Ce mémoire résume sept ans d'activités de recherche, depuis l'obtention de mon titre de docteur de l'Ecole Nationale des Ponts et Chaussées en 2004. Ces travaux se sont déroulés d'abord à l'ENPC et à l'Université de Padoue (Italie), ensuite au Commissariat pour l'Energie Atomique et, plus récemment, au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (aujourd'hui Institut Français des Sciences et Technologies des Transports de l'Aménagement et des Réseaux). Les travaux présentés dans ce mémoire couvrent plusieurs sujets relatifs aux phénomènes de transferts: on passe de la modélisation thermo-hydraulique (intégrée par les aspects mécaniques) des milieux poreux via une approche continue, à l'étude des foules humaines, où chaque individu est pris en examen via une approche discrète. Une attention particulière a été portée aux aspects numériques et chaque sujet est détaillé avec des considérations relatives à l'implémentation et aux algorithmes associés. Dans la démarche présentée, l'expérience en laboratoire joue aussi un rôle important et la symbiose qui existe entre expérience, théorie et numérique est mise en évidence.

The present text, submitted to the University of Liège in fulfillment of the requirements for the degree of Docteur en Sciences de lIngénieur, aims at improving the understanding and description of air‐water interactions in transient flows. A particular emphasis is set on phenomena relevant in civil and environmental engineering, like rivers, pipes, and hydraulic structures. Theoretical results of this doctoral research may be summarized in two main propositions. First, I show that any mathematical model for free surface flows can be extended to pressurized flows. Second, the multiphase drift‐flux model is proven an adequate alternative to Navier‐ Stokes equations in civil and environmental engineering. These propositions underpin the development of original mathematical models and new computational codes (WOLF1D and WOLF IMPack). Validation and application on actual cases prove the efficiency of the new approach. Original concepts introduced in this thesis pave the way for further research on environmental flows, especially on the mathematical description of transport phenomena (pollutants, sediments) and heterogeneous interactions (vegetation, rough bed).

Les vibrations dans les sols constituent un problème environnemental de plus en plus important. Cette étude adresse plusieurs aspects des vibrations du sol. Les conditions locales du site et l'amplification des ondes sismiques représentent un sujet largement étudié en sismologie et en ingénierie sismique. Bien que la plupart des études soient consacrées à la sismologie d'ingénierie et à l'ingénierie sismique, des approches similaires pour la classification des sols et l'amplification du site n'ont pas encore été pleinement établies dans le domaine des vibrations urbaines.D'abord, une stratégie d’optimisation pour la méthode des couches absorbantes a été développée afin d'améliorer la précision des modèles par éléments finis. La conception de couches absorbantes simples en éléments finis par l'annulation de la partie réelle des ondes réfléchies dans le domaine du nombre complexe s'est révélée efficace lorsqu'elle est couplée à la réduction de la rigidité de la couche absorbante. Une réduction excessive de la rigidité ainsi que l'augmentation excessive du facteur de rigidité dans la matrice d'atténuation ont permis une grande réduction de la taille de la couche absorbante et par suite la conception d'une couche absorbante moins coûteuse.Ensuite, une partie importante du travail a été consacrée à la dérivation d'un nouvel ensemble de paramètres du type gradient de vitesse qui contrôle le transfert des vibrations à travers des sols multicouches. L'absence d'une approche compréhensive et bien structurée pour la prédiction et la classification des sites pour les problèmes de vibration laisse le problème large et compliqué. Différents sites ayant différentes propriétés mécaniques et géométriques ont été examinés à l'aide des éléments finis. Les réponses des sites ont été formulées dans des approches spectrales et temporelles simples. Les paramètres nouvellement dérivées ainsi que les lois spectrales servent de moyen de classification des sols multicouches pour les problèmes de vibrations et peuvent même être utilisées à des fins de conception.D’ailleurs, un outil d'intelligence artificielle pour prédire la réponse du sol en utilisant les paramètres précédemment dérivées associées aux propriétés géométriques de la couche de surface a été développé. L'outil des réseaux neurone a été utilisé pour analyser les effets paramétriques des paramètres de gradient de vitesse par rapport à la profondeur de la couche de surface. Des conclusions importantes ont été tirées de l'analyse concernant les propriétés mécaniques et géométriques des couches multiples et leurs effets variantes avec la distance de la source.Enfin, les enregistrements de sources multiples ont été étudiés en les comparants aux réponses spectrales des différents sites définis dans les sections précédentes. Le taux d'appariement entre le contenu spectral d'une source particulière et un site donné sert à évaluer l’aléa vibratoire causé par cette source au site correspondant. L'évaluation des risques de vibrations conduit à un lien de classification entre les sources d'une part et les sites caractérisés par des paramètres à gradient de vitesse d'autre part / Ground vibration is an increasingly important environmental problem. This study investigates multiple aspects of ground vibration. Local site conditions and the related amplification of seismic waves represent a widely studied topic in seismology and earthquake engineering. While most of the studies are dedicated to engineering seismology and earthquake engineering, similar approaches for soil classification and site amplification have not been yet fully established in the field of urban vibrations.First an improvement strategy for absorbing layer method was developed in order to enhance precision of the FEM models. The design of simple absorbing layers in FEM through the nullification of the real part of reflected waves in the complex number domain proved to be efficient when coupled with the stiffness reduction of the absorbing layer. Excessive reduction of the stiffness along with the excessive increase of the stiffness factor in the attenuation matrix enabled a large reduction in the size of the absorbing layer and therefore the design of an inexpensive absorbing layer.Afterwards an important part of the work was dedicated to the derivation of a new set of parameters of the velocity-gradient type that controls the vibration transfer through multilayered soil. The absence of a well-structured comprehensive approach for prediction and site classification for vibration problems leaves the problem broad and complicated. Different sites with different mechanical and geometrical properties were examined using FEM and their surface response was studied. Sites responses were formulated in simple time domain and spectral approaches. The newly derived proxies along with the spectral laws serve as a classification mean for multilayered soils in the vibration problem and may even be used for design purposes.An artificial intelligence tool for predicting soil response using the previously derived proxies coupled with the geometrical properties of the surface layer was later developed. The neural networks tool was used to analyze the parametric effects of the velocity-gradient proxies versus that of the surface layer’s depth. Important conclusions were derived from the analysis regarding the mechanical and geometrical properties of multiple layers and their varying effects with distance from the source.Finally multiple sources recordings were studied through comparing them with the spectral responses of different sites defined in the previous sections. The rate of matching between the spectral content of a particular source and a given site serves as a mean to assess the vibration hazard caused by this source to the corresponding site. The vibration hazard assessment leads to a classification link between sources in one hand and sites characterized by velocity-gradient proxies on the other hand

