Les transferts d’humidité dans les matériaux de construction ont une influenceimportante sur leur durabilité et sur les performances hygriques et thermiques desbâtiments. De nombreux mécanismes d’endommagement chimiques et physiquesde ces matériaux sont en effet dus à l’infiltration d’eau. En conséquence, leur structureporeuse peut évoluer au cours du temps, et des fissures microscopiques commemacroscopiques peuvent s’y développer. La description des matériaux à l’échelle microscopiqueest cependant une source d’erreur importante dans les codes de simulationactuels des transferts d’humidité et de chaleur, notamment en raison du faitque lesmilieux sont considérés comme homogènes, et que les effets du vieillissementdes matériaux sont négligés. Il importe donc de trouver un moyen d’inclure les effetsde l’endommagement dans les simulations de transferts d’humidité et de chaleurà l’échelle du bâtiment. Des méthodes existent pour la prédiction du comportementde milieux soumis à des sollicitations hygriques et mécaniques, mais supposent quel’ensemble des facteurs extérieurs influant sur l’endommagement soient connus toutau long des simulations.Une nouvelleméthodologie est proposée ici pour compléter ces approches prédictives,en combinant des mesures expérimentales d’endommagement avec la simulationde transferts couplés d’humidité et de chaleur. Une étude préliminaire a d’abordété menée, consistant à mesurer la perméabilité vapeur équivalente d’éprouvettes demortier multi-fissurées. Cette démarche a permis d’identifier les besoins expérimentauxet numériques de la suite du travail, visant à modéliser les écoulements dans unréseau discret de fissures sur la base de leur caractérisation. Une méthodologie expérimentalecombinant corrélation d’images numériques et émissions acoustiques aensuite été développée, permettant de disposer de cartographies d’endommagementet de proposer une démarche pour lamesure de réseaux de fissures dans lesmatériauxde construction en place. La méthode optique, associée à une procédure de traitementd’images, a permis de disposer de données précises de la géométrie de réseauxde fissures. De plus, une méthode a été proposée pour permettre l’interprétation desmesures d’émissions acoustiques en termes de quantification, localisation et identificationdes phénomènes d’endommagement.Un code de simulation a ensuite été écrit, permettant d’intégrer ces mesures defissuration dans la modélisation des écoulements couplés d’humidité et de chaleuren milieu poreux. Ce modèle a été validé sur la base de mesures expérimentales : lacorrélation d’images numériques a été appliquée durant la fracturation d’éprouvettesde béton, dans lesquelles l’infiltration d’eau a ensuite été suivie par radiographie auxrayons X. Les résultats numériques obtenus sont en bonne conformité avec lesmesuresexpérimentales en termes de prédiction de la concentration d’eau en deux dimensions.Enfin, laméthodologie a été appliquée à une série de cas test, dans le but demodéliserles performances hygrothermiques de parois multi-couches, incluant des matériauxendommagés, soumises à des conditions climatiques réelles. On a ainsi pu estimer les conséquences potentielles de l’endommagement sur l’accumulation d’eau dans desparois, sur l’amplitude des cycles de sorption et de séchage, ainsi que sur les transfertsthermiques. / An importantmatter in the field of building physics is the questioning of how wellbuildings sustain ageing, and how their overall efficiency evolves over their lifetime.Many causes for degradation are carried by moisture transfer through these porousmaterials. Indeed, infiltratedwatermay transport chemicals, altermechanical properties,and cause freeze thaw damage or mould development. It may also affect thermalproperties and energetic efficiency, as well as the health and comfort of the occupants.The understanding of how moisture transfer properties evolve during the lifespan ofbuildingmaterials is however far fromcomplete. The pore structure of amaterial itselfmay change over time, or be altered by cracks and defects caused bymechanical loadingand aggravated bymoisture-induced degradation. All sizes of fracturesmay have astrong impact on heat and moisture flow in the building envelope, and their influenceis to be accounted for in any long-termperformance assessment, not only of buildingand building components,but of any built structure in general. A considerable amountof work has already been performed in order to allow predicting the hygrothermal behaviourof buildings over longer periods of time. However, an accurate prediction of allranges of damage in a building component, from microscopic to macroscopic cracks,supposes an extensive knowledge of all damage-inducing, time-varying boundary conditionsof the problem during the simulation time. This also