Pour ce travail, nous utilisons un micromodèle à haute complexité et à structure fixe pour faire une série d’expériences en variant la vitesse d’injection, la qualité de la mousse, les distributions de taille de bulles d’injection, et la méthode d’injection. Nous mettons en œuvre un suivi individuel de bulles pour associer les propriétés d’écoulement aux propriétés de taille de bulles ainsi que les caractéristiques structurelles du milieu poreux. Nous proposons de nouveaux outils pour décrire l’écoulement d’un point de vue global et local de différentes manières. Nous établissons des comportements spécifiques à chaque taille de bulle, en montrant que les bulles des mousses piégées sont plus probables d’être de taille inférieure aux tailles de bulles moyennes, alors que les mousses en mouvement accèdent elles-mêmes à différents chemins d’écoulement selon les tailles de bulles. Les bulles plus volumineuses s’écoulent en majorité dans des chemins préférentiels à haute vitesse, généralement parallèles au gradient de pression, mais les petites bulles sont transportées en supplément à l’intérieur de chemins transversaux liant les chemins préférentiels. Ailleurs, pour nos données nous démontrons l’importance supérieure de la fraction de mousse piégée vis-à-vis de la densité de bulles quant à l’explication microscopique de la viscosité apparente, malgré une contribution des deux. Nous caractérisons structurellement les zones piégées à répétition, comme étant soit des zones à faible coordination de pore, de faible taille de seuil d’entrée, d’orientation de seuil désavantageuse, ou une combinaison de ceux-ci. Les zones à fort écoulement échappent à une caractérisation en termes de paramètres de structure locale et nécessitent une considération de l’information des différents chemins traversant la totalité du modèle. À ce but, afin de décrire les zones à fort écoulement, nous développons un modèle générant des chemins, utilisant une représentation en graphe du milieux poreux, basé sur une décomposition initiale en pores et seuils, qui intègre seulement les notions de taille de seuil et d’orientation de seuil relatif au gradient de pression pour caractériser les chemins. / In this work, we use of a high-complexity micromodel of fixed structure on which we perform a series of experiments with varying injection rates, foam qualities, inlet bubble size distributions and injection methods. We perform individual bubble tracking and associate flow properties with bubble size properties and structural characteristics of the medium. We propose new tools describing the local and global flow in different ways. We establish specific behaviors for different bubble sizes, demonstrating that trapped foams are more likely to have smaller than average bubble sizes, while flowing bubbles also tend to segregate in different flow paths according to bubble size. Larger bubbles tend to flow in high-velocity preferential paths that are generally more aligned with pressure gradient, but smaller bubbles tend to access in supplement transversal paths linking the different preferential paths. Furthermore, for our data we establish the pre-eminence of the trapped foam fraction over bubble density within the microscopic explanation of apparent viscosity, although both contribute to some degree. We structurally characterize consistently trapped zones as areas with either low pore coordination, low entrance throat size, unfavorable throat orientation or a combination thereof. High-flow zones however cannot be characterized in terms of local structural parameters and necessitate integration of complete path information from the entire model. In this regard, in order to capture the high-flow zones, we develop a path-proposing model that makes use of a graph representation of the model, from an initial decomposition into pores and throats, that uses only local throat size and throat orientation relative to pressure gradient to characterize paths.

