LES PROPRIETES THERMO-RADIATIVES DES MATERIAUX REVETENT UN CARACTERE PRIMORDIAL POUR L'ETUDE DES DISPOSITIFS D'ELABORATION A HAUTE TEMPERATURE (FOURS VERRIERS), POUR LA MODELISATION DE PROTECTIONS THERMIQUES (APPLICATIONS AEROSPATIALES) OU POUR LA MESURE DE LA TEMPERATURE PAR PYROMETRIE OU THERMOGRAPHIE INFRAROUGE. LES MATERIAUX TEXTURES COMPORTENT DANS LEUR VOLUME DES HETEROGENEITES (PORES, GRAINS) CAPABLES DE DIFFUSER LE RAYONNEMENT, ENTRAINANT AINSI UNE MODIFICATION DES PROPRIETES OPTIQUES. CE TRAVAIL EST AXE SUR LA MESURE ET LA MODELISATION DE L'EMISSIVITE SPECTRALE DE MATERIAUX DIELECTRIQUES SEMI-TRANSPARENTS ET POREUX. POUR CELA, NOUS AVONS DEVELOPPE, AUTOUR D'UN SPECTROMETRE INFRAROUGE, DES MOYENS EXPERIMENTAUX POUR LA MESURE DIRECTE DE L'EMISSIVITE SUR UNE LARGE GAMME DE TEMPERATURE (700-2500 K) ET DE FREQUENCE (10-12000 CM 1). LA TEMPERATURE EST MESUREE AU POINT DE CHRISTIANSEN, FREQUENCE POUR LAQUELLE TOUT DIELECTRIQUE POLAIRE SE COMPORTE COMME UN CORPS NOIR. LA COMPARAISON DES EMISSIVITES SPECTRALES DE MATERIAUX POREUX (CERAMIQUES D'ALUMINE, SILICES A BULLES) ET DES MILIEUX HOMOGENES ASSOCIES ONT PERMIS DE MONTRER L'INFLUENCE DE LA TEXTURE ET DE LA POROSITE. LA MODELISATION MET EN JEU UNE RECONSTRUCTION 3D HORS RESEAU D'UN MILIEU POREUX ET UNE SIMULATION DE MONTE CARLO PAR TRACER DE RAYON BASEE SUR LES LOIS DE L'OPTIQUE GEOMETRIQUE. BIEN QU'IL SOIT CONSTRUIT A PARTIR D'HYPOTHESES SIMPLES DE DIFFUSION DU RAYONNEMENT, CE MODELE REND COMPTE DU COMPORTEMENT EMISSIF DES CERAMIQUES D'ALUMINE MESURE EXPERIMENTALEMENT ET NOTAMMENT DE L'EXISTENCE D'UNE VALEUR CRITIQUE DE POROSITE, AU DELA DE LAQUELLE L'EMISSIVITE COMMENCE A DECROITRE. LES RESULTATS DE SIMULATION MONTRENT QUE LES PROPRIETES RADIATIVES DES MATERIAUX POREUX SONT INFLUENCEES PAR DEUX TYPES DE PARAMETRES. LES PARAMETRES CARACTERISANT LES PROPRIETES OPTIQUES DU MATERIAU HOMOGENE (N, K) ET CEUX DEFINISSANT LA GEOMETRIE DU MILIEU POREUX : LA TEXTURE ET L'EPAISSEUR.

L'objectif de cette thèse était de cerner l'effet de la rugosité sur l'écoulement et les transferts de chaleur. Nous avons mené des calculs numériques tridimensionnels afin de caractériser les interactions entre l'écoulement du liquide en simple phase et les éléments rugueux. Ces calculs ont révélé que l'écoulement dans la région rugueuse peut être modélisé comme bidimensionnel. Par conséquent, les calculs 2D ont été employés afin de déterminer le coefficient de traînée et le coefficient d'échange de chaleur. Ces résultats ont été utilisés dans un modèle unidimensionnel baptisé RLM développé parallèlement et basé sur la méthode des éléments discrets. Le coefficient de frottement dans un microcanal rugueux issu du modèle a été comparé aux résultats expérimentaux obtenus pour des microcanaux avec des rugosités de forme et de distribution contrôlées. Cette comparaison a montré un bon accord entre les deux approches. Ceci signifie que l'influence de la rugosité dans des microcanaux n'est pas changée par rapport à l'influence observée dans les conduits de taille conventionnelle. L'analyse des résultats a montré que l'influence de la rugosité dépend des paramètres géométriques caractéristiques locaux (porosité et fractionnement) lorsque la hauteur relative (k/0.5H) des éléments est inférieure à 0.5. Nous avons aussi montré la possibilité d'employer le modèle RLM afin de déterminer la performance thermique des échangeurs munis de micro-ailettes.