implies high computationalcosts, as well as important needs formaterial characterisation.As a complement to these predictive methods, a new approach was undertaken,combining experimental characterisation of crack patterns and numerical simulationsof coupled heat and moisture transfer. First, a preliminary study was conducted, consistingof measurements of the water vapour permeability of diffusely damaged constructionmaterials.This allowed identifying the experimental and numerical requirementsof the remainder of the work, which aimed at providing measurements of fracturenetwork geometries for their explicitmodelling in heat andmoisture transfer simulations.Digital image correlation and acoustic emission monitoring were then performedduring the degradation of cementitiousmaterials, in order to obtain quantitativedata on crack pattern geometries, and to assess the possibilities for damagemonitoringat the building scale. The optical technique, along with an appropriate imageprocessing procedure, was found suitable for providing precisemeasurements of fracturenetworks. Amethodwas also proposed for the interpretation of acoustic emissionrecordings in terms of damage quantification, localisation and identification.Then, a newmodel for coupled heat andmoisturemodelling in cracked porousmediawas developed, that allows including such measurements of fracture patterns intoa finite element mesh, and simulating flow accordingly. This model was validated onthe basis of experimentalmeasurements: digital image correlationwas performed duringthe fracturing of concrete samples, in which moisture uptake was then monitoredusing X-ray radiography. A good accordance was found between experimental and numericalresults in terms of 2-dimensional moisture concentration distributions. The validated code was then used for the simulation of test cases, in order to assess the hygrothermalperformance of damagedmulti-layered building components subjected toreal climatic conditions. The consequences of fractures on themoisture accumulationin walls, on the amplitude of sorption/desorption cycles and on the thermal performance,were observed.

Cette thèse apporte des éléments de compréhension de la boucle basse fréquence des spectres d'impédance de PEMFC H2/air. Différentes expressions de l'impédance de transport de l'oxygène alternatives à l'élément de Warburg sont proposées. Elles prennent en compte des phénomènes de transport dans les directions perpendiculaire et parallèle à l'électrode qui sont habituellement négligés: convection à travers la GDL et le long du canal d'air, résistance protonique de la couche catalytique et appauvrissement en oxygène entre l'entrée et la sortie de la cellule. Une attention particulière est portée sur les oscillations de concentration induites par le signal de mesure qui se propagent le long du canal d'air. Ces différentes expressions de l'impédance de transport de l'oxygène sont utilisées dans un circuit électrique équivalent destiné à simuler l'impédance de la cellule. Une comparaison entre résultats expérimentaux et théoriques permet d'identifier les paramètres du circuit électrique. A partir de ces paramètres, il est possible d'analyser les mécanismes physiques et électro-chimiques qui se produisent dans la pile, ainsi que de tirer certaines conclusions sur les phénomènes de transport de l'oxygène dans les milieux poreux de la cathode. Pour cela, nous avons utilité des cellules segmentées et instrumentées conçues et fabriquées au laboratoire / The aim of this Ph.D thesis is to contribute to a better understanding of the low frequency loop in impedance spectra of H2/air fed PEMFC and to bring information about the main origin(s) of the oxygen transport impedance through the porous media of the cathode via locally resolved EIS. Different expressions of the oxygen transport impedance alternative to the one-dimensional finite Warburg element are proposed. They account for phenomena occurring in the directions perpendicular and parallel to the electrode plane that are not considered usually: convection through the GDL and along the channel, finite proton conduction in the catalyst layer, and oxygen depletion between the cathode inlet and outlet. A special interest is brought to the oxygen concentration oscillations induced by the AC measuring signal that propagate along the gas channel and to their impact on the local impedance downstream. These expressions of the oxygen transport impedance are used in an equivalent electrical circuit modeling the impedance of the whole cell. Experimental results are obtained with instrumented and segmented cells designed and built in our group. Their confrontation with numerical results allows to identify parameters characterizing the physical and electrochemical processes in the MEA

Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés des transports diphasiques au sein des couches de diffusions (Gas Diffusion Layer = GDL) des piles à combustible PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). La GDL est faite d'une structure fibreuse (dont l'épaisseur est de quelques centaines de micromètres) traitée généralement avec une matière hydrophobe. Des images numériques de la GDL réelle obtenues par tomographie X sont d'abord analysées afin d'étudier des propriétés telles que la porosité, la perméabilité, ou le tenseur de diffusion. L'écrasement de la GDL est ensuite simulé en utilisant un algorithme comprimant les fibres dans un plan transversal. Les transports diphasiques (invasion quasi statique d'eau liquide) sont modélisés dans des réseaux de pores, milieux représentatifs de l'espace poreux de la GDL, en relation avec le problème de la gestion de l'eau dans les piles PEMFC. Deux algorithmes d'invasion, dénommés algorithmes séquentiel et cinétique, sont développés et comparés pour analyser les distributions de phases au sein des GDL. Un point clé est que l'eau rentre dans la couche poreuse par divers points d'injection indépendants, conduisant à la possibilité de multiples points de percée. Des expériences sur un système microfluidique sont conduites pour valider les algorithmes utilisés. Une étude statistique est menée pour caractériser le nombre de points de percée, les profils de saturation, l'accès au gaz, le transport diffusif, de même que l'influence du piégeage et de la mouillabilité mixte. / This thesis is devoted to the study of transport properties and two-phase flow in the Gas Diffusion Layer (GDL) of Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC). A GDL is a thin fibrous structure (a few hundreds μm thick) treated generally with a hydrophobic agent. Numerical images obtained from X-ray computed tomography X are first exploited to study properties such as the porosity, permeability and diffusion tensors of a real GDL microstructure. The effect of GDL compression is also investigated using an algorithm mimicking the compression in GDL through plane direction. Then two phase flow (quasi-static water invasion) is studied in relation with the water management problem in PEMFC, using a structured pore network representation of the pore space. Two invasion algorithms, referred to as the sequential and the kinetic algorithm respectively, are developed and compared to study the fluid distributions within the GDL. A key point is that water enters the porous layer through multiple independent inlet injection points, leading to the possibility of many breakthrough points. Experiments are conducted on a microfluidic device to validate the algorithms. A numerical statistical study is performed to characterize the breakthrough point statistics, saturation profiles, gas access, diffusion transport as well as the influence of trapping and mixed wettability.

Les accidents graves résultant de la fusion d’un coeur de réacteur nucléaire doivent être anticipés pour améliorer l’efficacité de leur mitigation. De tels accidents sont survenus à TMI-2 (1979) et à Fukushima (2011). Suite à un accident de perte de refroidissement, l’échauffement du coeur et l’oxydation de la gaine de combustible suivie d’un renoyage (injection d’eau) peuvent entraîner l’effondrement des barres de combustible et la formation d’un lit de débris dans le coeur. La vapeur produite lors du renoyage peut activer l’oxydation exothermique du Zircaloy, entraînant la fusion partielle des matériaux. Cette évolution engendre des zones à porosité réduite limitant la pénétration de l’eau et/ou des zones imperméables. Dans cette situation, l’efficacité de l’injection d’eau dans le coeur pour arrêter la progression de la dégradation et empêcher la fusion du coeur du réacteur peut être considérablement réduite. Dans ce cadre, l’IRSN a lancé le programme PEARL visant à étudier la thermohydraulique du renoyage des lits de débris chauds entourés d’une zone plus perméable simulant la présence de zones intactes ou moins endommagées dans le coeur. Dans cette thèse, les expériences PEARL ont été modélisées et simulées avec ICARE/CATHARE pour évaluer l’évolution d’un renoyage d’un lit de débris surchauffé entouré d’un bypass de perméabilité plus grande. La thermohydraulique du processus a été analysée et l’effet de différents paramètres (géométrie, conditions aux limites) sur le comportement de renoyage a été évalué. Sous certaines conditions, l’entraînement de l’eau dans le bypass a été identifié et évalué. Un modèle analytique a été mis au point ensuite pour étudier de façon approfondie le renoyage d’un milieu poreux hétérogène surchauffé composé de deux lits de débris de perméabilité et de porosité différentes et pour décrire l’entraînement de l’eau dans le bypass. Ce