Les matériaux granulaires multiphasiques occupent une place très importante dans notre environnement qui suscitent un grand intérêt de nombreuses communautés scientifiques, notamment celles de la mécanique des sols ou de la géotechnique. Le caractère divisé permet les milieux granulaires multiphasiques d'avoir un comportement mécanique global qui trouve leur origine, leur distribution et interactions entre les phases de composition. Un modèle de couplage hydromécanique est présenté dans ce travail de thèse pour l'application à la modélisation microscopique des couplages hydromécaniques dans les matériaux granulaires saturés. Le modèle numérique est basé sur un couplage de la méthode des éléments discrets (DEM) avec une formulation en volumes finis, à l'échelle des pores (PFV), du problmème de l'écoulement d'un fluide visqueux incompressible. Le solide est modélisé comme un arrangement de particules sphériques avec des interactions de type élasto-plastique aux contacts solide-solide. On considère un écoulement de Stokes incompressible, en supposant que les forces inertielles sont négligeables par rapport aux forces visqueuses. La géométrie des pores et leur connectivité sont définies sur la base d'une triangulation régulière des sphères, qui aboutit à un maillage tétrahédrique. La définition des conductivités hydrauliques à l'échelle des pores est un point clef du modèle, qui se rapproche sur ce point à des modèles de type pore-network. Une importance particulière réside dans les lois d'interactions fluide-solide permettant de déterminer des forces de fluide appliquées sur chacune des particules, tout en assurant un coût de calcul acceptable pour la modélisation en trois dimensions avec plusieurs millieurs des particules. Des mesures de perméabilités sur des assemblages bidisperses de billes de verre sont présentées et comparées aux prédictions du modèle et aux formules empiriques/semi-empiriques dans la littérature, ce qui valide la définition de la conductivité locale et met en évidence le rôle de la distribution granulométrique et la porosité. Une approche numérique pour analyser l'interaction mécanique fluide-solide et les mécanismes d'érosion interne est finalement présentée. / Multiphase granular materials occupy a very important place in our environment that are of great interest to many scientific communities, including those of soil mechanics or geotechnical engineering. The divided nature allows multiphase granular media to have a global mechanical behaviour which originates from all component phases, their distribution and interactions. Acoupled hydromechanical model is presented in this work for the application to microscopic modeling of coupled hydromechanical in saturated granular materials. The numerical model uses a combination of the discrete element method (DEM) with a pore-scale finite volume (PFV) formulation of flow problem of an incompressible viscous fluid. The solid is modeled as an assembly of spherical particles, where contact interactions are governed by elasto-plasticrelations. Stokes flow is considered, assuming that inertial forces are small in comparison with viscous forces. Pore geometry and pore connections are defined locally through regular triangulation of spheres, from which a tetrahedral mesh arises. The definition of pore-scale hydraulic conductivities is a key aspect of this model. In this sense, the model is similar to a pore-network model. The emphasis of this model is, on one hand the microscopic description of the interaction between phases, with the determination of the forces applied on solid particles by the fluid, on the other hand, the model involves affordable computational costs, that allow the simulation of thousands of particles in three dimensional models. Permeability measurements on bidispersed glass beads are reported and compared with model predictions and empirical formulas/semi-empirical in the literature, validating the definition of local conductivities and bringing out the role of particle size distribution and porosity. A numerical approach to analyze the fluid-solid mechanical interaction and mechanisms of internal erosion is finally presented.