La dissolution de cavités karstiques appelle à une description multi-échelle. A partir d'une discussion des hypothèses les plus fréquemment utilisées, un modèle à l'échelle du pore (ou micro-échelle) est développé pour des schémas réactifs géochimiques simples. L'impact du choix de conditions aux limites réactives ou équilibre thermodynamique est discuté. Ce modèle à l'échelle du pore est ensuite utilisé pour le développement de modèles aux échelles supérieures. Le premier problème traité considère le transport sur une surface chimiquement hétérogène et rugueuse, caractérisée par une condition mixte pour le transfert de masse. Le modèle résultant est un modèle de surface effective (ESCM). Le concept de surface effective est développé à l'aide d'une méthode de décomposition de domaine. Dans ce contexte, vitesse, pression et concentration à la petite échelle près de la surface sont estimées par une méthode de développement asymptotique par rapport aux champs loin de la surface. Des problèmes de fermeture sont alors obtenus qui sont utilisés pour définir la position de la surface effective et les conditions aux limites effectives associées. L'effet sur les propriétés effectives de la position de la surface, des nombres sans dimension est étudié. Une comparaison entre des résultats numériques à petite échelle avec ceux obtenus par le modèle effectif montre un bon accord. Dans le cas du transport dans un milieu poreux, le deuxième problème de changement d'échelle étudié, une méthode de changement d'échelle basée sur la prise de moyenne spatiale est proposée (PMM) à partir du problème à l'échelle du pore avec des conditions aux limites d'équilibre thermodynamique ou réactives non-linéaires. Une expression générale du modèle macroscopique est obtenue impliquant plusieurs propriétés effectives qui sont données par la résolution de problèmes de fermeture à l'échelle du pore. Pour une cellule unitaire représentative stratifiée, les paramètres effectifs sont obtenus analytiquement ou numériquement, alors que les propriétés pour des cellules plus complexes 2D/3D sont obtenus numériquement. L'impact sur les paramètres effectifs des propriétés physiques à l'échelle du pore (en terme de nombre de Péclet, Damköhler et ordre de la réaction) est étudié pour des cellules unitaires 1D, 2D ou 3D. Un exemple d'application du modèle macroscopique est présentée en mettant l'accent sur l'apport potentiel des termes additionnels non-classiques sur la précision des prédictions. Le modèle macroscopique de dissolution de milieu poreux est aussi utilisé comme un modèle à interface diffuse (DIM) pour décrire la dissolution d'une cavité à grande échelle, une cavité de gypse dans l'illustration traitée dans la thèse. Le modèle est basé sur l'approximation de pseudo-constituant, avec une condition d'équilibre à l'échelle du pore sur l'interface fluide-solide. Une méthodologie numérique est proposée pour choisir correctement les paramètres effectifs du DIM de façon à reproduire avec suffisamment de précision les flux et la vitesse de récession de l'interface. Une étude spécifique est effectuée sur l'impact du choix du modèle de bilan de quantité de mouvement macroscopique. De manière intéressante, les résultats numériques ne suggèrent pas un impact très important de ce choix dans le cas des problèmes aux limites traités. Des calculs ont aussi été effectués, dans le cadre d'une approximation de Boussinesq, pour évaluer l'impact éventuel de mouvements de convection naturelle. Le potentiel de la méthode est illustré dans deux cas: un correspondant à une lentille de gypse dans un aquifère, l'autre au cas d'un pilier isolé dans une carrière souterraine. Les conséquences de la dissolution sur la stabilité mécanique sont étudiées à l'aide d'un modèle géomécanique simplifié. Enfin, un cas test est étudié montrant la possibilité d'utiliser le modèle dans le cas de dissolution d'une cavité saline, matériau plus soluble que le gypse. / The karstic cavity dissolution problems are often studied from a hierarchical point of view. Based on a discussion of the frequently adopted assumptions, a pore-scale model is first developed for a simple geochemistry scheme. The impact of implementing reactive or thermodynamic equilibrium boundary condition at the dissolving surface is discussed. Such a pore-scale model is subsequently used as a basis for developing models at higher scale levels. The first problem deals with transport from a heterogeneous and rough surface characterized by a mixed boundary condition. The resulting macro-scale model takes the form of an effective surface theory. In the homogenized model developed with the effective surface concept (denote ESCM), the original rough surface is replaced locally by a homogeneous and smooth surface, where effective boundary conditions are prescribed. To develop the concept of effective surface, a multi-domain decomposition approach is applied. In this framework the velocity, pressure and concentration are estimated at the micro-scale with an asymptotic expansion of deviation terms with respect to macro-scale velocity and concentration fields. Closure problems for the deviations are obtained and used to define the effective surface position and the corresponding boundary conditions. The evolution of some effective properties and the impact of surface