modèle calcule les principales variables caractérisant le processus de renoyage, telles que la vitesse du front de trempe, le taux de conversion eau-vapeur et le débit d’eau entraîné dans le bypass.Il fournit de bons résultats qualitatifs et quantitatifs concernant la redistribution du débit d’eau par rapport aux résultats expérimentaux. Ce modèle a plusieurs avantages. Il est écrit sous une forme plutôt générale incluant les termes de correction de Forchheimer et les termes croisés non nuls dans l’équation de Darcy-Forchheimer généralisée. Les différentes options des équations de quantité de mouvement proposées, y compris les changements dans les corrélations et les lois de frottement interfacial, peuvent être testées facilement. La comparaison des calculs avec les résultats expérimentaux indique qu’il est nécessaire d’inclure une loi de frottement interfacial pour obtenir de bonnes prédictions. L’extrapolation à l’échelle du réacteur est simple et des calculs ont été effectués pour évaluer l’impact des paramètres géométriques du lit de débris (granulométrie, porosité, dimensions) ainsi que les conditions thermiques et hydrauliques (température, pression, débit d’injection). Ainsi, le modèle est très utile pour estimer le temps de trempe total et latempérature maximale qui pourraient être atteinte dans le lit de débris à grande échelle. Cela permet d’évaluer la probabilité de réussite du renoyage d’un lit de débris chauds formé lors d’un scénario accidentel hypothétique. / Severe accidents arising from the fusion of a nuclear reactor core must be anticipated to enhance the efficiency of their mitigation. Such accidents have occurred at TMI-2 (1979) and Fukushima (2011). Following a loss of coolant accident, core heating and oxidation of the fuel cladding followed by reflooding (injection of water) may lead to the collapse of fuel rods and formation of porous debris bed in the core. Steam produced upon reflooding may activate the exothermic oxidation of Zircaloy leading to partial melting of materials. Such evolution generates zones with reduced porosity limiting coolant penetration and/or impermeable blocked zones. In this situation, the efficiency of injecting water into the core to stop the progress of degradation and prevent the reactor core melting may be significantly reduced. In this scope, IRSN launched PEARL program to investigate the thermal hydraulics of reflooding of hot debris beds surrounded by a more permeable zone simulating the presence of intact or less damaged zones in the core. The PEARL experiments were modeled and simulated using ICARE/CATHARE code to assess the evolution of a bottom reflooding of a superheated debris bed surrounded by a bypass of larger permeability. The thermal hydraulics of the quenching process has been analyzed and the effect of each of the initial conditions on the reflooding behavior was assessed. The effect of pressure was investigated and related to the entrainment of injected water at quench front level into the bypass. An analytical model was then developed to investigate thoroughly the reflooding of a superheated heterogeneous porous medium, composed of two layers of contrasting permeability and porosity, and to describe the water entrainment in the bypass. This model computes the main variables characterizing the reflooding process such as quench front velocity, water-to-steam conversion ratio, and the flow rate of water entrained in the bypass. It provides good qualitative and quantitative results for the two-phase flow redistribution as compared to experimental results. This model has several advantages. It is written in a rather general form including the Forchheimer correction terms and non-zero cross-terms in the generalized Darcy-Forchheimer momentum equation. Variations of proposed momentum equations including changes in correlations andinterfacial friction laws can be tested easily and efficiently. Comparison of the calculations against experimental results indicated that it is necessary to include an interfacial friction law to obtain good predictions. This model allows performing fast evaluations of the efficiency of cooling bycomputing the fraction of the injected flow rate that participates in cooling. Upscaling to the reactor scale is straightforward and calculations were performed to assess the impact of geometric parameters of the debris bed (particle size, porosity, dimensions) as well as thermal hydraulic conditions (temperature, pressure, injection flow rate) on the reflooding process. Thus the model is very useful to estimate the total quenching time and the maximum temperature that could be reached by the hot debris bed at large scales. This allows assessing the probability of a successful quenching of a hot debris bed formed during a hypothetical accidental scenario.

