Cette étude traite de la dynamique des éruptions volcaniques explosives, depuis les mécanismes de sub-surface jusqu’aux processus d’émission et de dispersion des pyroclastes. A cet effet un radar Doppler sol est utilisé (VOLDORAD), lequel renseigne sur la charge / vitesse des ejectas. Les données sont intégrées avec d’autres techniques géophysiques, et des modèles numériques sont développés afin de simuler les émissions pyroclastiques, générer des signaux radar synthétiques, pour finalement améliorer notre compréhension des processus qui leurs sont sous-jacents. L’Arenal (Costa Rica) est utilisé comme volcan cible, où de fréquentes éruptions de faible magnitude émettent des panaches de cendres et des projections balistiques jusqu’à quelques centaines de mètres au-dessus de l’évent. Dans un premier temps, nous combinons des données sismiques et radar afin d’explorer la relation entre les processus de conduit et les émissions pyroclastiques. Leurs interactions complexes sont interprétées via un modèle conceptuel, lequel décrit les fractures parsemant le bouchon de lave comme responsables du dégazage du système, et en retour des signaux sismiques et radar collectés (ces derniers dépendants de la charge en cendres des émissions de gaz). Par ailleurs, nous investiguons la dynamique des émissions pyroclastiques à travers l’étude de radargrammes Doppler. La distribution spatio-temporelle de la vitesse des ejectas indique l’existence de deux phénomènes aux dynamiques distinctes. Des modélisations numériques permettant la reconstruction de signaux synthétiques indiquent qu’il s’agit de l’émission simultanée de blocs balistiques et de panaches de cendres. Une procédure d’inversion de type Monte Carlo couplée d’un algorithme d’optimisation permet de retrouver les radargrammes synthétiques qui reproduisent au mieux ceux observés. Les résultats apportent des contraintes sur divers paramètres éruptifs, tels que les tailles, trajectoires, vitesses des ejectas et des gaz, ainsi que la vitesse / direction de dispersion des panaches de cendres par le vent. Enfin, nous discutons du potentiel des radars Doppler appliqués à la surveillance opérationnelle des émissions volcaniques. En particulier, la possibilité de quantifier les masses éjectées dans l’atmosphère ou retombant sur les flancs du volcan, fournit des paramètres éruptifs à la source pouvant alimenter les modèles de dispersion de panaches de cendres. / This study investigates the dynamics of explosive volcanic eruptions, from the sub-surface source mechanisms through to the emission dynamics and downwind dispersal of tephra. To this end, we use a ground-based Doppler radar (VOLDORAD) which informs on the loading / velocimetry of the expelled ejecta. Data are integrated with complementary geophysical techniques, and numerical models are developed to simulate pyroclastic emissions, generate synthetic radar data, and in turn enhance our understanding of the underlying dynamical processes. Arenal (Costa Rica) is used as a case study volcano, where frequent mildly-explosive eruptions commonly expel ash plumes and ballistic projections up to a few hundred meters above the vent. Firstly, we combine seismic and radar data to investigate the link between conduit processes and pyroclastic emissions. A conceptual model is proposed to account for their complex interplay, whereby fractures through a rigid lava cap control the system’s degassing, which in turn governs both the seismic and radar signals (the latter depending on the ash load carried by the gas). Secondly, we investigate the dynamics of pyroclastic emissions from the analysis of Doppler radargrams. Time-velocity distribution of the expelled tephra shows the signature of two distinct phenomena. Numerical modeling and computation of synthetic radargrams show that these are consistent with both ballistic projections and ash plume crossing the beam simultaneously, whose respective mass load can be derived. Inverse modeling using a nearneighborhood Monte Carlo procedure was used to find synthetic Doppler radargrams which best matched the observed ones. The results give constrains on eruptive parameters, such as the size, trajectory, exit velocities and source gas velocities of the ballistics, as well as the speed / direction of the ash cloud drifted by trade winds. Lastly, because Doppler radars are powerful tool for real-time allweather monitoring of volcanic activity, we address issues relative to the operational radar monitoring of ash plumes. In particular, the ability to remotely quantify the mass proportions of ejecta either falling on the slopes of the volcano or prone to be ejected into the atmosphere, gives source eruptive parameters which may feed volcanic ash dispersal models.