Les travaux de modélisation présentés dans cette thèse concernent l'étude du comportement thermo-hydro-mécanique des matériaux poreux à base de liant hydraulique tel que le béton, les Bétons à Hautes Performances ou plus généralement les matériaux cimentaires. Il s'agit d'exploiter le modèle Béton numérique, du code de calcul par éléments finis Symphonie, conjointement avec les techniques d'homogénéisation, pour l'obtention des lois de comportement macroscopique tirées des relations de passage Micro-Macro. Les échelles d'investigation, macroscopique et microscopique, ont été exploitées par simulation afin de permettre la compréhension fine du comportement des matériaux cimentaires face à des sollicitations d'origines thermique, hydrique et mécanique. La prise en compte de différentes échelles de la modélisation apparaît en effet nécessaire. En s'intéressant au comportement de la structure, nous sommes amenés à réduire l'échelle d'investigation pour étudier plus particulièrement le matériau. Les travaux de recherche présentés proposent une nouvelle approche pour l'identification du comportement multi-physique des matériaux par simulation numérique. En complément de l'approche purement expérimentale, basée sur des observations sur le corps d'épreuve et à des mesures des paramètres apparents à l'échelle macroscopique, cette nouvelle approche permet la compréhension fine des mécanismes élémentaires agissant au sein du matériau. Ces mécanismes élémentaires sont à l'origine de l'évolution des paramètres macroscopiques mesurés expérimentalement. Dans ce travail les coefficients de la loi de comportement thermo-poro-élastique des milieux poreux et la conductivité hydraulique équivalente ont été obtenus par une approche multi-échelles. Des applications ont été menées sur l'étude du comportement endommagé des matériaux cimentaires. A savoir, la détermination des tenseurs d'élasticité et de perméabilité d'un Béton Hautes Performances à hautes températures sous charge mécanique. Mais aussi, l'étude des déformations des matériaux cimentaires à basses températures. Les résultats obtenus ont été confrontés à des résultats expérimentaux. Dans ce travail, ces résultats ont aussi été analysés et discutés afin de proposer des perspectives dans le but d'améliorer l'approche pour simuler des comportements plus complexes.

Le thème de l'étude proposée concerne la modélisation du séchage d'un milieu poreux déformable saturé (solide-liquide). Cette modélisation tient compte de la nature du produit ainsi que de ses conditions initiales telles que la teneur en eau et la forme. L'objectif est de prévoir les contraintes mécaniques apparaissant au sein du matériau au cours du séchage, de contrôler la déformation du produit et sa teneur en eau. L'originalité de cette étude réside dans l'écriture du modèle de séchage avec la prise en compte du gradient de pression comme terme moteur réel du transport au travers de la loi de Darcy auquel s'ajoute l'hypothèse de compressibilité du liquide (loi d'état du liquide). Cette écriture présente l'avantage de ne pas recourir à un coefficient de transport effectif souvent identifié à partir d'expériences spécifiques et à terme de pouvoir relier le comportement d'un milieu supposé diphasique à un milieu triphasique (liquide, solide et gaz). Le système d'équations obtenu est issu d'une prise de moyenne volumique où le V.E.R est considérée déformable. La description physique du fort couplage hydromécanique qui existe au sein du matériau, tout au long du processus de séchage, est prise en compte au travers de la théorie de consolidation de Biot en adoptant la notion contraintes effectives de Terzaghi, les variables de couplage sont la vitesse de déformation du solide et la pression du liquide. La résolution numérique du modèle obtenu est effectuée par la méthode des éléments finis en grandes déformations et le changement d'espace Euler-Lagrange. Le modèle est validé pour un gel d'alumine à différentes conditions de séchage et l'étude de sensibilité montre la forte influence de la perméabilité du matériau comme de ses propriétés rhéologiques au cours de son séchage.