La modélisation du transport réactif est utilisée dans de nombreuses applications énergétiques et environnementales liées aux écoulements souterrains. La modélisation de tels problèmes conduit à un système hautement non linéaire d'EDP couplées à des équations différentielles ordinaires ou algébriques. Deux types d'approches pour la résolution numérique des problèmes de transport réactif sont largement utilisés dans la littérature. L'une est l'approche de séparation des opérateurs qui consiste à découpler les problèmes d'écoulement et de transport réactif. Ces derniers sont résolus séquentiellement à chaque pas de temps. L'autre stratégie est basée sur une approche entièrement couplée dans laquelle le système entier est résolu simultanément. Le but de la thèse de doctorat est le développement d'un schéma implicite en volumes finis pour la modélisation numérique d'écoulements multicomposants monophasiques et diphasiques avec transport réactif en milieu poreux.Deux nouveaux modules de transport réactif seront implémentés dans DuMuX, un simulateur libre pour les problèmes d'écoulements et de transport dans les milieuw poreux. Des simulations numériques bi et tridimensionnels comprenant des benchmarks et du calcul haute performance, seront effectuées pour valider les modules. / Reactive transport modeling is used in many energy and environmental applications related to subsurface flows. Modeling such problems leads to a highly nonlinear system of PDEs coupled with algebraic or ODEs. Two types of approaches for the numerical solving of reactive transport problems are widely used in the literature. One is the operator-splitting approach which consists in splitting the flow and reactive transport problems. These latter are solved sequentially at each time step. The other strategy is based on the fully coupled approach in which the entire system is solved simultaneously. The goal of the PhD thesis is the development of a fully coupled fully implicit finite volume scheme for numerical modeling of single and two-phase multicomponent flows with reactive transport in porous media. New reactive transport modules will be implemented in DuMuX, a free and open-source simulator for flow and transport processes in porous media. Numerical simulations for 2D and 3D including benchmark tests and high performance computing will be performed to validate the modules.

En simulation dynamique des réservoirs, un des artéfacts les plus gênants pour la prédiction de production est l’effet de l’orientation du maillage. Bien que celui-ci soit « normal » pour tout schéma numérique, il se trouve amplifié par l’instabilité du modèle physique, ce qui a lieu lorsque le contraste de mobilités entre l’eau (fluide poussant, utilisé dans les procédés de récupération secondaires) et l’huile (fluide poussé, contenant les hydrocarbures) dépasse un certain seuil critique. On parle alors d’écoulements à rapport de mobilités défavorable. Connu depuis longtemps, ce problème a fait l'objet de nombreux travaux dans les années 1980 ayant abouti au schéma dit à neuf points. Actuellement implanté dans PumaFlow, logiciel développé et commercialisé par IFPEN, ce schéma fonctionne relativement bien en maillages carrés et dépend d’un paramètre scalaire dont le réglage varie selon les auteurs sur la base de considérations heuristiques. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle démarche méthodologique afin non seulement d’ajuster ce paramètre libre de manière optimale mais aussi de généraliser le schéma aux maillages rectangulaires. La stratégie que nous préconisons repose sur une analyse d’erreur du problème, à partir de laquelle il est possible de définir une notion d’erreur angulaire et de garantir que le comportement du schéma obtenu soit le « moins anisotrope » possible via une minimisation de son écart par rapport à un comportement idéal. Cette procédure de minimisation est ensuite appliquée à deux autres familles de schémas numériques~ : (1) un schéma multidimensionnel proposé par Kozdon, dans lequel le paramètre libre est une fonction~ ; (2) un autre schéma à neuf points faisant intervenir deux paramètres scalaires. C’est ce dernier qui réduit le mieux l’effet de l’orientation lorsque le rapport des pas de maillage s’éloigne de 1. Enfin, une extension de la méthode à des modèles physiques plus complets est envisagée. / In dynamic reservoir simulation, one of the most troublesome artifacts for the prediction of production is the grid orientation effect. Although this normally arises from any numerical scheme, it happens to be amplified by the instability of the physical model, which occurs when the mobility contrast between the water (pushing fluid, used in the processes of secondary recovery) and the oil (pushed fluid, containing the hydrocarbons) exceeds a some critical threshold. We then speak of flows with adverse mobility ratio. This GOE issue has received a lot of attention from the engineers. Numerous works dating back to the 1980s have resulted in the so-called nine-point scheme. Currently implemented in the IFPEN software PumaFlow, this scheme performs relatively well in square meshes and depends on a scalar parameter whose value varies from one author to another, on the grounds of heuristic considerations. In this thesis, we propose a new methodological approach in order not only to optimally adjust this free parameter, but also to extend the scheme to rectangular meshes. The strategy that we advocate is based on an error analysis of the problem, from which it is possible to define a notion of angular error and to guarantee that the behavior of the obtained scheme is the "least anisotropic" possible through a minimization of its deviation from some ideal behavior. This minimization procedure is then applied to two other families of numerical schemes: (1) a multidimensional scheme proposed by Kozdon, in which the free parameter is a function; (2) another nine-point scheme involving two scalar parameters. The latter provides the best results regarding GOE reduction when the ratio of the mesh steps is far away from 1. Finally, an extension of the method to more sophisticated physical models is envisaged.