Avec l'explosion économique et démographique, le besoin en matériaux poreux tels que la nourriture, le bois ou la brique connait une croissance telle que leur commerce est très actif dans le monde entier. La déshydratation des milieux poreux étant l'une des plus importantes et stables méthodes pour leur préservation, il est parfois nécessaire d'utiliser cette méthode pour stocker, transporter et mieux utiliser ces matériaux. Depuis la Seconde Guerre Mondiale, il existe des méthodes de chauffage RF dans bien des domaines. Bien que beaucoup de nouvelles technologies de chauffage sont devenues extrêmement importantes du point de vue commercial et très largement utilisées, le chauffage RF est préféré aux autres moyens de chauffage pour plusieurs raisons: 1) le résultat est plus rapide, nécessitant un moindre temps pour atteindre la température désirée; 2) le chauffage radiofréquence peut être spatialement plus uniforme que les méthodes conventionnelles de chauffage; 3) le chauffage par radiofréquences peut être allumé ou éteint instantanément; 4) il est plus efficace pour un grand volume de nourriture; 5) l'investissement nécessaire est moindre, etc. Cependant on trouve très peu d'information sur le chauffage radiofréquence pour la déshydratation des matériaux poreux dans la littérature. Par conséquent, il est intéressant d'étudier les interactions entre les radiofréquences et les milieux poreux. Afin d'améliorer le taux d'énergie radiofréquence utilisé, cette thèse propose une cavité coaxiale pour étudier le cycle de chauffage radiofréquence d'une pomme de terre dans différents états : solide, liquide et gazeux. Dans un premier temps nous avons étudié les mécanismes de transport de masse et de chaleur dans le milieu poreux sans radiofréquence sur le modèle d'une brique 1D à l'aide d'un code Matlab. Les résultats de simulation ont été comparés qualitativement avec ceux du papier de référence. A partir de ce modèle, nous avons construit et simulé un modèle 2D axisymétrique avec le chauffage radiofréquence périodique d'une pomme de terre. L’équation de Landau et Lifshitz, Looyenga a été utilisées pour prédire le changement de permittivité effective dans la simulation car il est difficile d'obtenir une donnée précise pour un milieu poreux. La salinité de l'échantillon chauffé (qui est une caractéristique très importante) a été estimée. Les effets de différentes périodes, hauteurs de l'échantillon et puissances de la distribution en température ont été étudiés et analysés. Nous avons également mené des expériences similaires pour mesurer les changements de température durant le processus de chauffage. Tous les résultats de simulations sont comparés qualitativement avec les résultats mesurés. De même nous avons effectué des analyses de sensibilité et en avons conclu quelques suggestions concernant l'amélioration des effets du chauffage. A partir de ces suggestions, nous avons proposé un nouveau modèle de chauffage radiofréquence afin de s'affranchir des défauts du modèle précédent. / With the rapid growth of economic and population explosion, the demands for porous media such as foods, woods and bricks enlarge so wildly that their trades are busy around the world. To be stored, transported and utilized better, dehydration of porous media is necessary since drying is one of the most important and stable methods for preserving materials. After World War two, possible RF heating in many domains was suggested. Even though a lot of novel heating technologies have become extremely commercially important and been widely used, RF heating is preferred to the other heating means for several significant reasons: 1) it is rapid and requires less time to come up to the desired process temperature; 2) radio frequency heating may be relatively spatially more uniform than conventional heating; 3) radio frequency heating systems can be turned on or off instantly; 4) it is better for large, thick food; 5) it requires lower investment costs, and so on. However, little information on radio frequency heating for commercial drying of porous media is available in the published literature. Therefore, it will be interesting to research the interaction between RF and porous media. This thesis, to improve the use ratio of RF energy further, proposed a coaxial cell to research RF cycling heating potato with different phases: solid, liquid and gas. The mechanism of mass and heat transport in the porous media without RF energy was studied first by solving the governing equations of 1D brick model with Matlab codes. The calculated results compared qualitatively with those in the reference paper. Based on that model, an axisymmetric 2D model with periodically RF heating potato was built and simulated. Landau and Lifshitz, Looyenga equation was employed to predict the effective permittivity change in the simulation since it is difficult to get the accurate measurement data of porous media. The salinity of heated sample- a very important parameter of the mixing rule-was estimated. The effects of different process period, variation of height of sample and power on the temperature distributions were studied and analyzed. Corresponding experiments were also conducted to measure the temperature change during the heating process. All the simulated results compared qualitatively with the measured ones. Sensitivity analysis was also done and some suggestions on the improvement of heating effect were concluded. Based on the suggestions, a new RF heating model was proposed to overcome the drawbacks of our previous model.