Ce travail s'inscrit dans la thématique classique en mécanique théorique de l'homogénéisation de milieux hétérogènes, dans le cadre notoirement problématique d'un contraste infini entre deux phases en présence (l'une étant la porosité du milieu), et d'un comportement non-linéaire, celui de la phase solide plastique. Il traite de la question d'une prise en compte correcte du phénomène de localisation de la déformation plastique en présence de porosité dans la loi de comportement effective du milieu poreux, en particulier dans la limite non-triviale des porosités faibles. Cette question, importante pour la bonne compréhension de l'endommagement ductile, est examinée tant d'un point de vue numérique que théorique, dans le cadre restreint de systèmes bi-dimensionnels, dans une approche en déformation de la plasticité. L'approche numérique utilise des calculs quasi-exacts des champs de contrainte et de déformation par méthode de Transformée de Fourier Rapide sur des systèmes périodiques (réseau de pores) ou aléatoires (désordre sans corrélations spatiales), menée au moyen d'une fonction de Green particulière. L'approche théorique repose sur des calculs exacts, possibles dans certain cas, ainsi que sur l'exploitation de méthodes d'homogénéisation non-linéaires récentes, dites « de second ordre ». La qualité de l'homogénéisation non-linéaire du milieu poreux est évaluée en deux étapes, d'abord au moyen d'une étude de l'homogénéisation linéaire anisotrope qui la sous-tend, puis de la mise en oeuvre non-linéaire proprement dite. La nature et la signification des singularités qui apparaissent dans la théorie, dans la limite des faibles porosités, confirmée par les calculs numériques, sont élucidées en partie. Enfin, des observations originales sur la relation entre l'organisation de la plasticité dans un milieu poreux aléatoire, et certaines caractéristiques de la courbe de déformation macroscopique sont présentées.

L'objectif de ce travail est d'obtenir, par homogénéisation périodique, des modèles macroscopiques de transfert hydrique dans les milieux poreux partiellement saturés à partir des équations de transfert de l'eau liquide et de vapeur d'eau écrites à une échelle microscopique. La dimensionnalisation des équations fait apparaître naturellement des nombres sans dimension caractérisant les problèmes de transfert hydriques dans les milieux partiellement saturés. Nous nous sommes intéressés à trois différents régimes de transfert (diffusion de vapeur prédominante, couplage diffusion/convection, convection de l'eau liquide prédominante). Pour chaque modèle homogénéisé, nous avons obtenu une expression différente du tenseur de diffusion hydrique homogénéisé. Nous avons ensuite calculé les tenseurs de diffusion hydrique homogénéisés obtenus dans les deux régions hygroscopique et super-hygroscopique, sur des géométries plus ou moins complexes décrivant la microstructure en 2D et 3D. Des comparaisons avec des valeurs expérimentales ont été ensuite effectuées. Pour finir, une résolution numérique de l'équation de transfert hydrique macroscopique homogénéisée a été effectuée en se basant sur les données expérimentales d'un béton BHP.

Le devenir des polluants dans les sols constitue un enjeu environnemental majeur. Dans ce travail, nous apportons une contribution à quelques méthodes numériques pour la simulation de l'écoulement et du transfert de polluants en milieu poreux variablement saturés. La propagation d'un contaminant dans les milieux souterrains dépend en premier lieu des caractéristiques de l'écoulement qui le transporte. Dans la première partie de ce travail, nous présentons la méthode des éléments finis mixtes hybrides pour la résolution de l'équation de Richards. Une procédure de condensation de la masse est proposée pour éviter l'apparition d'oscillations non physiques, notamment lors de la simulation de problèmes d'infiltration dans un milieu initialement sec.Dans la deuxième partie de ce travail, la méthode ELLAM (Eulerian-Lagrangian Localized Adjoint Method) est utilisée pour la modélisation du transport réactif en milieux fortement hétérogènes. En effet, les résultats obtenus pour le transport linéaire, décrit par l'équation d'advection-dispersion, avec les ELLAM sont très encourageants. La méthode ELLAM permet (i) de s'affranchir des contraintes de discrétisations spatiale ettemporelle imposées avec les méthodes eulériennes classiques, (ii) de conserver la masse et (iii) de traiter toutes les conditions aux limites. Par ailleurs, nous proposons une nouvelle formulation des ELLAM (C_ELLAM) permettant d'éviter les oscillations numériques et de limiter la diffusion numérique générées parla formulation standard.Dans la dernière partie, le code de calcul élaboré avec la formulation C_ELLAM est utilisé pour la caractérisation de la macrodispersion dans les milieux hétérogènes. Pour ce faire, il est indispensable de disposer d'outils de simulation précis et efficaces car cette étude est basée sur une méthode Monte Carlo nécessitant la réalisation d'un très grand nombre de simulations sur des grilles de calcul de l'ordre du million de mailles. Les résultats obtenus sont comparés avec une étude antérieure basée sur le Random WalkParticle Method.