geometry and some dimensionless numbers are investigated. A comparison between the numerical results obtained with this effective model and those from direct numerical simulations with the original rough surface shows good agreements. In the case corresponding to mass transport in porous media, upscaling is carried out with the method of volume averaging to develop a macro-scale porous medium model (denote PMM), starting from a pore-scale transport problem involving thermodynamic equilibrium or nonlinear reactive boundary conditions. A general expression to describe the macro-scale mass transport is obtained involving several effective parameters which are given by specific closure problems. The impact on the effective parameters of the fluid properties, in terms of pore-scale Péclet number (Pe), and the process chemical properties, in terms of pore-scale Damköhler number (Da) and reaction order (n), is studied for periodic stratified, 2D and 3D unit cells. An example of the application of the macro-scale model is presented with the emphasis on the potential impact of additional, non-traditional effective parameters appearing in the theoretical development on the improvement of the accuracy of the macro-scale model. The above developed PMM is also used as a Diffuse Interface Model (DIM) to describe the evolution of a gypsum cavity formation induced by dissolution. The method is based upon the assumption of a pseudo-component dissolving with a thermodynamic equilibrium boundary condition. A methodology is proposed in order to choose suitable parameters for the DIM model and hence predict the correct dissolution fluxes and surface recession velocity. Additional simulations are performed to check which type of momentum balance equation should be used. Calculations with a variable density and Boussinesq approximation were also performed to evaluate the potential for natural convection. The results showed that the impact of density driven flows were negligible in the cases under investigation. The potential of the methodology is illustrated on two large-scale configurations: one corresponding to a gypsum lens contained within a porous rock layer and the other to an isolated pillar in a flooded gypsum quarry. Geomechanical consequences of the dissolution in terms of mechanical stability is evaluated with the help of a simplified geomechanical model. A final case is also studied in which gypsum is replaced by salt to show the applicability of the proposed methodology to a rapidly dissolving material

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. / The fate of contaminants in soils is a major environmental challenge. In this work, we develop efficient and reliable numerical tools for simulation of water flow and distribution prediction of pollutants in variably saturated porous media. In the first part of this document, the mixed hybrid finite element method is presented for solving Richard’s equation. A mass lumping technique is proposed to avoid unphysical oscillations when sharp infiltration fronts are simulated. In the second part of this work, the Eulerian Lagrangian Localized Adjoint Method (ELLAM) is used for modeling reactive transport in highly heterogeneous domains. Solute transport is described mathematically by the advection-dispersion and results obtained with ELLAM are very encouraging. ELLAM allows (i)overcoming spatial and time discretizations constraints imposed by classical Eulerian method, (ii)conserving mass and (iii) treating general boundary conditions naturally in the formulation. Moreover, we introduce a new ELLAM scheme (C_ELLAM) which avoid unphysical oscillations and reduce the numerical dispersion generated by the standard formulation.In the last part of this document, the C_ELLAM scheme is used to characterize the macrodispersion of a nonreactive solute in heterogeneous domains. This study is based on Monte Carlo simulations andtherefore requires highly efficient simulators. Our results are compared with previous work using Random Walk Particle Method to solve the advection-dispersion equation.

Cette thèse a pour but le développement d'un modèle constitutif hydromécanique prenant en compte le couplage de l'endommagement et de la plasticité dans les géomatériaux non-saturés. Le couplage de ce modèle avec les transferts hydrauliques est rendu possible par son implémentation dans le code aux éléments finis $Theta$-Stock. Un algorithme local a été développé spécifiquement dans ce but. Des problèmes hydromécaniques complètement couplés, tels que la création de la zone endommagée par excavation autour d'un tunnel ou la création d'un endommagement de dessiccation et d'humidification ont été simulés. Une contrainte doublement effective incorporant les effets de la succion et de l'endommagement (considéré isotrope) a été définie en s'appuyant sur des bases thermodynamiques. Cette approche a l'avantage de considérer une unique variable de contrainte étant thermodynamiquement conjuguée aux déformations élastiques. Une formulation hyperélastique dépendante de la pression de confinement est utilisée pour décrire le comportement dans le domaine élastique. L'évolution des rigidités élastiques avec l'endommagement est comparée en considérant deux hypothèses : le principe des déformations équivalentes et le principe de l'énergie élastique équivalente. L'hypothèse d'équivalence des déformations permet d'introduire la contrainte doublement effective dans les équations de plasticité et ainsi de coupler plasticité et endommagement. Les équations de plasticité sont dérivées du modèle de Barcelone (Alonso extit{et al.