Avec la multiplication des antennes radios, due à l’augmentation des abonnés et aux nouveaux services et usages, l’exposition aux ondes électromagnétiques est devenue un sujet interpellant toute une catégorie de personnes, notamment les collectivités locales, les opérateurs, les associations, etc. Dans le domaine de l’exposition des populations aux champs électromagnétiques radiofréquences en milieu urbain, la modélisation numérique a pris depuis quelques années de plus en plus d’importance du fait de la montée en puissance des outils de calcul et de la quantité et qualité des données topographiques disponibles. Elle est utilisée conjointement avec plusieurs types de mesures pour l’analyse et la gestion de risques, comme support d’aide à la décision publique, comme méthode réglementaire et plus largement pour la concertation entre public, industriels, collectivités territoriales, associations, etc. Les résultats de ces méthodes ont donc de plus en plus d’importance. Ce manuscrit permet d'améliorer les connaissances sur la quantification de l'exposition due aux antennes relais en associant mesures et simulations et en prenant en considération la notion de variabilité du champ électrique.Une première partie du travail a permis de déterminer les avantages et les limites des méthodes de calcul, et de même pour les mesures, dans le cadre de l'évaluation de l'exposition à l'échelle urbain. Une seconde partie du travail a consisté à caractériser la variabilité spatiale et temporelle de l'exposition réelle, un point essentiel du fait de la grande variabilité du champ électrique et de la difficulté de trouver un indicateur pertinent pour quantifier l'exposition réelle. / With the increasing number of mobile phone users, new services and mobile applications, the proliferation of radio antennas has raised concerns about human exposure to electromagnetic waves. This is now a challenging topic to many stakeholders such as local authorities, mobile phone operators, citizen and consumer groups, etc. The assessment of human exposure to radiofrequency electromagnetic fields in the urban environment is mainly based on numerical modeling. The improvement of computational tools together with the quantity and quality of available topographic data has strongly promoted this approach. Numerical modeling is now used in combination with several types of measurements to perform risk analysis and management. It is the basis of decision-making tools and local regulations. It is also used during consultations between the public, the industry, local authorities, governments and associations. The results of these methods are therefore increasingly important. This research contributes to gain knowledge about quantifying the human exposure from base stations through the combination of measurements and simulations, while taking into account the concept of variability of the electrical field. A first part of this work establishes the benefits and limitations of computational methods as well as measurements when assessing exposure to electric fields in urban environment. A second part of this work is aimed at characterizing the spatial and temporal variability of the actual exposure, which is a very important requirement because of the high variability of the electrical field and the difficulty of finding a relevant indicator to quantify the real exposure.

Cette thèse s’intéresse au courant profond de bord ouest dans l’Atlantique Nord, le Deep Western Boundary Current (DWBC). Ce courant transporte des eaux denses, formées dans la gyre subpolaire, vers l’équateur et constitue une des composantes majeures de la circulation méridienne Atlantique, l’AMOC (pour Atlantic Meridional Overturning Circulation). Cette circulation contribue au transport de chaleur vers les hautes latitudes et stabilise le climat actuel. L’AMOC calculée dans différents modèles de circulation générale de l’océan présente une diversité dans son intensité, sa structure spatiale et sa variabilité temporelle. De nombreux facteurs peuvent expliquer cette hétérogénéité de réponses, dont les incertitudes qui subsistent sur le lien entre la formation d’eau dense par convection dans la gyre subpolaire, qui contribue à connecter les branches supérieure et inférieure de l’AMOC, et l’intensité de l’AMOC aux moyennes latitudes. Ces incertitudes proviennent en grande partie d’une méconnaissance de la circulation profonde dans l’Atlantique Nord, car difficile à observer et souvent incorrecte dans les modèles d’océan de faible résolution spatiale.L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la dynamique du DWBC et son influence sur l’AMOC, à l’aide de simulations numériques réalistes d’un modèle de circulation générale de l’océan (NEMO). Dans cette optique, trois configurations de résolution horizontale croissante ont été mises en place en utilisant l’outil de raffinement de grille AGRIF : une grille globale de référencer à 1/2◦ de résolution (configuration ORCA), à laquelle a été ajouté une première grille raffinée à 1/8◦ couvrant l’Atlantique nord (configuration ERNA) incluant elle-même une seconde grille à 1/32◦ centrée sur la gyre subpolaire (configuration FER). ERNA et FER sont deux configurations originales, par la prise en compte du modèle de glace de mer dans l’emboîtement des grilles, et par la résolution horizontale de FER dans la gyre subpolaire.Dans un premier temps, nous étudions l’influence de la résolution horizontale sur la circulation moyenne en Atlantique Nord avec un intérêt particulier pour l’AMOC en contrastant les simulations issues des configurations ORCA et ERNA. L’augmentation de la résolution se traduit par l’amélioration de la dynamique des courants de bord ouest, en surface et également en profondeur. En effet, le transport du DWBC s’intensifie de l’ordre de 8Sv dans la gyre subpolaire, ce qui est en partie lié à une meilleure représentation de l’écoulement des eaux denses en provenance