Un modèle constitutif complètement couplé est présenté pour l'analyse rigoureuse de la déformation, de l'écoulement de fluides et de transfert de chaleur dans les milieux poreux saturés à double porosité soumis à des chargements thermo-hydro-mécaniques, y compris ceux induisant un non-équilibre thermique local. La phase solide contient deux cavités distinctes: le bloc poreux et le réseau des fissures. Les équations de champs sont obtenues à partir des équations de conservation de la masse, du mouvement et de l'énergie et sont résolues par une approche par élément finis. Le modèle est utilisé pour deux types d'applications: la stabilité d'un puits de forage stimulée thermiquement pour la récupération de pétrole et l'extraction de chaleur dans un réservoir géothermique fracturé. Les différences substantielles, particulièrement de la contrainte effective, soulignent l'influence majeure de la double porosité et du non-équilibre thermique pour prédire le comportement des milieux fracturés.

L'écoulement des fluides complexes à l'échelle micrométrique est une problématique qui intéresse notamment la récupération assistée du pétrole. Ici, les fluides sont des solutions de polymères et de tensioactifs capables de s'auto-assembler en micelles géantes. Nous étudions ces écoulements au sein d'outils microfluidiques fabriqués en résine SU-8 selon un protocole développé pendant cette thèse. Nous avons réalisé des expériences de drainage d'huile en milieux poreux et montré que la rhéofluidification et le glissement promeuvent le phénomène de digitation pendant l'invasion. Nos expériences montrent que ces solutions peuvent être élastiquement turbulentes à de faibles nombre de Reynolds. Ces instabilités de vitesse ont des conséquences sur la rhéologie locale du fluide dans un simple canal droit et sont une source de dissipation additionnelle dans des géométries plus complexes.

Une pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est un dispositif convertissant l’hydrogène en électricité grâce à une réaction électrochimique appelé électrolyse inverse. Comme chaque pile à combustible ou batterie, les PEMFC sont composées d’une série de couches. Nous nous intéressons à la couche de diffusion (GDL) du côté de la cathode. La GDL est constituée de fibres de carbone traitées pour être hydrophobes. Elle peut être vue comme un milieu poreux mince avec une taille moyenne de pores de quelques dizaines de microns. Une question clé dans ce système est la gestion de l'eau produite par la réaction. Dans ce contexte, le principal objectif de la thèse est le développement d'un outil numérique visant à simuler la formation de l'eau liquide dans la GDL. Une approche réseau de pores est utilisée. Nous nous concentrons sur un scénario où l’eau liquide se forme par condensation dans la GDL. Les comparaisons entre simulations et expériences effectuées grâce à un dispositif microfluidique bidimensionnel, sont d'abord présentées pour différentes conditions de mouillabilité, de distributions de température et d'humidité relative à l’entrée, afin de valider le modèle. Une étude de sensibilité est alors effectuée afin de mieux caractériser les paramètres contrôlant l'invasion de l'eau. Enfin, les simulations sont comparées à des distributions d’eau obtenues in-situ par micro-tomographie à rayons X, ainsi que des distributions expérimentales de la littérature obtenues par imagerie neutronique. / A Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a device converting hydrogen into electricity thanks to an electrochemical reaction called reverse electrolysis. Like every fuel cell or battery, PEMFCs are made of a series of layers. We are interested in the gas diffusion layer (GDL) on the cathode side. The GDL is made of carbon fibers treated hydrophobic. It can be seen as a thin porous medium with a mean pore size of few tens of microns. A key question in this system is the management of the water produced by the reaction. In this context, the main objective of the thesis is the development of a numerical tool aiming at simulating the liquid water formation within the GDL. A pore network approach is used. We concentrate on a scenario where liquid water forms in the GDL by condensation. Comparisons between simulations and experiments performed with a two-dimensional microfluidic device are first presented for different wettability conditions, temperature distributions and inlet relative humidity in order to validate the model. A sensitivity study is then performed to better characterize the parameters controlling the water invasion. Finally, simulations are compared with in situ experimental water distributions obtained by X-ray micro-tomography as well as with experimental distributions from the literature obtained by neutron imaging.