}, 1990), lui même basé sur le modèle de Cam-Clay. Deux critères distincts d'endommagement et de plasticité sont définis qui peuvent être activés aussi bien indépendamment que simultanément. Les surfaces de charges étant exprimées en fonction de la contrainte effective et de la succion, elles évoluent automatiquement en fonction de la succion et de l'endommagement dans l'espace des contraintes totales. Cela permet de représenter la transition d'un comportement ductile vers un comportement fragile lorsque le matériau est asséché. Un algorithme local explicite a été développé pour gérer le couplage des deux phénomènes dissipatifs. L'implémentation du modèle constitutif dans le code aux éléments finis $Theta$-Stock permet l'étude de problèmes hydromécaniques complètement couplés, les lois de transfert dépendant elles aussi de l'état de saturation du matériau. Ce modèle a d'abord été appliqué à la simulation du développement de micro-fissures lors du séchage d'une éprouvette. L'apparition de l'endommagement est expliquée principalement par le gradient de pression très important créé à la surface de l'échantillon lorsqu'on applique une forte variation de succion. Enfin, un problème à échelle réelle est simulé. L'excavation d'un tunnel, la désaturation du sol environnant dû à la ventilation, ainsi que la création de la zone endommagée par excavation sont étudiés. L'étendue des zones l'endommagement et de déformations plastiques autour du tunnel est étudiée / This thesis work objective is the development of a hydro-mechanical constitutive model which accounts for damage-plasticity couplings in unsaturated geomaterials. The coupling of this model with hydraulic transfers is made possible by its implementation into the Finite Element code Theta-Stock. In order to achieve this implementation, a specific stress-point algorithm has been developed. Fully coupled hydro-mechanical problems have been simulated, such as the creation of the Excavation Damaged Zone around a tunnel and the initiation of damage due to desiccation and humidification. A double effective stress incorporating both the effect of suction and damage (assumed isotropic) is defined based on thermodynamical considerations. The advantage of this approach is that it results in a unique stress variable being thermodynamically conjugated to elastic strains. A pressure-dependent hyperelastic formulation is used to describe the behaviour inside the elastic domain. The evolution of elastic rigidities with damage is then studied. Two hypotheses are compared, the principle of strain equivalence and the principle of equivalent energy. Coupling between damage and plasticity phenomena is achieved by following the principle of strain equivalence and incorporating the effective stress into plasticity equations. The plasticity framework is based on the Barcelona Basic Model (Alonso extit{et al.}, 1990), itself based on the Cam-Clay model. Two distinct criteria are defined for damage and plasticity, which can be activated either independently or simultaneously. Their formulation in terms of effective stress and suction allows them to evolve in the total stress space with suction and damage changes. This leads to a direct coupling between damage and plasticity and allows the model to capture the ductile/brittle behaviour transition occurring when clays are drying. A specific explicit algorithm has been developed to handle the association of the two dissipative phenomena. The implementation of the constitutive model into the Finite Element code Theta-Stock allowed for the simulation of fully coupled hydro-mechanical problems. The hydraulic transfer laws also consider the saturation state. This fully coupled model is first applied to simulate the development of micro-cracks during desiccation of a soil sample. Damage initiation is explained mainly by the important pressure gradient appearing at the boundary when applying a high suction change. Finally, a full-scale problem is simulated. The excavation of a tunnel, the desaturation of the surrounding soil and the creation of the excavation damaged zone are studied

L'effet de serre lié à l'émission de CO2 a conduit à des projets de stockage de ce gaz dans des formations réservoirs. Ces formations peuvent être traversées de failles et l'examen de la sûreté du stockage nécessite alors l'étude du risque de réactivation et de propagation de ces failles. Cette étude passe par des investigations approfondies portant sur des conditions de propagation des fractures sous sollicitations hydromécaniques. Cette thèse a pour objectif l'étude théorique et numérique de ces conditions ainsi que la simulation numérique de la propagation. La modélisation numérique des processus thermo-hydro-mécaniques dans les milieux poreux fracturés par la méthode des éléments finis (MEF) permet de simuler des phénomènes complexes et non linéaires. Les difficultés liées à l'intégration des équations d'échanges de fluide entre la fracture et la matrice environnante avec la MEF ont été résolues dans des travaux récents et nos simulations