des Mers Nordiques. En outre, alors que dans ORCA le DWBC s’écoule vers le sud principalement le long de la ride médio-Atlantique, dans ERNA la route le long du bord ouest est privilégiée avec une circulation secondaire à l’intérieur de l’inetrgyre, ce qui est en meilleur accord avec les observations. Le chemin suivi par le DWBC le long du talus continental permet une intensification de l’AMOC et de la localisation de son maximum vers 35 ̊N. Ce résultat tend à réduire l’influence de la convection aux hautes latitudes sur l’intensité de l4AMOC par l’intermédiaire de l’interaction des courants de surface et de fond.Nous nous sommes intéressés par la suite à la structure dynamique et thermohaline du DWBC, en lien avec la représentation de la méso-échelle, dans la mer du Labrador, en utilisant la configuration FER. Dans cette configuration qui résout explicitement les processus de méso-échelle dans la gyre subpolaire, la dérive en température et salinité est nettement moins importante que dans ERNA. De plus, la structure verticale du courant de bord, notamment sa barotropisation entre l’est et l’ouest sde la section AR7W dans la mer du Labrador, est en très bon accord avec les observations. A partir d’une équation simplifiée de la vorticité relative, nous avons cherché à identifier les processus principaux qui contrôlent la dynamique du DWBC. Il ressort de cette analyse que le stretching associé aux vitesses […] / The present study tackles the Deep Western Boundary Current (DWBC) dynamics in the North Atlantic basin as its impact on the AMOC. The DWBC advects dense water masses equatorward, produced in the subpolar gyre, and is one of the major component of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC). This circulation contributes to the northward heat transport to high latitudes and allows to stabilise climate. When computing the AMOC in different ocean general circulation models (OGCM), results cover a wide range of intensity, spatial shape and temporal variability. Such response diversity is due to several factors. One of them is the remaining uncertainty on the link between dense water formation due to convection in the subpolar gyre, which contributes to connect the AMOC upper and lower branches, and the AMOC intensity at mid-latitudes. Those uncertainties are largely due to the knowledge gap of the deep circulation in North Atlantic because its direct observation is difficult and incorrectly reproduced in ocean models with a low spatial resolution. The methodology used rely on realistic numerical simulations based on the NEMO ocean general circulation model. Three configurations with an increasing spatial resolution have been developped using the grid refinement tool AGRIF : a global grid at 1/2◦ resolution (ORCA configuration), within which a first refined grid at 1/8◦ covering the whole North Atlantic (ERNA configuration) in which a second grid at 1/32◦ over the subpolar gyre (FER configuration). Both ERNA and FER are advanced and original by two aspects; they include a Sea-Ice model within embedded grids and FER reaches a high horizontal resolution over the subpolar gyre. We study the spatial horizontal resolution impact on the mean circulation in the North Atlantic with a focus on the AMOC contrasting simulations obtained with ORCA and ERNA solutions. Increasing the resolution improves the western boundary current dynamics at surface and depth. Indeed, the DWBC transport is intensified by 8Sv in the subpolar gyre partly due to a better representation of overflows coming from Nordic Seas through the Denmark Strait. Furthermore in ORCA the DWBC flows to the south along the Mid-Atlantic ridge ; in ERNA the flow along western continental shelf is dominant while a secondary circulation within the subpolar gyre arises being in better agreement with observations. The path followed by the DWBC along the continental shelf allows an interaction between surface and deep currents which seems to result both in an AMOC intensification and a maxima located close to 35 ̊N. This result tends to limit the influence of the convection, occuring at high latitudes, on the AMOC intensity at mid latitudes, often raised, and shed light on a modulation process of the AMOC intensity through the surface and deep currents interaction. We then addressed the thermohaline and the dynamical structure of the DWBC, asssocia- ted with the mesoscale representation, within the Labrador Sea using the FER configuration. With this configuration, which solved explicitly mesoscale eddies in the subpolar gyre, tempera- ture and salinity drift are clearly reduced compare to ERNA. Furthermore the vertical DWBC structure, especially its barotropisation from the eatstern to western side of the AR7W section within the Labrador Sea, is in very good agrement with observations. Using a simplified equation for relative vorticity, we try to identify the main processes handling the DWBC dynamics. The analysis reveals that the stretching associated with vertical velocities above topography and exchanges between isopycnal layers within boundary current dominate the vorticity balance. We also identify two areas within the DWBC where diapynal flux occur : along the Labrador Current on the western side of the Labrador Sea and seaward of Cape Desolation where eddy activity is marked. These results are close to two previous studies based on conceptual model and […]