Le CEA travaille sur des matériaux poreux – alvéolaires, composites, céramiques, etc. – et cherche à optimiser leurs propriétés pour des utilisations spécifiques. Ces matériaux, souvent composés de plusieurs constituants, ont en général une structure complexe avec une taille de pores de quelques dizaines de microns. Ils sont mis en oeuvre dans des systèmes de grande échelle, supérieure à leurs propres échelles caractéristiques, dans lesquels on les considère comme équivalents à des milieux homogènes, sans prendre en compte sa microstructure locale, pour simuler leur comportement dans leur environnement d’utilisation.Nous nous intéressons donc à la caractérisation des propriétés thermiques effectives de matériaux à microstructure hétérogène en cherchant à déterminer par méthode inverse en fonction de la température la diffusivité thermique qu’ils auraient s’ils étaient homogènes.L’identification de la diffusivité de matériaux poreux et/ou semi-transparents est rendue difficile par le couplage conducto-radiatif fort qui peut se développer rapidement dans ces milieux avec une augmentation de la température. Nous avons donc modélisé le transfert de chaleur couplé conducto-radiatif en fonction de la température au sein de matériaux poreux multiconstituants à partir de leur microstructure numérisée en voxels. Notre démarche consiste à nous appuyer sur la microstructure 3D obtenue par tomographie. Ces microstructures servent de support numérique à cette modélisation qui permet d’une part de simuler tout type d’expériences thermiques numériques – en particulier la méthode flash dont les résultats nous permettent de déduire la diffusivité thermique –, et d’autre part de reproduire le comportement thermique de ces échantillons dans leur condition d’utilisation. / The CEA works a great deal with porous materials – carbon composites, ceramics – and aims to optimize their properties for specific uses. These materials can be composed of several constituents and generally has a complex structure with pore size of several tens of micrometers. It is used in large-scale systems that are bigger than its own characteristic scale in which they are considered as equivalent to a homogeneous medium for the simulation of its behavior in its using environment without taking into account its local morphology. We are especially interested in the effective thermal diffusivity of heterogeneous materials that we estimate as a function of temperature with the help of an inverse method by considering they are homogeneous.The identification of the diffusivity of porous and/or semitransparent materials is made difficult because of the strong conducto-radiative coupling can quickly occur when the temperature increases. We have thus modeled the coupled conductive and radiative heat transfer as a function of the temperature within porous multiconstituent materials from their morphology discretized into a set of homogeneous voxels. We have developed a methodology that consists in starting from a 3D-microstructure of the studied materials obtained by tomography. The microstructures constitute the numerical support to this modeling that renders it possible, on the one hand, to simulate any kind of numerical thermal experiments, especially the flash method whose the results render it possible to estimate the thermal diffusivity, and on the other hand, to reproduce the thermal behavior of our materials in their using conditions.

Le présent manuscrit contribue à l’étude des écoulements liquides dans des milieux poreux artificiels, plus spécifiquement dans les cas où la matrice poreuse présente des gradients de perméabilité importants, par exemple dans un milieu stratifié ou fracturé. Nous étudions l’influence de tels milieux poreux hétérogènes sur différents types d’écoulements. Ce travail est principalement expérimental, mettant en oeuvre une technique optique non-intrusive appelée effet Christiansen. Cette méthode permet de déterminer quantitativement des distributions soit de température, soit de concentration au sein d’un milieu poreux. <p><p>Trois problèmes physiques sont étudiés: tout d’abord le problème de Horton-Rodgers-Lapwood qui est l’équivalent du très connu problème de Rayleigh-Bénard mais pour un milieu poreux, ensuite les phénomènes de dispersion hydrodynamique que l’on rencontre dans des écoulements multiphasiques. Cette dispersion hydrodynamique est essentiellement envisagée comme un processus macroscopique de diffusion, renforcé par rapport à la diffusion moléculaire que l’on rencontre en milieu fluide libre. Enfin, le troisième problème englobe les écoulements capillaires en milieux poreux en environnement de pesanteur réduite. Dans le cas d’écoulements immiscibles multiphasiques, il faut prendre en considération l’effet de la tension superficielle aux interfaces. Comme les effets capillaires sont partiellement masqués par les effets de pesanteur durant des expériences au sol, une étude précise des effets de mouillage dans ces écoulements en milieu poreux nécessite de les découpler au maximum des autres effets physiques. Un programme de recherche en microgravité a été réalisé, et un nouveau modèle mathématique qui prend en compte l’influence des forces capillaires a été élaboré dans le cadre d’une collaboration entre le Service de Chimie-Physique et le Prof. N.N. Smirnov du Département de Mécanique et de Mathématique de l’Université d’Etat de Moscou.