnement comme une approche pour étudier les conséquences de l'actuel déclin de la biodiversité. Les trois premiers articles explorent différents aspects de la diversification de la bactérie Pseudomonas fluorescens SBW25 dans un environnement spatialement hétérogène (métacommunauté) après ~500 générations d'évolution. Les résultats des trois articles sont issus d'une même expérience d'évolution. Dans un premier article, j'ai exploré l'effet du niveau de dispersion sur la diversité régionale. Cette dernière s'est révélée maximale pour des niveaux de dispersion intermédiaires. Ce gradient de diversité à l'échelle régionale était lié avec une plus forte productivité résultant d'une meilleure complémentarité écologique. Dans le deuxième, j'ai mesuré la diversité à l'échelle locale (communautés) et j'ai montré une augmentation de la diversité pour des niveaux de dispersion intermédiaires (mass-effect) mais qui n'aboutit pas à une plus forte productivité. Cet article souligne l'importance de considérer l'échelle ainsi que les mécanismes de coexistence pour comprendre la relation entre diversité et fonctionnement des écosystèmes. Dans le troisième (en préparation) j'explore l'effet de la dispersion sur le patron d'adaptation locale. Les résultats préliminaires montrent qu'un patron d'adaptation locale n'est pas un résultat obligé de l'évolution en milieu spatialement hétérogène. Le niveau de dispersion semble modifier considérablement le patron d'adaptation avec une plus forte adaptation locale moyenne pour des niveaux de dispersion intermédiaire. Le quatrième article présente une nouvelle expérience d'évolution avec laquelle j'ai exploré le rôle du grain environnemental dans l'émergence et le maintien de la diversité dans un environnement temporellement fluctuant. Après ~300 générations d'évolution j'ai constaté que les traitements de grain intermédiaire présentaient la plus haute diversité. En temps que collaborateur j'ai également participé à la rédaction d'un article de revue sur le concept de spécialisation en écologie. Cet article inclut une synthèse des différentes définitions de ce concept ainsi que des méthodes pour la mesurer. Pour finir j'ai participé à la réalisation d'une expérience avec des bactéries marines Méditerranéennes visant à explorer la dynamique évolutive de la relation biodiversité-fonction dans des conditions favorisant soit la spécialisation écologique soit l'émergence de généralistes. Après 64 jours d'évolution, le résultat général est une relation positive entre productivité et richesse spécifique des assemblages. L'évolution de généralistes aboutit à une productivité moyenne plus forte que chez les spécialistes alors que la pente de la relation diversité –fonction est plus forte pour des spécialistes. / In this work I propose an experimental approach to the study of the impact of spatial and temporal environmental heterogeneity on biological diversification. It is composed of two main parts: first, a general review of the principal subjects I have explored during my thesis and then a presentation of the manuscripts from my own research and from different collaboration projects. In the synthesis I first present what is biological diversity (Biodiversity) and I underline the importance of considering the conditions to its emergence and maintenance in the understanding of its organization. I present the kind of diversity I'm interested in and the scale of organization I have considered: metacommunities. I also present the interest of current ecology research in including evolutionary processes on the modern concept of communities. Then, I present experimental evolution as a tool allowing the exploration of the ecological and evolutionary aspects of the maintenance and emergence of diversity in heterogeneous environments and I also present some of its theoretical aspects. Finally, I explore the biodiversity-ecosystem functioning relationship as a way to explore the consequences of diversity erosion. The first three manuscripts explore different aspects of a ~500 generation experiment of diversification of the bacteria Pseudomonnnas fluorescens SBW25 in a spatially heterogeneous environment (metacommunities). On the first manuscript, I have explored the effect of dispersal on regional diversity. The results show that diversity was maximal for intermediate dispersal levels. This gradient of diversity at the regional scale was positively related to a higher productivity as a result of higher ecological complementarity among genotypes. In a second article, I have measured the local diversity. The result was a higher increase in diversity at intermediate dispersal levels (mass-effect) but with no impact on productivity. This article underlines the importance of considering the mechanisms of coexistence when studying the diversity-ecosystem functioning relationship. Then, I present the preliminary results on the impact of dispersal on the pattern of local adaptation. The results show that a pattern of local adaptation is not an obligate outcome of evolution in spatially heterogeneous environments. Intermediate dispersal levels enhanced the emergence of local adaptation patterns. On a fourth article, I present the results of an experimental test of effect of the environmental grain on the emergence and maintenance of diversity in a temporally fluctuating environment by using Pseudomonas fluorescens SBW25. After ~300 generations of evolution, I have found that diversification was maximal at an intermediate environmental grain. I have also collaborated in the writing of a review about ecological specialization concept. This synthesis includes the different available definitions of ecological diversification and the different methods used to measure it. Finally, I have participated in an experiment using Mediterranean Sea bacteria exploring the dynamics of the diversity-ecosystem functioning relationship under too different selective scenarios favoring either specialization or the evolution of generalists. After 64 days of evolution, the result was a positive relationship between species richness and productivity for both specialists and generalists. Generalists performed better than specialists for any species richness level while the steepness of the relationship was higher for specialists.