L’usinage des pièces en alliages de titane, notamment en Ti6Al4V qui a une faible usinabilité, a été toujours parmi les préoccupations majeures des entreprises du secteur de l’aéronautique. Toutefois, il est difficile, en se basant seulement à des essais expérimentaux, de bien comprendre les mécanismes participants à la formation du copeau. Il est alors nécessaire d’avoir recours à des modélisations numériques fiables permettant d’avoir accès à des grandeurs physiques instantanées et très localisées. Le travail présenté porte sur la fiabilisation de la modélisation de la coupe. Des simulations numériques 2D et 3D ont été mises en place. Le modèle de comportement de Johnson-Cook et le critère énergétique d’évolution d’endommagement ont été utilisés. L’étude préliminaire 2D de l’effet du maillage, notamment la taille, le type et la fonction d’interpolation des éléments finis, a souligné l’importance d’une discrétisation convenable du modèle qui tient compte du coût de calculs. De plus, il a été montré qu’un choix convenable du type de la formulation est crucial. L’effet des coefficients rhéologiques et d’endommagement (initiation et évolution) sur la formation du copeau (morphologie, champ de déformation et de température) a été déterminé. Des essais expérimentaux de la coupe orthogonale du Ti6Al4V à différentes conditions de coupe ont été effectués. La dépendance de la géométrie du copeau et des efforts à la vitesse de coupe et à l’avance a été étudiée. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour la validation des modèles numériques 3D qui permettent une étude fine de la formation du copeau. Cette approche a permis de reproduire fidèlement les phénomènes physiques se produisant au niveau du plan médian de la pièce tout en tenant compte de l’écoulement de la matière sur les bords. Les résultats prédits ont mis en évidence que, même dans le cas d’une coupe orthogonale, la formation du copeau est bien un phénomène 3D. Afin d’augmenter la fiabilité des modèles numériques 3D, une nouvelle loi thermo-viscoplastique a été proposée. Cette loi, identifiée et implémentée dans le logiciel Abaqus® à travers la routine VUMAT©, a été utilisée pour la simulation de l’usinage du Ti6Al4V. Elle a conduit à une amélioration notable des résultats numériques. / Machining of titanium alloys workpieces, especially in Ti6Al4V which has a low machinability, has always been among the major preoccupations of the companies in the aeronautics sector. However, it is difficult, basing only on experimental tests, to well understand the mechanisms involved during the chip formation. In fact, the use of reliable numerical models that allow the access to instantaneous and very localized physical quantities is required. The presented work consists on the increase of the cutting modeling reliability. 2D and 3D numerical simulations have been performed. The Johnson-Cook constitutive model and the damage evolution criterion have been used. The preliminary 2D study focused on the mesh effect, especially the size of the finite element, its type and its interpolation function, has highlighted the importance of a convenient discretization of the model that takes into account the machining computing cost. In addition, it has been shown that a suitable choice of the formulation type is crucial. The effect of the rheological and damage (initiation and evolution) coefficients on the chip formation (morphology, strain and temperature field) has been determined. Experimental orthogonal cutting tests of the Ti6Al4V at different cutting conditions have been performed. The dependency of the chip geometry and the efforts to the cutting speed and the feed rate has been studied. Experimental results have been used in the validation of the 3D numerical models, which allow a deep study of the chip formation process. This approach has allowed an accurately reproduction of the physical phenomena that occurs in the median plan of the workpiece as well as in its sides. The predicted results have highlighted that, even in the case of orthogonal cutting process, the chip formation is a 3D phenomenon. In order to increase the reliability of 3D numerical models, a new thermo-visco-plastic law has been proposed. This law, identified and implemented in the software Abqus® through the subroutine VUMAT©, has been used to model machining process of the Ti6Al4V. It has resulted in a notable improvement of numerical results.

Ce manuscrit s'intéresse au devenir de contaminants organiques dans le sol, et plus précisément celui des composés organo-halogénés volatils (COHV).Il propose des outils d'aide à la décision en utilisant la modélisation numérique appliquée à des problématiques environnementales portant sur le traitement de sites et sols pollués par des COHV. Il présente, à ma connaissance, la première modélisation numérique en 3D, grâce au simulateur TMVOC, d'une technique de dépollution physique, à savoir le pompage réussi au sein d'un aquifère d'un liquide en phase non-aqueuse plus dense que l'eau ou Dense Non-Aqueous Phase Liquid (DNAPL). Les très bons résultats de cette simulation permettent d’envisager l’optimisation d’un système de pompage asservi pour dépolluer un site contaminé aux COHV. Cette thèse s'intéresse aussi à une méthode de d'évaluation, à la fois qualitative et quantitative, de l'efficacité du pompage : un test de traçage utilisant des traceurs bisolubles à coefficients de partage variables (partitioning interwell tracer test – PITT). Ce PITT permet de connaître à la fois la répartition spatiale, au sein d’un aquifère, d’une bulle de DNAPL et aussi d’en évaluer sa saturation et donc son volume. Ce manuscrit met à disposition des outils élaborés et adaptés au traitement d'un DNAPL dans un aquifère. La combinaison des deux techniques présentées, à savoir la modélisation d'un pompage de DNAPL et un PITT, sont parfaitement reproductibles dans des environnements similaires et à l'échelle industrielle. Enfin, ces méthodes permettent de réduire considérablement les coûts de caractérisation (PITT) et d'exploitation par l'optimisation de systèmes de pompage / This manuscript deals with the fate of organic contaminants in soil, more precisely of volatile organo-chlorinated compounds (VOHC) and offers some decision making techniques and tools using numerical modelling applied to environmental issues about the treatment of soils contaminated by VOHC. It presents, to the best knowledge of the auhor, the first 3D