numériques ont pu être basées sur cette méthode. Dans un premier temps, nous avons modélisé l'écoulement transitoire dans et au voisinage d'une fracture soumise à une injection de fluide et nous avons étudié le facteur d'intensité des contraintes (FIC) à l'extrémité de la fracture dans le cadre de la théorie de la poroélasticité linéaire. Si les conditions d'injection sont maintenues constantes et la fracture n'évolue pas, l'écoulement tend vers un état stationnaire. Le FIC évolue au cours de la phase transitoire pour atteindre une valeur limite dans l'état stationnaire. La modélisation de l'écoulement transitoire est très coûteuse en temps de calcul et il est intéressant de trouver un moyen d'exploiter au mieux les résultats d'un calcul en état stationnaire. L'analyse théorique et les résultats des simulations numériques montrent en effet que le FIC calculé à l'état stationnaire peut fournir certaines bornes pour la propagation des fractures sous l'écoulement transitoire. Dans le cadre de la poroélasticité linéaire et de l'écoulement de Poiseuille dans les fractures, des expressions semi-analytiques pour le FIC à l'état d'écoulement stationnaire ont pu être dérivées. Pour des géométries simples, ces formules approximatives se révèlent efficaces pour discuter des conditions de propagation des fractures pour des cas typiques et simples de géométrie de la fracture et des conditions d'injection de fluide. Dans un deuxième temps, un Modèle de Fracture Cohésive (MFC) a été utilisé pour modéliser la propagation de fracture sur la base de l'endommagent. Ce modèle, basé sur un critère de rupture de Mohr–Coulomb modifié, permet de simuler l'endommagement de l'interface à la fois sous sollicitations en mode I et II. Une relation d'équivalence entre les paramètres de ce modèle et du modèle de Mécanique Linéaire de la Rupture (MLR) a été établie sur la base de la longueur de propagation de fracture sous des charges similaires. Cette relation permet l'extension de l'équivalence théorique entre MLR et MFC établie pour les matériaux fragiles et sur la base de critères énergétiques, à des matériaux quasi-fragiles et ductiles. On a d'ailleurs montré que le MFC permet de simuler certains phénomènes spécifiques tels qu'instabilités de propagation en mode I et II et le branchement de la fracture en mode II. Enfin, la prise en compte de la pression de fluide dans la fracture a permis d'obtenir un modèle de MFC couplé avec l'hydraulique qui a été implémenté dans un code numérique aux éléments finis en vue d'étudier la propagation des fractures sous sollicitations hydromécaniques. Des simulations numériques ont été réalisées afin d'étudier le risque de réactivation et de propagation des failles dans le contexte de stockage du CO2 en particulier dans une configuration de formation réservoir du type Bassin de Paris / Global warming effect related to CO2 emission has led to sequestration projects of this gas in reservoir formations. These formations can be crossed by faults and safety issue of storage requires the study of fault reactivation and propagation risk. This study goes through in-depth investigations of fracture propagation conditions under hydromechanical solicitations. This thesis aims at theoretical and numerical studies of these conditions and the numerical simulation of fracture propagation. Numerical modelling of thermo-hydro-mechanical processes in fractured porous media using Finite Element Method (FEM) allows the simulation of complex and nonlinear phenomena. Difficulties in integrating fluid mass exchange between fracture and surrounding matrix in the equations with FEM have been solved in recent works and our numerical simulations have been based on this progress. In a first step, we modelled transient flow subjected to a fluid injection and we studied the Stress Intensity Factor (SIF) at fracture tip in the framework of linear poroelasticity theory. If injection conditions are kept constant and the fracture does not evolve, the flow tends to a steady state. The SIF develops during transient phase to reach a limit value in the steady state. Modelling of transient flow is very time consuming and it is interesting to find a method to exploit the results of a calculation in steady state. Theoretical analysis and results of numerical simulations show that the SIF calculated at steady state can provide some bounds for fracture propagation under transient flow. In the framework of linear poroelasticity and Poiseuille flow in fractures, some semi-analytical expressions of SIF at steady state could be derived. For simple geometries, these approximate formulations are efficient to discuss fracture propagation conditions for typical and simple cases of fracture geometry and fluid injection conditions. In a second step, a Cohesive Zone/Fracture Model (CFM) was used to model fracture propagation on the basis of damage. This model, based on a modified Mohr-Coulomb failure criterion, simulates interface damage under both mode I and II loads. An equivalence relation between parameters of CFM and Linear Elastic Fracture Mechanics model (LEFM) was established on the basis of fracture propagation length under similar loads. This relationship allows the extension of theoretical equivalence between LEFM and CFM established for brittle materials and on the basis of energy criteria, for quasi-brittle and ductile materials. It has also shown that CFM can simulate specific phenomena such as propagation instabilities for mode I and II and fracture kinking under mode II. Finally, taking into account the fluid pressure in the fracture permitted to obtain a CFM coupled with hydraulic processes which has been implemented in a numerical finite element code to study fracture propagation under hydromechanical solicitations. Numerical simulations were performed to study the risk of fault reactivation and propagation in the context of CO2 injection in Paris Basin reservoir formation