L'ingénierie tissulaire intervient pour restaurer le tissu osseux. Parmi les traitements possibles, l'utilisation d'un bioréacteur à perfusion permet l'amplification in vitro de cellules souches ou osseuses prélevées chez le patient avant réimplantation. La contrainte de cisaillement générée par l'écoulement stimule mécaniquement les cellules et amplifie la production tissulaire. Cette technique souffre cependant de sa conception empirique et doit à présent être optimisée. L'objectif de cette thèse est l'étude et la modélisation de la croissance tissulaire et de la prolifération cellulaire à l'échelle du bioréacteur. En particulier, il s'agit de comprendre l'impact de l'écoulement sur la formation du tissu. Pour cela, une double approche de modélisation et d'expérimentation a été adoptée. Des expériences de culture cellulaire ont permis de mettre au jour la prolifération préférentielle des cellules près des parois du bioréacteur comme conséquence de l'hétérogénéité du support, et l'évolution de la morphologie du tissu. Un modèle prédisant le devenir des cellules ainsi que la croissance tissulaire à l'échelle du bioréacteur est proposé. L'aspect multi-échelles du problème est pris en considération et les procédures d'homogénéisation sont menées à bien grâce à la méthode de prise de moyenne volumique. / Bone tissue engineering aims at restoring bone tissues. Among the possible treatments, the use of a perfusion bioreactor allows the amplification in vitro of the patient bone or stem cells prior to implantation. The advantage of using such bioreactors is two-fold: in addition to greatly improving species transport, tissue production is enhanced. Although promising, this technique suffers from its empirical conception and now needs to be optimized. The purpose of this thesis is to study and model tissue growth and cell proliferation under a fluid flow of culture medium at the scale of the bioreactor. In particular, we wish to understand the impact of fluid flow on tissue formation. To this end, a double approach of experimentation and modeling has been adopted. Cell culture experiments in a perfusion bioreactor highlighted the preferential cell proliferation in the parietal region as a consequence of the heterogeneity of the scaffold, and the evolution of the tissue morphology. A model for predicting the cell's fate along with tissue growth at the scale of the bioreactor is proposed. The hierarchy of the system is considered and the upscaling procedures are carried out with the Volume Averaging Method.

Cette thèse se focalise sur les écoulements gaz-liquide dans un milieu poreux, problématique rencontrée dans des domaines variés allant de la physique fondamentale à la chimie appliquée. Nous avons caractérisé expérimentalement les régimes hydrodynamiques dans deux géométries différentes : un canal millifluidique (écoulement quasi-1D) et une cellule de Hele-Shaw (écoulement quasi-2D). L’originalité de ce travail est d’analyser l’effet du milieu poreux (lits de billes polydisperses ou mousses solides à cellules ouvertes), du confinement (1D/2D) et de la gravité en couplant des approches locales et globales développées dans les communautés de physique expérimentale et de génie chimique. D’une part, une analyse globale a permis de quantifier les pertes de charge [1] et, basée sur le transport d’un traceur fluorescent, les distributions de temps de séjour [2] et le transfert gaz-liquide dans l’expérience 1D ; d’autre part, une analyse locale de la fraction liquide et l’évolution spatio-temporelle de son contenu fréquentiel ont permis de mettre en évidence deux régimes hydrodynamiques dans le canal millifluidique [3-5] : un régime pseudo-Taylor, où les caractéristiques de l’écoulement périodique amont sont conservées, et un régime modulé, pour lequel l’écoulement se désorganise à l’entrée du milieu poreux. Un modèle phénoménologique basé sur la propagation des bulles dans le milieu est proposé, et rend compte de l’existence de ces deux régimes [4,5]. Enfin, ces deux analyses sont couplées pour étudier les écoulements dans la cellule de Hele-Shaw, et une analyse dimensionnelle de l’effet du confinement et de la gravité sur les écoulements gaz-liquide dans un milieu poreux est proposée.Références –[1] M. Serres, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Geophys. Res. Lett. (2017). [2] M. Serres, D. Schweich, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Chem. Eng. Sci. (2017).[3] M. Serres, R. Philippe & V. Vidal, Compte-rendus de la 19e Rencontre du Non-Linéaire, Eds. E. Falcon, M. Lefranc, F. Pétrélis & C.