Les Installations de Stockage des Déchets Non Dangereux modernes nécessitent pour satisfaire les enjeux environnementaux, sanitaire et / ou économiques une gestion contrôlée des effluents liquides et gazeux. Le travail réalisé dans cette thèse porte sur la compréhension et la modélisation numérique des phénomènes de transferts de fluides avec une attention particulière pour les différents procédés mis en oeuvre durant l'exploitation des sites (injection de liquide, récupération de liquide et gaz). Pour chacune des trois applications étudiées, les phénomènes physiques majeurs sont identifiés ainsi que les échelles de temps et d'espace associées de manière à pouvoir proposer des versions simplifiées d'un modèle général. Ceci permet en particulier de renseigner ces modèles par des données principalement expérimentales. Un attachement particulier est porté au caractère hétérogène et déformable du matériau déchet. La description fine de l'injection de lixiviat nécessite une description de type double milieu associée à un modèle d'écoulements préférentiels. Ce type d'écoulement est peu favorable à une augmentation de l'humidité du milieu en conditions gravitaires. Concernant le pompage, le milieu semble réagir comme un milieu homogène mais un comportement hystérétique spécifique au matériau est mis en évidence. Enfin, la prise en compte de la déformabilité du déchet conduit à la prédiction d'une structure d'écoulement originale lors du captage de biogaz.

La caractérisation et l’étude de l’homogénéisation temps réel d’un mélange de produits liquides ou solides présente une opération clé pour de nombreux domaines industriels.Dans le présent travail, nous proposons un modèle de capteur acoustique sphérique miniaturisé et autonome, adapté à des fonctions de caractérisations en ligne des milieux hétérogènes de différentes natures. Ce capteur a la possibilité d’être dispersé dans un système dynamique en constituant un réseau de capteurs géo-localisables permettant une cartographie des propriétés recherchées du milieu. Sa forme sphérique creuse nous offre la possibilité de loger une électronique programmable pour gérer son fonctionnement par unité ou dans un réseau de capteurs identifiés par codage.D’un point de vu mécanique, le résonateur proposé est assemblé à partir de deux demi-sphères faites d'un matériau approprié (Plexiglas dans le cadre de notre étude), le capteur est mis en résonance à l’aide d’un élément piézo-électrique déposé entre les deux demi-sphères ayant la forme d'un anneau.Après une validation expérimentale du système en adoptant le principe de la trilatération, une étude sur l’atténuation et la vitesse de propagation de l’onde acoustique a été effectuée dans différentes solutions à 35 °C; eau, glucose, huile de colza, lait, gel laitier et grain de caillé en suspension (différente taille). / The characterization and the study of real-time homogenization of a mixture of liquid and solid products present a key operation for many industrial sectors.In this work, we propose a model of spherical acoustic sensor miniaturized and autonomous adapted to different functions of characterization online of heterogeneous media of various kinds. This sensor has the ability to be dispersed in a dynamic system by creating a network of geo-localization for mapping desired properties of the medium. Its spherical hollow shape gives us the opportunity to accommodate a programmable electronic for managing its function as a unit or in a sensor network identified by coding.From a mechanical point of view, the proposed resonator is assembled from two hemi-spheres made of a suitable material (Plexiglas in our study), the sensor is brought into resonance by using an element piezoelectric introduced between the two hemi-spheres having the shape of a ring.After an experimental validation of the system by adopting the principle of trilateration, a mitigation study and propagation velocity of the acoustic wave was performed in different solutions at 35 ° C; water, glucose, rapeseed oil, milk, dairy and grain curd gel suspension (different sizes).

Ce travail de thèse traite de la relation entre les propriétés thermiques effectives de matériaux fibreux à base de bois d'une part et leur microstructure d'autre part. La technique de prise de moyenne est utilisée, dans le cadre général du non-équilibre thermique local, pour écrire les équations de transfert macroscopique de matériaux pouvant présenter une anisotropie locale de conductivité thermique (liée ici aux propriétés intrinsèques des fibres de bois) et exprimer le tenseur de conductivité thermique effective. Le modèle est renseigné par l'analyse quantitative d'images 3D de matériaux réels acquises par microtomographie X. Des outils issus de la morphologie mathématique sont mis en oeuvre pour caractériser finement la microstructure du réseau fibreux et en quantifier l'anisotropie locale et globale. Un volume élémentaire représentatif (VER) qui satisfait aux contraintes de la méthode de prise de moyenne peut être défini grâce à ces informations. Une méthode de segmentation basée sur un algorithme de squelettisation par amincissement homotopique est également développée afin d'identifier chaque fibre individuellement, ce qui permet d'accéder à de nombreux paramètres comme la longueur, la tortuosité ou encore le nombre de contacts. Le modèle thermique macroscopique développé ainsi que son implémentation numérique sont d'abord validés par une comparaison avec les prédictions théoriques dans des cas simples puis les valeurs des tenseurs de conductivité thermique effective, obtenus à partir des images de différents matériaux, sont finalement confrontés aux résultats expérimentaux.