numerical modelling, with the simulator TMVOC, of a physical treatment technique, namely the successful pumping within an aquifer, of a Dense Non-Aqueous Phase Liquid (DNAPL). The very good results of this simulation give the opportunity to design a controlled and automated pumping system to remediate a polluted site. This thesis also deols with a tracer test assessment method, both qualitative and quantitative, for the efficiency of this pumping : a partitioning interwell tracer test (PITT). The PITT allows us to determine the spatial repartion of the DNAPL and also to assess its saturation, hence its volume. This manuscript offers elaborated tools adapted to the remediation of a DNAPL in an aquifer. The combination of these two techniques, namely the DNAPL pumping and the PITT, are perfectly reproducible in similar environments up to an industrial scale. Finally, exploitation and characterisation costs for DNAPL remediation can be extremely reduced by numerical modelling and optimisation

Ce travail concerne une étude expérimentale du comportement hygrothermique de matériaux bio-sourcés sous la forme de briques de terre comprimée (BTC) et de briques de terre stabilisée (BTS). Nous avons déterminé les propriétés thermo-physiques et les isothermes de sorption de ces matériaux et évalué l'influence de l'ajout de stabilisants chimiques (ciment et chaux), sur leurs conductivités thermiques et leurs capacités hygroscopiques. Cette étude est complétée par une modélisation et une simulation numérique des transferts de chaleur et de masse dans une cavité ventilée dont l'une des parois verticales est composée de BTC. Les transferts hygrothermiques dans la paroi, assimilée à un milieux poreux, et dans la cavité ventilée sont décrits respectivement par le modèle de Luikov et les équations classiques de la convection mixte. Ces équations de transferts sont résolues par une méthode implicite aux différences finie, la méthode itérative de Gauss-Seidel et l'algorithme de Thomas. Nous avons analysé l'influence de la température, de l'humidité relative et de la vitesse de l'air ambiant, la densité du flux de chaleur appliqué sur la face externe de la paroi ainsi que la nature du matériau bio-sourcé sur les transferts hygrothermiques dans cette paroi et l'écoulement d'air dans la cavité. Les résultats montrent que la stabilisation chimique augmente la conductivité thermique de la BTC et réduit sa capacité de sorption. L'accroissement de la densité du flux de chaleur appliqué sur la face externe de la paroi de BTC provoque une augmentation des transferts de chaleur par mode latent et sensible entre la face interne de cette paroi et l'air qui s'écoule dans la cavité. / This work concerns an experimental study of the hygrothermal behavior of compressed earth bricks (CEB) and stabilized earth bricks (SEB). We determined its thermo-physical properties and sorption isotherms and evaluated the impact of the chemical stabilizers (cement and lime) addition on their thermal conductivities and hygroscopic capacities. This study is complemented by a modeling and numerical simulations of heat and mass transfers in a ventilated cavity one of its vertical walls is composed of CEB. The heat an mass transfers in this wall, assimilated to a porous medium, and in the ventilated cavity are respectively described by the Luikov model and the mixed convection equations. The transfer equations are solved using an implicit finite difference method, the Gauss–Seidel method and the Thomas algorithm. We have analyzed the effects on the heat and mass transfers within this wall and in the cavity of the temperature and relative humidity air, the inlet air velocity in the cavity and the heat flux density applied on the external face of the vertical wall composed of CEB. These results show that chemical stabilization increase the thermal conductivity of CEB and leads to a reduction in moisture sorption capacity. The increase of the heat flux density applied to the external face of the wall composed of CEB leads to an augmentation of the latent and sensible heat transfers between the inner face of this wall and the air flowing in the cavity.

Ce travail de thèse concerne l’application d’une nouvelle technologie de préparation de catalyseurs propres Co/Al2O3 pour la synthèse de Fischer Tropsch (FT). Les matériaux sont préparés à l’aide d’un procédé de revêtement à sec dans un mélangeur à haut cisaillement le «Picomix». Les conditions opératoires, les supports en alumine, la taille des cristallites de cobalt et la teneur en charge de cobalt ont été optimisés pour augmenter l’activité catalytique du Co/Al2O3. De même, une modélisation DEM a été effectuée pour décrire le comportement des poudres dans le mélangeur. Les résultats expérimentaux montrent une très bonne adhésion des nanoparticules de Co3O4 à la surface des particules de Al2O3 pour une vitesse de rotation élevée pendant une courte période. Les particules γ-Al2O3 traitées thermiquement présentent une résistance mécanique améliorée des catalyseurs, mais une activité catalytique relativement faible. La taille des cristallites de Co3O4 a diminué de 64nm à 11nm après broyage dans un broyeur à boulets planétaire à 600 rpm/min pendant 40h. Enfin, le catalyseur optimal a été obtenu à 5000 rpm/min pendant 5min avec 5% en poids de cobalt. Le catalyseur obtenu présente des résultats catalytiques : conversion élevée en CO (37%) , sélectivité élevée en hydrocarbures en C5+ (75%) et faible sélectivité en CH4 (13%) à 250oC. La modélisation numérique par DEM a révélé que les paramètres liés aux conditions opératoires, la géométrie du dispositif et aux propriétés intrinsèques des particules avaient un impact sur le comportement des particules et la qualité de l’enrobage des matériaux / This thesis concerns the application of a novel preparation technology for Co/Al2O3 clean catalysts applied in Fischer Tropsch (FT) synthesis. The catalysts were prepared