-T. Pham, Non-Linéaire Publications, 109-114 (2016).[4] M. Serres, M.-L. Zanota, R. Philippe & V. Vidal, Int. J. Multiphase Flow 85, 157-163 (2016).[5] M. Serres, T. Maison, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Int. J. Multiphase Flow (2017). / This thesis focuses on gas-liquid flow in porous media, a common problem encountered in various domains from fundamental physics to applied chemical engineering. We have characterized the hydrodynamic regimes based on two different experimental devices geometry: a millichannel (1D flow) and a Hele-Shaw cell (2D flow). The originality of this work is to analyze the influence of the porous medium (monodisperse micro-packed beds or open cell solid foams), confinement (1D/2D) and gravity by coupling global and local analysis from either chemical engineering or fundamental physics community. On the one hand, a global analysis made it possible to quantify pressure drops, residence time distributions (RTD) based on fluorescent dye transport and gas-liquid mass transfer on the 1D device. On the other hand, a local analysis of the liquid fraction and the spatio-temporal evolution of its frequency pointed out the existence of two hydrodynamic regimes: a Taylor-like regime in which the characteristics of the periodic flow upstream are conserved in the porous medium and a modulated regime characterized by the flow disorganization at the porous medium entrance. A phenomenological model is developed based on bubbles propagation inside the medium and reproduces well both regimes. These two analyses are finally coupled to study multiphase flows inside the Hele-Shaw cell. The effects of gravity and confinement are discussed.

Solides élastiques au repos, les fluides à seuil s’écoulent comme un liquide au-delà d’une certaine contrainte. Plusieurs applications industrielles concernent l’écoulement de ces fluides dans des milieux poreux. On peut citer par exemple les émulsions dans le processus de récupération du pétrole, les opérations de cimentation dans le sol, ou le nettoyage d’un sol contaminé par une boue. Pour ces applications, il est nécessaire de connaitre la pression nécessaire pour un débit voulu à la sortie du milieu poreux. Dans de tels cas, l’écoulement est perturbé par la complexité de la géométrie. Les modèles développés pour décrire la loi de Darcy supposent une loi rhéologique appliquée localement, mais ces modèles décrivent mal ce type d’écoulement. De plus, des effets complexes peuvent s’ajouter comme le glissement à la paroi ou la thixotropie. Dans cette thèse, nous étudions l’écoulement de carbopol (ETD 2050) à travers différentes géométries. Tout d’abord au rhéomètre, nous montrons que le fluide, sous certaines conditions, correspond bien à un fluide à seuil modèle. Nous démontrons que le protocole expérimental utilisé est très important et qu’un comportement thixotropique peut apparaitre s’il n’est pas respecté. Ce comportement apparait notamment lorsque le fluide reste sous le seuil, l’impact augmentant avec le temps d’attente. Ensuite, nous comparons la loi d’écoulement obtenue au rhéomètre à l’écoulement dans un canal droit obtenu par microfabrication. Nous montrons alors l’importance du glissement proche du seuil et ses conséquences sur la loi d’écoulement. Enfin nous étudions l’écoulement du carbopol dans un milieu poreux. Le milieu poreux de 5x5cm est obtenu par microfabrication. La largeur moyenne des canaux est égale à celle du canal droit. Nous avons développé une nouvelle méthode de mesure des champs de vitesse. Nous montrons l’apparition d’une chenalisation de l’écoulement à travers quelques canaux du milieu poreux. Nous comparons ensuite la loi d’écoulement du milieu poreux à celle obtenue dans le canal droit. On remarque que la vitesse d’écoulement est plus faible dans le milieu poreux que dans le canal droit. / Elastic solids at rest, yield stress fluids flow like a liquid beyond a certain stress. Many industrial applications required the flow of these fluids in porous media, for example: the emulsion flow in oil recovery processes, the cementing operations in the ground, or the cleaning of sludge in a contaminated soil. For many applications, it could be interesting to know the pressure required for a desired flow rate. In such cases, the flow behavior of the fluid is complicated by the complexity of the geometry. The models developed to describe Darcy's law assume a rheological law applied locally, but these models poorly describe this type of flow. Furthermore, complex effects can be added like the wall slip or the thixotropy. In this thesis, we