Notion de volume élémentaire représentatif pour les matériaux hétérogènes : approche statistique et numérique.

Résumé non disponible

Cette thèse porte sur la dynamique de fronts de réaction-diffusion en présence de défauts localisés. Nous étudions des non-linéarités bistable et monostable pour lesquelles il existe des solutions exactes en milieu homogène. l'équation aux dérivées partielles est résolue numériquement et la solution est approchée en utilisant des solutions exactes. Parallèlement, nous développons une analyse en coordonnées collectives, position et largeur du front, basée sur des lois d'équilibre.Pour les deux non-linéarités, l'analyse approchée est en bon accord avec la solution numérique. Il est de plus possible de prédire l'arrêt du front dans le cas bistable. L'étude révèle des différences qualitatives entre les deux types de non linéarités. Elle montre l'importance des dimensions caractéristiques du défaut et du front. Enfin, elle fournit un modèle standardisé qui peut servir en théorie du contrôle ou pour la détermination de paramètres à partir de séries temporelles.

Cette thèse porte sur la dynamique de fronts de réaction-diffusion en présence de défauts localisés. Nous étudions des non-linéarités bistable et monostable pour lesquelles il existe des solutions exactes en milieu homogène. L'équation aux dérivées partielles est résolue numériquement et la solution est approchée en utilisant des solutions exactes. Parallèlement, nous développons une analyse en coordonnées collectives, position et largeur du front, basée sur des lois d'équilibre. Pour les deux non-linéarités, l'analyse approchée est en bon accord avec la solution numérique. Il est de plus possible de prédire l'arrêt du front dans le cas bistable. L'étude révèle des différences qualitatives entre les deux types de non linéarités. Elle montre l'importance des dimensions caractéristiques du défaut et du front. Enfin, elle fournit un modèle standardisé qui peut servir en théorie du contrôle ou pour la détermination de paramètres à partir de séries temporelles. / We study reaction-diffusion fronts in presence of a localized defect. We consider bistable and monostable nonlinearities for which exact solutions exist in the homogeneous case. The partial differential equation is solved numerically and the solution is fitted using these exact solutions. We also develop a collective coordinate analysis for the position and width of a front, based on balance laws. For both non linearities, the approximate analysis agrees well with the numerical solution. We cab predict the pinning of the front in the bistable case. The sudy reveals qualitative differences between the two nonlinearities. It shows the importance of the characteristic lenghts of the defect and the front. Finally it provides a reduced model, useful for control theory or for the determination of parameters from time-series.

La mesure des déplacements de surface liés â l'activité volcanique est une méthode très utilisée dans la surveillance et l'étude des volcans actifs. De nombreux modèles mécaniques ont été réalisés pour tenter de déduire la structure interne de ces données de déplacements, et notamment pour localiser les chambres magmatiques. Mais ils négligent tous le caractère fortement hétérogène et discontinu des édifices volcaniques. Un nouveau modèle permettant précisément l'étude des milieux hétérogènes et fracturés est utilisé. Son hypothèse de base est que l'édifice se comporte comme s'il était constitué d'un assemblage de blocs se déplaçant les uns par rapport aux autres. L'éruption très bien documentée du Mont St Helens (1980) sert de test pour cette méthode de blocs, en permettant de comparer déplacements calculés et déplacements mesurés. Quatre modèles bi-dimensionnels de ce volcan sont construits à partir d'une coupe géologique nord-sud. Chacun d'eux permet de tester l'effet d'un paramètre du modèle (géométrie, conditions aux limites, coefficient de frottement entre blocs, chemin de sollicitation). L'intrusion d'un dôme de lave à l'intérieur du flanc nord est simulée par l'application d'une montée en pression incrémentale puis les modèles sont soumis à une accélération horizontale simulant un séisme. Les résultats de cette modélisation mettent en évidence la dépendance des modes de déformation et de rupture vis à vis du coefficient de frottement entre les blocs. On obtient un assez bon accord avec les observations pour la plus faible des deux valeurs de ce coefficient testées (O.S). La rupture du flanc nord en grand glissement de terrain se produit aussi bien sous la seule influence de la montée en pression que sous pression et séisme combinés. Mais le second type de chargement donne un meilleur accord des résultats avec la réalité, et confirme ainsi qu'un séisme était bien à l'origine de l'éruption. Enfin, on discute, à la lumière de ces résultats, de la possibilité d'appréhender les structures internes et les mouvements du magma, à partir des mesures de déplacements de surface.