using a dry coating process in a high shear mixer “Picomix”. The operating conditions, alumina supports, cobalt crystallite size and cobalt loading content were optimized to increase the catalytic activity of Co/Al2O3 catalysts. Besides, DEM modeling was performed to describe the behavior or powders in the mixer. Experimental results showed a very good adhesion of the nano Co3O4 particles on the surface of Al2O3 particles after processed in the mixer under a high rotational speed and a short time. The heat-treated Al2O3γ particles presented enhanced mechanical strength of catalysts, however, exhibited relatively low catalytic activity. The Co3O4 crystallite size decreased from 64 nm to 11 nm after milling in planetary ball mill under 600 rpm for 40 h. Finally, the optimal catalyst was prepared by mixing milled-Co3O4 and Al2O3γ particles in “Picomix” under 5000 rpm for 5 min with 5 wt.% of Co. The obtained catalyst presented high CO conversion (37 %), high C5+ hydrocarbons selectivity (75 %) and low CH4 selectivity (13 %) in FT synthesis reaction at 250 oC. The DEM mumerical modeling revealed that the parameters related to operating condition, device geometry, and particle intrinsic properties had an impact on particle behavior and coating quality of materials

Ces vingt dernières années, le développement de réseaux haute résolution sismologiques et géodésiques denses a permis la découverte de nouveaux signaux géophysiques parmi lesquels on trouve les trémors non-volcaniques (Non-volcanic tremor, NVT, Obara 2002) et les glissements lents épisodiques (Slow Slip Event, SSE, Dragert et al., 2001). La combinaison de NVT et de SSE est communément observée le long des frontières de plaques, entre la zone sismogénique bloquée à faible profondeur et la zone en fluage ductile à plus grande profondeur (Dragert et al., 2004). Cette association définie des glissements et trémors épisodiques (Episodic Tremor and Slip, ETS), systématiquement associés à des surpressions de fluides et à des conditions proches de la rupture. Dans cette thèse, nous proposons de combiner une étude microstructurale de roches exhumées avec une approche par modélisation numérique afin de reproduire et de mieux comprendre la mécanique des glissements et trémors épisodiques.Nous nous sommes concentrés sur des roches continentales provenant de la Zone de Cisaillement Est du Tende (Corse, France), correspondant à une zone de cisaillement Alpine kilométrique ayant enregistré une déformation dans la zone de subduction (10 kb / 400-450°C, Gueydan et al., 2003). Ces conditions pression-température sont cohérentes avec la localisation des ETS dans les zones de subduction. Les analyses microstructurales et EBSD de ces roches mettent en évidence des localisations de la déformation le long de zones de cisaillement centimétriques contrôlées par une rhéologie dépendante de la taille des grains. La microfracturation de la phase dure (ici du feldspath) et le colmatage de ces microfractures correspondent, respectivement, à de processus de réduction et d’augmentation de la taille des grains.La plupart des récentes modélisations des ETS sont basées sur une loi frictionnelle dite rate-and-state, associant les SSE et les NVT à un cisaillement sur un plan. Contrairement à ces modèles, nous souhaitons modéliser l’ensemble de la roche (et non pas uniquement un plan) avec une rhéologie ductile dépendante de la taille des grains directement guidée par nos observations microstructurales (avec microfracturation et colmatage), Nous faisons l’hypothèse que les SSE peuvent résulter d’une localisation ductile de la déformation et non d’un glissement sur des fractures. Durant la localisation de la déformation, le pompage des fluides peut déclencher une fracturation de la roche par surpression de fluide, ce qui pourrait être la signature des NVT. Le modèle numérique 1D présenté ici nous permettra de valider ces hypothèses. En suivant la loi de Darcy, notre approche nous permet également de prédire les variations de la pression de pore en fonction des variations de la porosité/perméabilité et du pompage des fluides.Les résultats numériques montrent que l’évolution dynamique des microstructures, dépendante des fluides, définie des cycles de localisation ductile de la déformation liés aux augmentations de la pression de fluide. Notre modèle démontre que la disponibilité des fluides et l’efficacité du pompage des fluides contrôlent l’occurrence des ETS. Nous prédisons également les conditions pression-température nécessaires au déclenchement des ETS : 400-500°C et 30-50 km de profondeur en subduction, et ~500°C et 15-30 km de profondeur le long des zones de décrochement. Ces conditions PT sont cohérentes avec les exemples naturels.Aussi simple soit-elle, notre modèle mécanique s’appuyant sur des observations de terrain décrit correctement la relation entre surpressions de fluides, rhéologie dépendant de la taille des grains et le déclenchement des ETS. Des travaux restent à entreprendre comme par exemple la comparaison directe de nos résultats avec des données géophysiques (GPS) ou bien l’introduction d’un nouvelle assemble minéralogique, comme par exemple des roches mafiques pour prendre en compte des minéralogies océaniques. / These last twenty years, the development of dense and highly sensitive seismologic and geodetic networks permits the discovery of new geophysical signals named non-volcanic tremor (Obara 2002) and slow slip events (Dragert et al., 2001). The combination of non-volcanic tremor and transient slow slip is commonly observed at plate interface, between locked/seismogenic zone at low depths and stable/ductile creep zone at larger depths (Dragert et al., 2004). This association defines episodic tremor and slip, systematically highlighted by over-pressurized fluids and near failure shear stress conditions. In this thesis we propose to combine a microstructural analysis of exhumed rocks with a modeling