study the flow of carbopol (ETD 2050) through different geometries. First we show that the fluid, for some conditions, corresponds to model yield stress fluids. The experimental protocol used is very important and a thixotropic behavior can appear if it is not respected. This behavior appears especially when the fluid remains below the yield stress, the impact increases with the waiting time. We then compare the flow law obtained by rheometer in a straight channel obtained by microfabrication. We show the importance of the wall slip near the yield stress and the impact on the flow law. Finally, using a new method to measure the velocity fields developed during this thesis, we study the flow of carbopol in a porous medium. This porous medium of 5x5cm is obtained by microfabrication. The mean width of the channels is equivalent to the one of the straight channel. We show the emergence of a channeling flow through some channels of the porous medium. We then compare the flow law of the porous medium to the one obtained in the straight channel. It can be observed that the flow rate is lower in the porous medium than in the straight channel.

La restauration des peintures d'art consiste à restaurer la lisibilité d'une œuvre d'art et à préserver son intégrité. La plupart des techniques consiste à déposer des solvants juste en surface afin de ne dissoudre que la couche de vernis. Cependant, les couches sous-jacentes risquent d'être endommagées par la pénétration de ces solvants, causant éventuellement un gonflement ou un craquèlement de ces dernières. Du fait de la complexité physico- chimique de la couche picturale, nous proposons d'étudier la pénétration de solvants dans un nanoporeux modèle issu du séchage contrôlé de dispersions aqueuses de nanoparticules de silice. Le séchage et la consolidation de ces dispersions colloïdales jusqu'à l'apparition de craquelures de séchage sont étudiés. La réflectivité de neutrons et la diffusion de neutrons aux petits angles permettent d'accéder à la structuration des systèmes en surface et en volume, respectivement, au cours du séchage. L’étude expérimentale des ouvertures de craquelures dues au séchage, associée à un modèle de poroélasticité que nous développons, renseigne sur les propriétés mécaniques des systèmes consolidés et du tableau « Jeanne d'Arc en prison » (1824) du peintre français Louis Crignier (1790-1824). La caractérisation du milieu poreux formé après la consolidation est réalisée par imagerie de neutrons et permet de déterminer la perméabilité et les porosités des milieux. Enfin, nous présentons la dynamique d'imprégnation d'une goutte sessile de solvant dans plusieurs milieux poreux, qui diffèrent de par leur taille de pores. Notre montage expérimental permet une quantification précise et directe des écoulements au-dessus et à l'intérieur du milieu poreux. Des mesures de propriétés mécaniques sont réalisées avant et après imprégnation par micro-indentation. / Art painting restoration aims to restore the readability of a painting and to preserve its integrity. Most of the techniques consist of depositing solvents on the surface of the painting to dissolve the varnish layer. However, the sublayers can be damaged by the penetration of the solvent, possibly resulting in swelling or cracking processes. Due to the physical and chemical complexity of the pictorial layer, we propose to study solvent penetration in model nano porous media obtained by controlled drying of aqueous silica nanoparticles dispersions. Drying and the consolidation process of these colloidal dispersions are studied until drying cracks appear. Neutron reflectivity and small angle neutron scattering provide structural information on particles near the interface between the dispersion and the air and in the bulk, respectively, during drying. The experimental study of drying cracks, associated to a poroelastic model, inform on mechanical properties of consolidated model systems and of the painting “Jeanne d'Arc en prison” (1824) by the French painter Louis Crignier (1790-1824). Characterization of the porous media obtained after consolidation is carried out with neutron imaging to determine the permeability and the porosities of the porous media. Finally, we present the dynamics of imbibition of sessile solvent drops on several porous media with different pore sizes. Our experimental set-up provides a precise and a direct quantification of the different flows outside and through the porous media. Mechanical properties are performed before and after solvent imbibition, by micro-indentation testing.