.Dans cette thèse, il a été étudié la structure des milieux poreux, en particulier sur des sols sableux et un paquet virtuel de sphères; Sur la base de références bibliographiques, nos propres outils ont été créés pour calculer la porosité, la surface spécifique et la distribution de la taille des pores. Nous avons construit un algorithme pour résoudre l'équation de diffusion de l'advection directement sur la structure du milieu poreux (en utilisant un résultat d'image 3D du scan $ mu $ CT du support poreux). Nous avons utilisé l'opérateur de division pour calculer la partie advective avec une méthode de volume fini (FV), mettant en œuvre un schéma de réduction de la variation totale (TVD). La partie diffusion a été calculée en utilisant une méthode de FV et avec l’aide du logiciel MUMPS pour résoudre le système linéaire résultant. A partir du champ de concentration obtenu avec l’algorithme et suivant une méthode de moyenne volumique, nous avons calculé les propriétés macroscopiques de: dispersivité et coefficient de dispersion à Pe = 223,23,2.3,0,23 pour un échantillon de sable de Fontainbleau NE34. Nous avons observé que ces résultats dépendent de la qualité de l'image 3D. Les propriétés structurelles et de transport ont été étudiées à l'aide d'images 3D à différentes résolutions. Les images à différentes résolutions ont été appelées images redimensionnées, elles ont été générées numériquement et prises directement à partir du micro CT scan. Comme premier résultat, nous avons proposé un critère basé sur la distribution de la taille des pores pour déterminer si une résolution d'image 3D convient ou non au calcul de la perméabilité d'un matériau granulaire avec une méthode de volume fini (FV). Dans un deuxième résultat, nous avons montré comment les propriétés des macros de transport de soluté sont moins affectées par une détérioration de la résolution que la propriété d’écoulement de la perméabilité (les deux cas sont calculés par une méthode FV). Et comme troisième résultat, nous avons montré qu'une image numérique redimensionnée préserve davantage le comportement des propriétés macroscopiques qu'une image réelle redimensionnée. / In this thesis it was studied the structure of the porous media, particularly on a sandy soils and a virtual pack of spheres; based on bibliographic references here were generated our own tools to compute the porosity, specific surface and pore size distribution. We built an algorithm to solve advection diffusion equation directly on the porous media structure (using a 3D image result of the $mu $ CT scan of the porous media). We used the splitting operator to compute the advective part with a Finite Volume (FV) method, implementing a Total Variation Diminishing (TVD) scheme. The diffusion part was computed using with a FV method with the assistance of the MUMPS software to solve the resulting linear system. From the concentration field obtained with the algorithm and following a volume averaging method, we computed the macroscopic properties of: dispersivity and dispersion coefficient at Pe=223,23,2.3,0.23 for a sample of Fontainbleau NE34 sand. We observing that these results depend on the quality of the 3D image, structural and transport properties were studied using 3D images at different resolutions. The images at different resolutions were called rescaled images, and they were generated numerically and taken directly from the micro CT scan. As a first result we proposed a criterion based on the pore size distribution to assess if a 3D image resolution is suitable or not for permeability computation of a granular material with a finite volume (FV) method. As a second result we showed how the solute transport macro properties are less affected by a deterioration of the resolution than the flow property of permeability (both cases computed through a FV method). And as a third result we showed that a numerical rescaled image preserve the behavior of the macroscopic properties more than a real rescaled image