approach in order to accurately reproduce and understand the physics of episodic tremor and slip.We focus on continental rocks from the East Tenda Shear Zone (Corsica, France), a kilometer-wide localized Alpine shear zone that record HP/LT deformation (10kb / 400-450°C, Gueydan et al., 2003). Such pressure-temperature conditions are consistent with the location of episodic tremor and slip in subduction zone. Microstructural and EBSD analyses on these rocks describe a pattern of strain localization in centimeter-scale shear zones guiding by a grain size-sensitive creep. Microfracturing of the strong phase (feldspar here) and the sealing of these microfractures act, respectively, as grain size decrease and grain size increase processes.Most of recent modeling approaches of episodic tremor and slip are based on the rate-and-state variable friction law, describing slow slip event and non-volcanic tremor as slow shear slip on a plane. In contrast with such models, we wish to model the entire rock volume, with a ductile grain size-sensitive rheology guided by our microstructural observations (e.g. microfracturing and sealing as grain size variation processes). We hypothesize that slow slip events may result from ductile strain localization and not transient slip on fractures. Fluid pumping during strain localization may trigger whole rock fracturing at near lithostatic conditions that can be the signature of non-volcanic tremor. The 1D numerical model presented here will allow us to validate these assumptions.We also can predict pore fluid pressure variation as a function of changes in porosity/permeability and strain rate-dependent fluid pumping following the Darcy’s flow law. The fluid-enhanced dynamic evolution of microstructure defines cycles of ductile strain localization related to the increase in pore fluid pressure. We show that slow slip events can be ductile processes related to transient strain localization, while non-volcanic tremor can correspond to fracturing of the whole rock at peak of pore fluid pressure. Our model shows that the availability of fluids and the efficiency of fluid pumping control the occurrence of episodic tremor and slip. We also well predict the temperature and depth ranges of episodic tremor and slip: 400-500°C and 30-50 km in subduction zones and ~500°C and 15-30 km in strike slip settings, consistent with natural examples.As simplistic as it is, our field-guided mechanical model well describe, at first order, the relation between high pore fluid pressure, grain size-sensitive rheology and episodic tremor and slip. Some efforts remain to be done like a real fit of geophysical data (GPS) or the introduction of the new mineralogical assemblage, such as mafic rocks to reproduce oceanic environment.

L'objectif général de la thèse est la simulation numérique des mouvements forts du sol dûs aux séismes. Les déformations importantes du sol engendrent des comportements nonlinéaires dans les couches superficielles. L'apport principal de la thèse est la prise en compte de la nonlinéarité des milieux dans un contexte éléments finis Galerkin discontinus. Différentes lois de comportement sont implémentées et analysées. Le cas particulier du modèle élastoplastique de Masing-Prandtl-Ishlinskii-Iwan (MPII) est approfondi. Cette étude est divisée en deux parties. Une première qui vise à poser la structure du problème en présentant les équations et modèles utilisés pour décrire les mouvements du sol. Dans cette partie nous présentons également la méthode d’approximation spatiale Galerkin Discontinue ainsi que les différents schémas temporels que nous avons considérés. Une attention particulière est portée sur la complexité algorithmique du modèle nonlinéaire élastoplastique MPII en vue de réduire le temps de calcul des simulations. La deuxième partie est dédiée aux applications numériques. Ces applications sont réparties en trois catégories distinctes. 1) Nous nous intéressons toutd’abord à la configuration unidimensionnelle où une seule onde de cisaillement est propagée. Dans ce contexte, un flux numérique décentré est établi et des applications aux cas nonlinéaire élastique et nonlinéaire élastoplastique sont étudiées. Une solution analytique concernant le cas nonlinéaire élastique est proposée, ce qui permet de réaliser une étude numérique de convergence. 2) Le problème unidimensionnel étendu aux trois composantes du mouvement est étudié et utilisé comme un premier pas vers le 3D compte tenu du couplage entre les ondes de cisaillement et de compression. Nous nous intéressons ici à des signaux synthétiques et réels. L’application d’une méthode permettant de réduire significativement le temps de calcul du modèle élastoplastique est détaillée. 3) Une configuration tridimensionnelle est examinée. Après différentes applications de vérification en milieu linéaire, deux cas d’étude élastoplastique sont analysés. Une première sur un mode propre d’un cube puis une seconde sur un milieu plus réaliste composé d’un bassin hémisphérique à couches sédimentaires ayant un comportement élastoplastique / The general objective of this thesis is the numerical simulation of strong ground motions due to earthquakes. Significant deformations of the soil generate nonlinear behaviors in the superficial layers. The main contribution of this work is to take into account the nonlinearity of the media in a discontinuous Galerkin finite elements context. Different constitutive laws are implemented and analyzed. The particular case of theMasing-Prandtl-Ishlinskii-Iwan (MPII) elastoplastic model is looked at in-depth. This study is divided into two parts. A first one that aims at defining the framework of the problem by presenting the equations and models used to describe the soil motion. In this part we also present the Galerkin Discontinuous spatial approximation method as well as the different temporal schemes that we considered. Particular attention is paid to the algorithmic complexity of the nonlinear elastoplastic MPII model in order to reduce the computation time of simulations. The second part is dedicated to numerical applications. These applications are divided into three distinct categories. 