Cette thèse porte sur l'analyse mathématique de modèles de réaction-dispersion. L'objectif est de comprendre l'influence du terme de réaction, de l'opérateur de dispersion, et de la donnée initiale sur la propagation des solutions de ces équations. Nous nous sommes intéressés principalement à deux types d'équations de réaction-dispersion : les équations de réaction-diffusion où l'opérateur de dispersion différentielle est le laplacien et les équations intégro-différentielles pour lesquelles l'opérateur de dispersion est de type convolution. Dans le cadre des équations de réaction-diffusion en milieu homogène, nous proposons une nouvelle approche plus intuitive concernant les notions de fronts progressifs tirés et poussés. Cette nouvelle caractérisation nous a permis de mieux comprendre d'une part les mécanismes de propagation des fronts et d'autre part l'influence de l'effet Allee, correspondant à une diminution de la fertilité à faible densité, lors d'une colonisation. Ces résultats ont des conséquences importantes en génétique des populations. Dans le cadre des équations de réaction-diffusion en milieu hétérogène, nous avons montré sur un exemple précis comment la fragmentation du milieu modifie la vitesse de propagation des solutions. Enfin, dans le cadre des équations intégro-différentielles, nous avons montré que la nature sur- ou sous-exponentielle du noyau de dispersion $J$ modifie totalement la vitesse de propagation. Plus précisément, la présence de noyaux de dispersion à queue lourde ou à décroissance sous-exponentielle entraîne l'accélération des lignes de niveaux de la solution.

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. / Modern Municipal Solid Waste landfills require, in order to satisfy the environmental, sanitary and / or economical stakes, a controlled management of liquid and gaseous flows. This thesis work concerns the understanding and numerical modelling of fluid transfers considering especially various processes used during landfill site exploitation (liquid injection, liquid and gas recovery). For each of the three studied operational procedures, the major physical phenomena are identified as well as the time and space scales in order to define a simplified version of a general model. These choices aim at reducing the number of fitting parameters and at using mostly experimental characteristics. Particular attention is drawn towards the heterogeneous and deformable nature of waste material. The fine description of leachate injection requires a double medium description associated with a preferential flow model. The resulting flow behaviour makes difficult the increase in moisture content under gravitary conditions. For the pumping operation, the medium seems to have a homogeneous response. However, a specific hysteretic behaviour of the material is demonstrated. Finally, the consideration of waste deformability leads to the prediction of an original flow structure during the recovery of biogas.

Les mécanismes responsables du transport hydrodynamique anormal (non-Fickéen) peuvent être rattachés à la complexité de la géométrie du milieu à l'échelle des pores. Dans cette thèse, nous étudions la dynamique des vitesses de particules à l'échelle des pores. À l'aide de simulations de suivi de particules effectuées sur un échantillon numérisé de grès de Berea, nous présentons une analyse détaillée de l'évolution Lagrangienne et Eulérienne et de leur dépendance aux conditions initiales. Le long de leur ligne de courant, la vitesse des particules montre un signal intermittent complexe, alors que leur sériede vitesses spatiales présente des fluctuations régulières. La distribution spatiale des vitesses des particules converge rapidementvers l'état stationnaire. Ces résultats dénotent un processus Markovienqui permet de prédire les fluctuations de vitesse dans le réseau poral.Ces processus, associés à la tortuosité et à la distance de corrélation de vitesse permettent de paramétrer un modèle de marche aléatoire dans le temps (CTRW) et de réaliser le changement d’échelle pour simuler le transport à l’échelle de Darcy. Le modèle, comme tout modèle issu d’un changement d'échelle, repose sur la définition d'un volume élémentaire représentatif (VER). Nous montrons qu’un VER basé sur les statistiques de vitesse permet de définir un support pertinent pour la modélisation du transport hydrodynamique pré-asymptotique à asymptotique, et ainsi d’éviter les limitations associées à l’équation d’advection-dispersionFickéenne. Cette approche est utilisée pour étudier l’impact de l’hétérogénéité du réseau poral sur le volume de mélange et la masse du produit d’une réaction bimoléculaire. / The mechanisms responsible for anomalous (non-Fickian) hydrodynamictransport can be traced back to the complexity of the medium geometry atthe pore-scale. In this thesis, we investigate the dynamics of pore-scaleparticle velocities. Using particle tracking simulations performed on adigitized Berea sandstone sample, we present a detailed analysis of theevolution of the Lagrangian and Eulerian evolution and their dependenceon the initial conditions. The particles experience a complexintermittent temporal velocity signal along their streamline while theirspatial velocity series exhibit regular fluctuations. The spatialvelocity distribution of the particles converges quickly to thesteady-state. These results lead naturally to Markov processes for theprediction of these velocity series.These processes, together with the tortuosity and the velocitycorrelation distance that are properties of the medium, allow theparameterization of a continuous time random walk (CTRW) for theupscaling of the transport. The model, like any upscaled model, relieson the definition of a representative elementary volume (REV). We showthat an REV based on the velocity statistics allows defining a pertinentsupport for modeling pre-asymptotic to asymptotic hydrodynamictransport at Darcy scale using, for instance, CTRW, thus overcomingthe limitations associated with the Fickian advection dispersionequation. Finally, we investigate the impact of pore-scale heterogeneityon a bimolecular reaction and explore a methodology for the predictionof the mixing volume and the chemical mass produced.