Nous nous intéressons à l’étude théorique et numérique de plusieurs modèles d’écoulement (Saint-Venant, multicouches, milieux poreux stationnaires et non stationnaires) et de leurs applications à l’optimisation de formes de certains ouvrages hydrauliques. Nous explorons le caractère bien posé des systèmes, nous dérivons un système adjoint lié à chaque modèle.Une méthode de pénalisation est utilisée pour relaxer la contrainte d’incompressibilité de la vitesse.Nous exprimons le gradient de forme en fonction de la vitesse u comme variable d’état, des variables adjointes, et le vecteur unité normal au bord du domaine.Nous adoptons une méthode d’éléments finis discrète pour approcher la solution du problème pénalisé et établissons des estimations à priori afin de prouver la convergence de la solution approchée vers la solution du système non perturbé.Le problème d’optimisation est implémenté en utilisant la méthode adjointe continue et la méthode d’éléments finis. / We are interested in the theoretical and numerical study of different flow models (shallow water system, multilayer, stationary and non stationary porous media) and their applications to the shape optimization of some hydraulic structures.We explore the well-posedness of the models and derive the adjoint equations related to each system.A penalty method is used to relax the incompressibility constraint for the velocity. We express the shape gradient of the cost function in terms of the velocity value as a state variable, the adjoint variables and the unit normal vector to the boundary of the domain.We propose a discrete finite element method to approximate the solution for the penalizedproblem and establish a priori estimates to prove the convergence of the approximate solution to the solution of the non perturbed problem. Error estimates for the velocity and the pressure are established.The optimization procedure is implemented using the continuous adjoint method and the finite element method.

Les phénomènes électrocinétiques créés à l'échelle microscopique par le passage d'ondes sismiques à travers des milieux poreux saturés en fluides génèrent des conversions entre énergies sismique et électromagnétique observables à l'échelle macroscopique. Nous avons étudié ces couplages à la fois sur un plan expérimental et théorique dans le but de déterminer leur utilisation potentielle pour la détection et la caractérisation du contenu en fluides des milieux poreux superficiels. Nous présentons dans un premier temps une série d'expériences de terrain effectuées pour enregistrer, à l'aide d'antennes électriques reliées à un système d'acquisition sismique multitrace, les champs électriques transitoires générés par une perturbation sismique du milieu. Après atténuation du bruit généré par les lignes à haute tension grâce à des filtres adaptés, deux effets sismo-électriques ont été identifiés: i) un champ électrique dominant qui accompagne les ondes slsmiques, et ii), des perturbations électromagnétiques précursives, de faIble amplitude, présentant une inversion de polarité de part et d'autre de la source sismique avec peu ou pas de décalage temporel le long du dispositif récepteur. Par la suite, nous détaillons les aspects théoriques de la propagation couplée des ondes sismiques et électromagnétiques dans des milieux poreux saturés en utilisant les équations obtenues par Pride (1994), qui combinent la théorie de Biot aux équations de Maxwell via des équations de transport. Nous avons résolu ces équations à l'aide d'un programme de simulation numérique dans le but de générer des sismogrammes, des électrogrammes et des magnétogrammes synthétiques. Ceci nous a permis d'étudier de manière détaillée les effets sismo-électriques, d'interpréter nos données et de mettre en évidence des applications potentielles d'enregistrements simultanés des champs d'ondes sismiques, électriques et magnétiques pour la caractérisation des couches poreuses superficielles.

Dans cette thèse, nous adressons trois projets avec l'application de microfluidique Avec le Vélocimétrie de Réflexion Totale Interne, nous avons réalisés le nanoPTV des fluides à 800 nm près de parois du solide. Nous arrivons à une précision sans précédent, par la détermination précise de la position du parois, et par la simulation de Langevin, en tenant compte des nombreux sources de biais physique, comme le mouvement Brownien, effet du cisaillement, la répulsion électrostatique entres les particules et le parois, et la défocalisation de la lentille. Nous obtenons ±5 nm and ± 10 nm de précision sur la longueur de glissement pour la solution de sucrose et de l'eau. La condition de non-glissement sur la surface hydrophile est confirmée, et un glissement sur la surface hydrophobe est observé. Nous collaborons avec A. Leshansky pour étudier la formation des gouttes sur une intersection entre un canal confiné et un réservoir profond. Cette phénomène est appelé le "step emulsificaiton". La dynamique de la formation des gouttes est étudiée expérimentalement de façon approfondie. La théorie est basée sur la dynamique des fluides dans un canal Hele-Shaw, avec les effets de forces capillaires. Nous arrivons à expliquer le mécanique du fluides derrière la formation des gouttes, inclus les taille des gouttes. Nous collaborons avec un groupe des entreprises pétrolières (AEC), pour étudier le mouvement des nano particules dans un micro model de milieux poreux. Ces particules sont supposé de faire transition une fois en contact avec l'huile ou expériencer un changement de la température. L'injection des particules dans les réservoirs de l'huile et de gaz permet de collecter l'information sur la distribution et la quantité de l'huile et de gaz. Avant l'application en mass dans l'industrie, c'est favorable de les tester dans un micro model, qui possèdes une structures similaire aux pores des roches. Nous avons testé les nano particules synthétisés par les autres membres de l'AEC, et confirmé que l'idée du micro model est une méthode efficace de prédire la performance des particules sous sol.