<p><p><p>La structure de ce travail part du Chapitre 1, qui présente essentiellement les milieux poreux et leurs spécificités. Ce dernier introduit le formalisme et les concepts nécessaires au traitement des trois problèmes de recherche envisagés. Le Chapitre 2 présente ensuite une étude bibliographique du problème de Horton-Rodgers-Lapwood et des phénomènes de dispersion hydrodynamique en milieux poreux. Le Chapitre 3 est consacré à l’effet Christiansen. Le Chapitre 4 présente les dispositifs de laboratoire mis au point, ainsi qu’une compilation des résultats expérimentaux obtenus. Les problèmes d’écoulements capillaires sont exposés au Chapitre 5, étant donné que la technique expérimentale est différente de celle basée sur l’effet Christiansen. Ce Chapitre compare le nouveau modèle mathématique aux résultats des expériences menées en microgravité durant de nombreuses campagnes de vols paraboliques. Le Chapitre 6 referme ce travail par ses conclusions et perspectives. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse s'attache à la compréhension des phénomènes de couplages sismo-électromagnétiques survenant dans des milieux poreux contenant des fluides, ainsi qu'au développement de méthodes d'imagerie géophysique basées sur ces conversions. Deux axes de travail sont investigués. Le premier concerne le traitement des données sismo-électromagnétiques et notamment l'extraction des réponses interfaciales, qui peuvent renseigner sur le sous-sol en profondeur. Nous comparons l'impact de plusieurs méthodes de filtrage sur les amplitudes et les formes d'onde de ces réponses, dont une nouvelle technique de filtrage en domaine des curvelets, qui s'appuie sur les similarités entre les données sismiques et cosismiques. D'autre part, nous étendons la théorie de la propagation couplée des ondes sismiques et électromagnétiques à des milieux partiellement saturés pour le cas d'un mélange air/eau. Nous adaptons un programme de simulation numérique des ondes sismo-électromagnétiques à ces conditions. / This thesis aims to improve our understanding of seismo-electromagnetic coupling phenomena occuring in fluid-containing porous media and to develop geophysical imaging techniques based on conversions.Two areas of work are explored. The first encompasses seismoelectromagnetic data processing, especially the extraction of interface responses, which may provide information about the subsurface at depth. We compare the influence of several filtering techniques on the amplitudes and waveforms of the interface responses, among which a new filtering technique in the curvelet domain, taking advantage of the similarity between seismic and coseismic data. Furthermore, we extend the theory for the coupled propagation of seismic and electromagnetic waves here to partially saturated media for the case of a water/air mixture. We adapt a seismoelectromagnetic wave modelling program to these conditions.

Afin de mieux appréhender la multiplicité et la complexité des processus biogéochimiques enzône cotière, un modèle 2D dé- crivant l’évolution d’espèces biogéniques dans les sédiments per-méables des zones intertidales a été développé. Ce modèle couple l’hydrodynamique générée parla marée aux processus de transport-réaction d’espèces biogéochimiques. L’infiltration de la maréedans ce milieu poreux variablement saturé est modélisée par l’équation de Richards. Des méthodesnumériques nécessaires à la ré- solution des équations décrivant le couplage ont été mises en place,comme la méthode de stabilisation SUPG (Streamline Upwind Petrov Galerkin) et une méthodede capture de choc. Le site très dynamique de la plage du Truc-Vert (côte Atlantique) a été choisicomme terrain de référence en raison principalement d’études biogéochimiques disponibles. Lesparamètres d’entrée du modèle font appel d’une part à ces données de terrain (missions ANR PRO-TIDAL et MOBISEA) et d’autre part à des paramètres issus de la bibliographie. La validation dumodèle a été effectuée à partir de la comparaison avec deux cas test issus de la littérature, le pre-mier concernant l’hydrodynamique sous le forçage de la marée et le second concernant l’équationde transport-réaction. Une première version du modèle a été déclinée pour décrire l’évolution de laconcentration en silice en milieu poreux sous le forçage de la marée. Les flux de silice vers l’océanet le temps de résidence de la silice dans les sédiments perméables des plages ont été estimés. Aubout de quelques jours, on peut observer la formation d’une lentille de faible concentration en si-lice dans la partie supérieure de la zone intertidale, caractéristique du forçage de la marée. Nousavons également étudié les variations de la géométrie de cette lentille et du temps de résidencesous l’influence de différents paramètres, tel que la pente de la plage, la conductivité hydraulique,l’amplitude de la marée et le coefficient de dispersion. Une deuxième version du modèle décrit la dégradation de la matière organique, l’évolution des concentrations en oxygène, en nitrates,en phosphates. Ainsi nous disposons de la répartition spatio-temporelle des concentra- tions deces différentes espèces chimiques dans le sédiment. Aujourd’hui les problèmes environnementauxs’avèrent fondamentaux pour notre société et la compréhension des interactions sédiments-océanen est une étape essentielle. Ce modèle nous permet de mieux percevoir le rôle joué par la ma-rée et de quantifier les processus qu’elle induit dans les sédiments variablement saturés des plagessableuses. Ce