Le présent travail est consacré à l'étude du comportement thermo-hydro-mécanique linéaire et non linéaire des roches poreuses de type argilites par approche de changement d'échelle. A partir des observations microstructurales de ces matériaux, un modèle conceptuel a été proposé. Dans ce modèle, le volume élémentaire représentatif du milieu hétérogène est composé d'une phase matricielle argileuse contenant des inclusions sphériques de minéraux de quartz et de calcite et des inclusions ellipsoïdales aplaties représentant l'espace poreux. Dans un premier temps, le procédé de la modélisation a été exploité par la détermination des propriétés effectives isotropes et isotrope transverses des argilites : la conductivité thermique et les propriétés thermo-hydro-mécanique croisées. En outre, de nombreuses études numériques ont mis en évidence l'influence de la morphologie de l'espace poreux, de la minéralogie et des schémas d'estimation sur les résultats prédictifs. Dans un deuxième temps, nous avons modélisé le comportement mécanique non linéaire (élasto-plastique, élasto-viscoplastique) des roches argileuses. La comparaison entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux disponibles (essai de compression triaxiale, essai de fluage) a confirmé la validation du modèle développé / The present work deals with the linear and non-linear thermo-hydro-mechanical behaviour of porous rocks such as the argillite by the multiscale modelling approach. Based on microstructure observations, a conceptual model was proposed. In this model, the representative elementary volume of a heterogeneous medium is composed of an argillaceous matrix containing spherical inclusions of minerals quartz and calcite and ellipsoidal inclusions representing the pore space. In a first step, the process of modelling has been exploited by determining the isotropic and transversely isotropic effective properties of the argillite: thermal conductivity and thermo-hydro-mechanical properties. Furthermore, many numerical studies have highlighted the influence of the morphology of the pore space, of the mineralogy and of the estimate schemes to the predictive results. In a second step, we modelled the non linear mechanical behaviour (elasto-plastic, elasto-viscoplastic) of argillaceous rocks. The comparison between numerical simulations and available experimental results (triaxial compression test, creep test) confirmed the validation of the model developed

Cette thèse porte sur l'analyse mathématique de modèles de réaction-dispersion de la forme [delta]tu=D(u) +f(x,u). L'objectif est de comprendre l'influence du terme de réaction f, de l'opérateur de dispersion D, et de la donnée initiale u0 sur la propagation des solutions de ces équations. Nous nous sommes intéressés principalement à deux types d'équations de réaction-dispersion : les équations de réaction-diffusion où l'opérateur de dispersion différentielle est D=[delta]2z et les équations intégro-différentielles pour lesquelles D est un opérateur de convolution, D(u)=J* u-u. Dans le cadre des équations de réaction-diffusion en milieu homogène, nous proposons une nouvelle approche plus intuitive concernant les notions de fronts progressifs tirés et poussés. Cette nouvelle caractérisation nous a permis de mieux comprendre d'une part les mécanismes de propagation des fronts et d'autre part l'influence de l'effet Allee, correspondant à une diminution de la fertilité à faible densité, lors d'une colonisation. Ces résultats ont des conséquences importantes en génétique des populations. Dans le cadre des équations de réaction-diffusion en milieu hétérogène, nous avons montré sur un exemple précis comment la fragmentation du milieu modifie la vitesse de propagation des solutions. Enfin, dans le cadre des équations intégro-différentielles, nous avons montré que la nature sur- ou sous-exponentielle du noyau de dispersion J modifie totalement la vitesse de propagation. / This thesis deals with the mathematical analysis of reaction-dispersion models of the form [delta]tu=D(u) +f(x,u). We investigate the influence of the reaction term f, the dispersal operator D and the initial datum u0 on the propagation of the solutions of these reaction-dispersion equations. We mainly focus on two types of equations: reaction-diffusion equations (D=[delta]2z and integro-differential equations (D is a convolution operator, D(u)=J* u-u). We first investigate the homogeneous reaction-diffusion equations. We provide a new and intuitive explanation of the notions of pushed and pulled traveling waves. This approach allows us to understand the inside dynamics the traveling fronts and the impact of the Allee effect, that is a low fertility at low density, during a colonisation. Our results also have important consequences in population genetics. In the more general and realistic framework of heterogeneous reaction-diffusion equations, we exhibit examples where the fragmentation of the media modifies the spreading speed of the solution. Finally, we investigate integro-differential equations and prove that emph{fat-tailed} dispersal kernels J, that is kernels which decay slower than any exponentially decaying function at infinity, lead to acceleration of the level sets of the solution u.