Ce travail porte sur la modélisation d'écoulements turbulents anisothermes dans des milieux macroporeux. Ce problème intéresse de nombreux domaines : échangeurs de chaleur, réacteurs nucléaires, canopées... Notre objectif est de modéliser des écoulements traversant une structure solide selon un approche multi-échelle. L'utilisation d'un opérateur de moyenne spatiale permet ainsi d'obtenir une description homogénéisée des écoulements, tandis que l'aspect turbulent est traité grâce à un opérateur de moyenne statistique. Au cours du processus de moyenne, une partie des informations sur l'état microscopique est perdue. Cela se traduit, à l'échelle macroscopique, par l'apparition de termes inconnus liés à la turbulence (contraintes de Reynolds) et à la présence de la matrice solide (dispersion). C'est sur ces termes de dispersion présents dans les équations macroscopiques de quantité de mouvement et de la température que porte notre travail. Nous proposons un modèle de dispersion thermique qui permet de prédire de façon satisfaisante l'évolution de la température moyenne du fluide pour des écoulements à l'équilibre hydraulique présentant de forts gradients de température ou de flux thermique à la paroi. De plus, un modèle macroscopique de température de paroi basé sur le modèle de température moyenne est dérivé. Il permet de prédire avec précision l'évolution de la température de paroi pour des écoulements hors équilibre thermique. Afin de pouvoir traiter aussi des cas hors équilibre hydraulique, un modèle macroscopique de turbulence est proposé. Une analyse physique détaillée des transferts énergétiques a montré que c'est l'énergie dispersive qui permet de caractériser le déséquilibre hydraulique. Un modèle de turbulence prenant en compte les déséquilibres d'énergie dispersive a donc été dérivé. Il permet de prédire de façon satisfaisante la dynamique d'établissement d'écoulements entrant dans des canaux et de fournir des conditions aux limites précises à la sortie des canaux. Enfin, nous proposons un modèle dynamique pour le tenseur de dispersion basé sur l'énergie dispersive et la dissipation associée. / This works deals with the modelling if anisothermal turbulent flows in macroporous media. This topic concerns many practical applications such as heat exchangers, nuclear reactors, canopies... Our aim is to model flows through porous matrices by means of a multi-scale approach. A macroscopic description of the flows is obtained thanks to a spatial average operator, while a statistical average operator is used to handle turbulence. The successive application of both filters leads to a loss of information. Therefore, at macroscopic scale, unknown contributions linked to turbulence (Reynolds stresses) and the presence of the solid matrix (dispersion) appear. We focus on dispersion terms. We propose a thermal dispersion model for hydrodynamically established flows. Mean temperature predictions obtained with this model are very accurate for channel flows with strong temperature and wall heat flux gradients. We also derive a wall temperature model based the mean temperature model. It gives good macroscopic results for thermally developping flows. In order to be able to simulate hydrodynamically developping flows, a turbulence model is needed. A two-scale analysis of energy transfers within the flow shows that the dynamic behaviour of unbalanced flows can be described using the dispersive kinetic energy. A turbulence model that accounts for dispersive energy is derived. It predicts very well the dynamics of a flows near a channel inlet and provides accurate boundary conditions for exit flows. Finally, a dynamic model based on the dispersive energy and its dissipation rate is proposed for the dispersion tensor.