1) We are first interested in the one-dimensional configuration where a single shear wave is propagated. In this context, an upwind numerical flux is established and applications to nonlinear elastic and nonlinear elastoplastic cases are studied. Ananalytical solution concerning the nonlinear elastic case is proposed, which makes it possible to carry out a numerical study of convergence. 2) The one-dimensional problem extended to the three components of the motion is studied and used as a first step towards 3D applications considering the coupling between the shear and compression waves. We are interested here in synthetic and real input signals. The application of a method that significantly reduces the calculation time of the elastoplastic model

L'approche multi-échelle FEMxDEM est une méthode numérique innovante pour les problèmes géotechniques impliquant des matériaux granulaires. La méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des éléments discrets (DEM) sont simultanément appliquées à résoudre, respectivement, le problème structurel à la macro-échelle et la microstructure du matériau à la micro-échelle. L'avantage d'utiliser une telle configuration à double échelle est de permettre d'étudier un problème d'ingénierie sans la nécessité de lois de comportement standard, capturant ainsi l'essence des propriétés des matériaux. Le lien entre les échelles est obtenu par homogénéisation numérique, de sorte que la loi de comportement continu numérique et la matrice tangente correspondante sont obtenues directement à partir de la réponse discrète de la microstructure.En règle générale, l'approche FEMxDEM présente quelques inconvénients; la vitesse de convergence et la robustesse de la méthode ne sont pas aussi efficaces que dans les modèles FEM classiques. De plus, le coût de calcul de l'intégration de la micro-échelle et la dépendance du maillage typique de la macro-échelle, rendent l'approche multi-échelle FEMxDEM discutable pour des utilisations pratiques. Le but de ce travail est de se concentrer sur ces questions théoriques et numériques avec l'objectif de rendre l'approche multi-échelle FEMxDEM robuste et applicable à des configurations à l'échelle réelle. Une variété d'opérateurs est proposée afin d'améliorer la convergence et la solidité de la méthode dans un cadre quasi-Newton. L'indépendance de l’intégration des différents points de Gauss et les caractéristiques d’intensivité sur les d'éléments sont exploités par l'utilisation d’une parallélisation en utilisant un paradigme OpenMP. Au niveau macro, une relation constitutive second gradient est mise en œuvre afin d'enrichir la relation de Cauchy de premier gradient apportant indépendance du maillage au modèle.Les améliorations susmentionnées rendent l'approche FEMxDEM compétitive avec les modèles FEM classiques en termes de coût de calcul permettant ainsi d'effectuer des simulations multi-échelle FEMxDEM robustes et indépendantes du maillage, depuis l'échelle du laboratoire (par exemple essaie biaxiale test) jusqu’à celle du problème à l'échelle de l'ingénierie (par exemple, excavation d’une galerie).Mots clés:Double échelle, homogénéisation numérique, loi constitutive numérique, élasto-plasticité, second gradient, matériaux microstructurés, grande déformation, éléments finis, éléments discrets, méthode de Newton, parallélisation, unicité. / The multi-scale FEMxDEM approach is an innovative numerical method for geotechnical problems involving granular materials. The Finite Element Method (FEM) and the Discrete Element Method (DEM) are simultaneously applied to solve, respectively, the structural problem at the macro-scale and the material microstructure at the micro-scale. The advantage of using such a double scale configuration is that it allows to study an engineering problem without the need of standard constitutive laws, thus capturing the essence of the material properties. The link between scales is obtained via numerical homogenization, so that, the continuum numerical constitutive law and the corresponding tangent matrix are obtained directly from the discrete response of the microstructure.Typically, the FEMxDEM approach presents some drawbacks; the convergence velocity and robustness of the method are not as efficient as in classical FEM models. Furthermore, the computational cost of the microscale integration and the typical mesh-dependency at the macro-scale, make the multi-scale FEMxDEM approach questionable for practical uses. The aim of this work is to focus on these theoretical and numerical issues with the objective of making the multiscale FEMxDEM approach robust and applicable to real-scale configurations. A variety of operators is proposed in order to improve the convergence and robustness of the method in a quasi-Newton framework. The independence of the Gauss point integrations and the element intensive characteristics of the code are exploited by the use of parallelization using an OpenMP paradigm. At the macro level, a second gradient constitutive relation is implemented in order to enrich the first gradient Cauchy relation bringing mesh-independency to the model.The aforementioned improvements makes the FEMxDEM approach competitive with classical FEM models in terms of computational cost thus allowing to perform robust and mesh-independent multi-scale FEMxDEM simulations, from the laboratory scale (e.g. biaxial test) to the engineering-scale problem, (e.g. gallery excavation).Keywords:Double scale, numerical homogenization, numerical constitutive law, elasto-plasticity, second gradient, microstructured materials, large strain, finite elements, discrete elements, Newton method, parallelization, uniqueness.