modèle participe de façon significative à la compréhension des processus biogéochi-miques se déroulant dans ces environnements particulièrement complexes et permet la structurationdes campagnes de mesure. / For a better understanding of the complexity of the biogeochemical processes in coastal re-gion, a 2D model has been developed. This model couples hydrodynamic forcing generated bythe tide and the transport-reaction processes of biogeochemical species. Di- scharge of the tideinto the variably-saturated porous media is modelled by Richards equation. Some numerical me-thods are required for solving this kind of complex problem, as Streamline Upwind Petrov Galerkin(SUPG) method and shock capturing method. The highly dynamical site of the Truc-Vert beach hasbeen chosen as reference field, mainly because of avalaible biogeochemical and hydrodynamicalstudies. The input parameters of the model come from these field data (ANR PROTIDAL and MO-BISEA projects) and from the bibliography. The validation of the model was made in regards oftwo case studies from published hydrodynamic simu- lations under tidal forcing and from avaliabletransport-reaction solutions. A first version of the model has been declined to describe silicic acidevolution into porous media under tidal forcing. The flux of the silicic acid to the ocean and theresidence time of silicic acid into permeable sandy sediments were estimated. After some days, weobserve the formation of a lens of low silicic acid concen- tration in the upper part of the intertidalzone. This lens is the main imprint of the tidal forcing. We studied also variations of the lens geo-metry and the residence time under influence of model parameters, such as the beach slope, the tideamplitude and the dispersion coefficient. A second version of the model describes the organic mat-ter degradation , and simulates the concentrations of oxygen, nitrates and phosphates. The modelreproduces the spatial (2D) and temporal distribution of the concentration of these different che-mical species into the sediment. Nowadays environmental problems are fondamental for our societyand the understanding of the sediment-ocean interactions is a crucial step. The new model allowsus a better understanding of the tidal impact on biogeochemical processes in permeable sediments and offers a quantitative approach on biogeochemical processes that occur into variably-saturatedsandy sediments. The model also offers a useful tool to optimize sampling strategy for field studies.

La méthode de minimisation de l'intégrale d'action (principe variationnel) permet d’obtenir les équations de propagation des ondes. Cette méthode a été généralisée aux milieux poreux de dimensions fractales, pour étudier la propagation acoustique dans le domaine temporel, en se basant sur le modèle du fluide équivalent. L'équation obtenue réécrite dans le domaine fréquentiel représente une généralisation de l'équation d'Helmholtz. Dans le cadre du modèle d'Allard-Johnson, l'équation de propagation a été résolue de manière analytique dans le domaine temporel, dans les régimes des hautes et des basses fréquences. La résolution a été faite par la méthode de la transformée de Laplace, et a porté sur un milieu poreux semi-infini. Il a été trouvé que la vitesse de propagation dépend de la dimension fractale. Pour un matériau poreux fractal d'épaisseur finie qui reçoit une onde acoustique en incidence normale, les conditions d’Euler ont été utilisées pour déterminer les champs réfléchi et transmis. La résolution du problème direct a été faite dans le domaine temporel, par la méthode de la transformée de Laplace, et par l’usage des fonctions de Mittag-Leffler. Le problème inverse a été résolu par la méthode de minimisation aux sens des moindres carrés. Des tests ont été effectués avec succès sur des données expérimentales, en utilisant des programmes numériques développés à partir du formalisme établi dans cette thèse. La résolution du problème inverse a permis de retrouver les paramètres acoustiques de mousses poreuses, dans les régimes des hautes et des basses fréquences. / The action integral minimization method (variational principle) provides the wave propagation equations. This method has been generalized to fractal dimensional porous media to study the acoustic propagation in the time domain, based on the equivalent fluid model. The resulting equation rewritten in the frequency domain represents a generalization for the Helmholtz equation. As part of the Allard-Johnson model, the propagation equation was solved analytically in the time domain, for both high and low frequencies fields. The resolution was made by the method of the Laplace transform, and focused on a semi-infinite porous medium. It was found that the wave velocity depends on the fractal dimension.For a fractal porous material of finite thickness which receives an acoustic wave at normal incidence, the Euler conditions were used to determine the reflected and transmitted fields. The resolution of the direct problem was made in the time domain by the method of the Laplace transform, and through the use of the Mittag-Leffler functions. The inverse problem was solved by the method of minimizing the least squares sense. Tests have been performed successfully on experimental data; programs written from the formalism developed in this work have allowed finding the acoustic parameters of porous foams, in the fields of high and low frequencies.