Les propriétés de transport linéaire et certaines lois de comportement non linéaires des milieux désordonnés sont étudiées à la lumière de progrès récents de la physique statistique des milieux hétérogènes. Une emphase particulière est mise sur les situations où les approches d'homogénéisation sont inapplicables dans la mesure où le concept même de volume élémentaire représentatif est pris en défaut. Nous utilisons en revanche les notions de point critique, de lois d'échelle, d'exposant critique, de fractals, et de structures auto-affinés à propos de nombreux modèles introduits et discutés. Sont successivement considérés, la théorie de la percolation de connexité et de forces centrales, la théorie des chemins minimaux, et finalement certains modèles de rupture fragile de milieux inhomogènes. Dans tous ces cas, le rôle joué par le désordre tant géométrique que dans les propriétés des constituants élémentaires, est souligné. Une place importante est réservée à une revue de nombreux résultats publiés dans la littérature ainsi qu'à des simulations numériques les concernant.

L'absorption d'une impulsion laser crée un échauffement localisé suivi d'une brusque dilatation. Dès lors, un champ acoustique de plusieurs dizaines de gigahertz peut être généré. Cette méthode optique sans contact et non destructive possède des applications en micro-électronique pour la caractérisation de structures nanométriques, mais également dans des domaines plus fondamentaux. Jusqu'à présent, la dimension latérale de la tache focale des impulsions laser était très grande devant l'épaisseur des films considérés. Dès lors, la génération était unidimensionnelle et seules des ondes acoustiques planes pouvaient être engendrées. Récemment, l'utilisation de sources laser focalisées a permis de générer par diffraction des champs acoustiques tridimensionnels (3D). <br /><br />Lorsque des impulsions d'une durée inférieure à la picoseconde sont employées dans les métaux, une approche macroscopique n'est plus suffisante. Il est alors nécessaire d'expliciter les évolutions microscopiques impliquées dans le processus de génération. Ainsi, une méthode semi-analytique basée sur un modèle à deux températures 3D est développée dans la première partie de ce mémoire afin de décrire les phénomènes électroniques. En se propageant, l'onde acoustique divergente module l'indice optique en temps et en espace par couplage élasto-optique. La propagation de la lumière est alors perturbée, et sa mesure permet de caractériser la propagation acoustique. Dans la seconde partie de ce mémoire, l'interaction 3D de l'impulsion laser gaussienne avec le champ acoustique diffracté est donc modélisée.

Ces travaux de thèse expérimentaux portent sur la propagation linéaire et non linéaire d'ultrasons en milieux aléatoires fortement hétérogènes. En régime non linéaire, nous étudions la transmission cohérente d'une onde de choc à travers deux milieux aléatoires hétérogènes modèles : une forêt de tiges métalliques immergées dans l'eau, et un gel bulleux. L'expérience montre que les effets de la non linéarité et de la diffusion multiple y sont découplés. Nous exploitons alors l'étendue spectrale de l'onde de choc incidente, pour mesurer l'atténuation et la vitesse de groupe de l'onde cohérente, sur un large intervalle de fréquences. En comparant nos mesures à une théorie linéaire de la diffusion, incluant des corrélations de paires entre centres diffuseurs, nous étendons son domaine de validité, et nous montrons par la même qu'une onde de choc constitue un bon outil de spectroscopie des milieux fortement hétérogènes. À l'aide du même dispositif expérimental, nous observons pour la première fois une coda ultrasonore transmise par un milieu bulleux. Dans un régime de propagation linéaire, nous exploitons la coda engendrée par la diffusion multiple pour mesurer les paramètres de transport des forêts de tiges métalliques immergées. Nous présentons des mesures impulsionnelles et résolues en fréquence de la constante de diffusion des ultrasons dans ces milieux. Ces dernières montrent tout l'intérêt d'étudier la coda, qui fournit des mesures mieux résolues que l'onde cohérente. Enfin, nous présentons les premières mesures résolues en fréquence de la vitesse de transport pour ces milieux modèles. Avec ces mesures, nous disposons maintenant d'un milieu hétérogène synthétique parfaitement caractérisé en régime linéaire.