La compréhension du transport et du dépôt bio-colloïdal dans un milieu poreux présente un grand intérêt dans les applications environnementales, en particulier pour le contrôle de la bio-remédiation des sols et la protection des ressources en eau souterraine. Afin de mieux évaluer et prévenir les risques de contamination de la nappe phréatique et de proposer des solutions adéquates de remédiation, il est nécessaire d’avoir une bonne compréhension des mécanismes qui contrôlent le transport et le dépôt des bactéries dans les milieux poreux saturés et non saturés. L’objectif des ces travaux de thèse est d’étudier le rôle de l’hétérogénéité physique du milieu poreux (distribution granulométrique, porosité…) et de l’hydrodynamique du milieu sur les mécanismes de transport et de dépôt de particules bio-colloïdales, tout en prenant en compte l’impact des propriétés de cellules bactériennes sur ces mécanismes. Des expériences de traçage et d’injection de suspensions bactériennes ont été menées à l’échelle de colonnes de laboratoire dans trois milieux poreux avec une porosité et une distribution de taille de pore distincte. Afin de caractériser l’écoulement dans les milieux poreux, un soluté non-réactif a été utilisé comme traceur de l’eau. Trois souches bactériennes ont été utilisées pour préparer les suspensions bactériennes : une bactérie mobile (Escherichia coli), et deux non mobiles (Klebsiella sp. et R. rhodochrous). La caractérisation des propriétés cellulaires (telles que la taille et la forme des cellules, le potentiel zêta, la motilité et l'hydrophobicité) a été effectuée pour chaque souche. Des simulations numériques ont été réalisées en utilisant le code de calcul HYDRUS-1D afin de modéliser l’écoulement et d’estimer les paramètres de transport et de dépôt des bactéries. Ces derniers ont été explorés afin d'identifier le mode de transport bactérien et les mécanismes physico-chimiques ou physiques impliqués dans le dépôt des bactéries. Des expériences supplémentaires à l'échelle des pores ont été réalisées à l'aide de dispositifs microfluidiques conçus à cet effet. Un calcul théorique des différentes interactions entre les bactéries et le milieu poreux aux interfaces air/eau/solide a été effectué pour compléter les résultats expérimentaux ainsi que ceux issus de la modélisation numérique. Ainsi, les énergies d’interactions telles que les forces de van der Waals, électrostatiques de double couche, hydrophobes, stériques, capillaires et hydrodynamiques, impliquées dans le dépôt de bactéries ont été calculées pour décrire les interactions bactéries-interfaces afin d'identifier leur impact relatif sur le dépôt physico-chimique et physique des bactéries. Les résultats expérimentaux et la modélisation numérique ont mis en évidence un écoulement non uniforme, dépendant de la taille des grains ainsi que de la distribution de la taille des pores du milieu poreux. Pour un milieu poreux donné, l’écoulement devient plus dispersif quand la teneur en eau du milieu diminue. Ceci est dû à l’augmentation de la tortuosité du milieu, du fait de la présence de l’air dans les pores. Le transport des bactéries diffère de celui du traceur de l’eau. Le dépôt bactérien a été fortement influencé par la géométrie du réseau poral du milieu, les propriétés cellulaires et le degré de saturation en eau. Le piégeage physique et physico-chimique sont des mécanismes qui doivent être pris en compte pour bien décrire le dépôt bactérien, mais leur importance sur les mécanismes de dépôt est étroitement liée aux propriétés du milieu poreux et des cellules. Ces travaux mettent en évidence l’effet simultané des propriétés cellulaires, des propriétés physiques (granulométrie et distribution de taille de pores) et de l'hydrodynamique du milieu poreux sur les mécanismes de transport et de dépôt bactérien. Le calcul des différentes énergies d’interaction a permis d’identifier leur importance sur les mécanismes de dépôt bactérien. / The investigation of the transport and retention of bacteria in porous media has a great practical importance in environmental applications, such as protection of the surface and groundwater supplies from contamination, risk assessment from microorganisms in groundwater, and soil bioremediation. The aim of this study is to gain a fundamental understanding of the mechanisms that control bacteria transport and deposition in saturated and unsaturated porous media. Laboratory tracer and bacteria transport experiments at Darcy scale were performed in three porous media with distinct pore size distribution in order to investigate and quantify water and bacteria transport process under steady state flow conditions. A conservative solute was used as water tracer to characterize water flow pathways through porous media. A gram negative, motile Escherichia coli, a gram negative, non-motile Klebsiella sp. and a gram positive, non-motile R. rhodochrous were selected for the transport experiments. Characterization of cell properties (such as cell size and shape, zeta potential, motility and hydrophobicity) was performed for each strain. Numerical simulations with HYDRUS-1D code were performed to characterize water flow and to estimate bacteria transport and deposition parameters. The later were explored to identify bacteria flow patterns and physicochemical or physical mechanisms involved in bacteria deposition. To provide a better understanding of the mechanisms involved on bacteria transport and deposition, pore scale experiments were carried out by using microfluidic devices, designed for this purpose. The information obtained from laboratory experiments and numerical modeling was improved by theoretical calculation of different interactions between bacteria and porous media at air/water/solid interfaces. DLVO and non-DLVO interactions such as hydrophobic, steric, capillary and hydrodynamic forces involved in bacteria deposition were considered to describe bacteria-interface interactions in order to identify their relative impact on physicochemical and physical deposition of bacteria. Results obtained through both laboratory experiments and numerical simulationsoutlined non-uniform flow pathways, which were dependent on both grain/pore size as well as pore size distribution of the porous media. For a given porous medium, water flow patterns became more non-uniform and dispersive with decreasing water saturation due to the presence of air phase, which lead to an increase of the tortuosity of the flow pathways under unsaturated conditions. Bacteria transport pathways were different from the tracer transport, due to size exclusion of bacteria from smaller pore spaces and bacteria motility. Bacteria deposition was greatly influenced by pore network geometry, cell properties and water saturation degree. Both physical straining and physicochemical attachment should be taken into account to well describe bacteria deposition, but their importance on bacteria deposition is closely linked to porous media and cell properties. The results obtained in this work highlighted the simultaneous role of cell properties, pore size distribution and hydrodynamics of the porous media on bacteria transport and deposition mechanisms. The calculation of DLVO and non-DLVO interactions showed that bacteria deposition in saturated and unsaturated porous media was influenced by both kinds of interactions.

Le travail de thèse présenté ici apporte des éléments de compréhension sur l'influence de la gestion de l'eau et de la gestion thermique d'une PEMFC sur ses performances électriques. Un modèle bidimensionnel représentant les transferts de matière et de chaleur dans l'épaisseur d'une cellule élémentaire et le long des canaux d'alimentation est mis en place. Une partie spécifique de l'étude concerne la modélisation microscopique des agglomérats réactionnels et l'influence de l'eau présente dans ces zones actives sur les performances électriques locales et globales de la pile. Dans l'optique de réaliser un modèle pouvant s'intégrer à un système de contrôle, les transports couplés de l'eau liquide et vapeur, de la chaleur et des charges sont résolus analytiquement. Quelles que soient les conditions de fonctionnement, le modèle permet de calculer quel est l'état interne de la pile en terme d'hydratation, de production de courant et de chaleur. Le diagnostic de l'état interne de la pile en fonction des conditions opératoires permet de connaître précisément comment adapter les paramètres d'alimentation de la pile pour obtenir des performances électriques optimales. Les distributions locales d'eau, de courant et de température sont présentées en fonction de la stratégie d'alimentation en gaz de la pile et de l'orientation du circuit de régulation thermique. Une partie consacrée au diagnostic de fonctionnement d'une pile illustre en quoi l'utilisation du modèle et la connaissance de l'état interne de la pile apporte des informations primordiales lors de l'utilisation d'une pile à combustible / The present work contributes to the understanding of water management and thermal management of a PEM fuel cell influences on the electrical performances. A bidimensional model representing mass and heat transfer in the cell thickness and along distribution channels is done. A specific part of the study concerns a microscopic representation of reactive agglomerates. This part presents the impact of the liquid water presence on local and global current densities. In te vein of integrating this model in a total fuel cell control system, simplifications have been done and coupled mass, heat and charge transfers are solved analytically. For any operating condition, the model gives a complete view of the hydric, thermal and electric inner situation of the cell. This diagnosis of the inner state of the cell leads to find the operating conditions giving to the optimal electric performances. Water, current and temperature distributions are presenting for different gas feeding strategies and different thermal management configurations. A specific part is dedicated to illustrate how this local diagnosis of the cell state can be used to estimate its global electric performances

Une modélisation numérique des ondes poroélastiques, décrites par le modèle de Biot, est proposée dans le domaine temporel. La dissipation visqueuse à l'intérieur des pores est décrite par le modèle de perméabilité dynamique de Johnson-Koplik-Dashen (JKD). Certains coefficients du modèle de Biot-JKD sont proportionnels à la racine carrée de la fréquence, introduisant dans le domaine temporel des dérivées fractionnaires décalées d'ordre 1/2, revenant à un produit de convolution. Basé sur une représentation diffusive, le produit de convolution est remplacé par un nombre fini de variables de mémoire satisfaisant une équation différentielle ordinaire locale en temps, menant au modèle de Biot-DA (diffusive approximation). Les propriétés des deux modèles sont analysées : hyperbolicité, décroissance de l'énergie, dispersion. On montre que la meilleure méthode de détermination des coefficients de l'approximation diffusive - quadratures de Gauss, optimisation linéaire ou non-linéaire sur la plage de fréquence d'intérêt - est l'optimisation non-linéaire. Une méthode de splitting est utilisée numériquement : la partie propagative est discrétisée par un schéma aux différences finies ADER d'ordre 4, et la partie diffusive est intégrée exactement. Les conditions de saut aux interfaces sont discrétisées avec une méthode d'interface immergée. Des simulations numériques sont présentées pour des milieux isotropes et isotropes transverses. Des comparaisons avec des solutions analytiques montrent l'efficacité et la précision de cette approche. Des simulations numériques en milieux complexes sont réalisées : influence de la porosité d'os spongieux, diffusion multiple en milieu aléatoire. / A time-domain numerical modeling of Biot poroelastic waves is proposed. The viscous dissipation in the pores is described using the dynamic permeability model of Johnson-Koplik-Dashen (JKD). Some of the coefficients in the Biot-JKD model are proportional to the square root of the frequency: in the time-domain, these coefficients introduce shifted fractional derivatives of order 1/2, involving a convolution product. Based on a diffusive representation, the convolution product is replaced by a finite number of memory variables that satisfy local-in-time ordinary differential equations, resulting in the Biot-DA (diffusive approximation). The properties of the two models are analyzed: hyperbolicity, decrease of energy, dispersion. To determine the coefficients of the diffusive approximation, different methods of quadrature are analyzed: Gaussian quadratures, linear or nonlinear optimization procedures in the frequency range of interest. The nonlinear optimization is shown to be the best way of determination. A splitting strategy is applied numerically: the propagative part is discretized using a fourth-order ADER scheme on a Cartesian grid, and the diffusive part is solved exactly. An immersed interface method is implemented to discretize the jump conditions at interfaces. Numerical experiments are presented for isotropic and transversely isotropic media. Comparisons with analytical solutions show the efficiency and the accuracy of this approach. Some numerical experiments are performed in complex media: influence of the porosity of a cancellous bone, multiple scattering across a set of random scatterers.