L'électro-osmose, qui consiste à déplacer les constituants de la phase liquide dans un milieu poreux par l'application d'un champ électrique, intervient dans de nombreux domaines : géotechnique, dépollution des sols, biotechnologies... La partie I de ce mémoire propose une modélisation de l'électro-osmose en milieu poreux déformable. Elle conduit à l'écriture des dissipations et fait apparaître la contribution des phénomènes de transfert et de la mécanique à la production d'entropie. La partie II est consacrée à l'écriture d'une relation générale de transfert d'un électrolyte. Un banc expérimental d'électro-osmose a été réalisé pour examiner les couplages entre phénomènes hydraulique et électrique. Le matériau d'étude est le gel d'Agar, un gel diphasique souvent utilisé comme milieu modèle de tissus biologiques. La partie III concerne la prise en compte de la déformation du squelette solide et son couplage avec le transfert électro-osmotique. Certains aspects sont validés par des essais de consolidation oedométrique du gel d'Agar soumis à des sollicitations mécanique et électrique.

Ce travail de thèse porte sur la modélisation mathématique et la simulation numérique de la migration par gravité et capillarité du CO₂ supercritique injecté dans un site de séquestration géologique hétérogène. Les simulations sont réalisées à l'aide du code DuMux. Particulièrement, on s'intéresse à la mise à l'échelle, de l'échelle de la cellule à l'échelle du réservoir, d'un modèle d'écoulement diphasique CO₂ -saumure, au sein d'un milieu stratifié périodique constitué d'un réseau de barrières peu perméables horizontales, continues ou discontinues. La mise à l'échelle est effectuée par la méthode asymptotique à double échelle. Dans un premier temps, on considère le cas d'une colonne verticale parfaitement stratifiée. Un modèle homogénéisé est développé puis validé par simulation numérique pour différentes valeurs du nombre capillaire et du flux incident de CO₂ . La méthode d'homogénéisation est appliquée au cas d'un écoulement dans un milieu bidimensionnel constitué de strates discontinues. Par l'effet de gravité, le CO₂ s'accumule sous les strates peu perméables, ce qui conduit à un problème mathématique local non standard. Cette stratification est modélisée à l'aide de l'approche des courants de gravité. L'approche est étendue au cas des strates semi-perméables et en prenant en compte la capillarité. Le modèle mis à l'échelle est comparé à des simulations numériques effectuées pour différents types de strates, avec ou sans pression capillaire, et sa limite de validité est discutée pour chacun de ces cas. La dernière partie de la thèse est dédiée à l'étude des performances du code DuMux pour simuler par calcul parallèle l'injection et la migration de CO₂ dans des milieux hétérogènes tridimensionnels (milieu périodique stratifié, milieu fluviatile et milieu réservoir SPE10). / This work deals with the mathematical modeling and the numerical simulation of the migration under gravity and capillarity effects of the supercritical CO₂ injected into a geological heterogeneous sequestration site. The simulations are performed with the code DuMux. Particularly, we consider the upscaling, from the cell scale to the reservoir scale, of a two-phase (CO₂ -brine) flow model within a periodic stratified medium made up of horizontal low permeability barriers, continuous or discontinuous. The upscaling is done by the two-scale asymptotic method. First, we consider perfectly layered media. An homogenized model is developed and validated by numerical simulation for different values of capillary number and the incident flux of CO₂ . The homogenization method is then applied to the case of a two-dimensional medium made up of discontinuous layers. Due to the gravity effect, the CO₂ accumulates under the low permeability layers, which leads to a non-standard local mathematical problem. This stratification is modeled using the gravity current approach. This approach is then extended to the case of semi-permeable stratas taking into account the capillarity. The upscaled model is compared with numerical simulations for different types of layers, with or without capillary pressure, and its limit of validity is discussed in each of these cases. The final part of this thesis is devoted to the study of the parallel computing performances of the code DuMux to simulate the injection and migration of CO₂ in three-dimensional heterogeneous media (layered periodic media, fluvial media and reservoir model SPE 10).