Les technologies de l'information atteignent une maturité en ce qui concerne leur application sur les produits grand public. A ce stade, la conception poussée par technologies doit se tourner vers la conception centrée utilisateur. Nous avons observé les tendances suivantes dans le domaine des Appareils Numériques Electroniques Grand Public (ANEGP) : la convergence de fonctions et de fonctionnalités et la diversité de dispositifs d'entrée et de sortie de l'information. Dans ce contexte, l'ergonome est appelé le plus tôt possible dans le processus de conception et ce, en tant que porteur du projet. La phase de développement de concepts demande à l'ergonome de jongler constamment entre la créativité et l'évaluation. Il a besoin d'élaborer des Représentations Intermédiaires (RI) précoces et de repositionner les méthodes classiques. Nous avançons deux hypothèses : Les différentes RI formalisées au cours de l'Analyse des Tendances Conjointes peuvent être utilisées en tant qu'outil de dialogue interdisciplinaire. Les techniques dites économiques peuvent être utilisées afin de tester les pré-concepts. Nous avons expérimenté ces hypothèses dans le cadre d'un projet RNRT Télévision Interactive (TVi). Le résultat de cette recherche est un modèle du processus de conception des ANEGP pour générer des concepts adaptés aux utilisateurs. Au cours de la construction de ce modèle nous avons pu contribuer à une meilleure compréhension des démarches de l'ergonome dans le domaine des ANEGP.

Cette thèse fait partie du projet FLUXOBAT (ANR-PRECODD 2008), qui a pour objectif global de développer une méthodologie robuste et fiable d4estimation des transferts de Composés Organiques Volatils (COV) du milieu souterrain vers l4air intérieur et extérieur. Ce travail concerne l4étude à l4échelle du laboratoire des transferts d4un COV type, le trichloréthylène (TCE), au travers d4un sol modèle (sable) et surtout du béton, en conditions isothermes et pour des milieux secs. Les moyens utilisés sont la modélisation numérique et une série d4expériences en laboratoire. Une étude préliminaire reproduisant des expériences existant dans la littérature dans le sable uniquement, a tout d4abord permis de mettre en place les outils expérimentaux et numériques nécessaires à la modélisation du problème, avant la réalisation de l4étude sur le matériau béton, bien plus complexe. L4étude des transferts dans le béton a été divisée en plusieurs étapes. Dans un premier temps, les transferts dans la pâte de ciment, plus homogène, ont été caractérisés. En particulier, la valeur du coefficient de sorption du TCE dans ce matériau a été obtenue à l4aide du suivi expérimental de la réponse à un « pulse » de polluant. Puis, les paramètres caractéristiques (porosité, perméabilité, ouverture des fissures, coefficient de diffusion effectif) des échantillons tests de « béton complet » ont été mesurés. Un protocole de caractérisation complète des galettes de béton a été mis au point, associé à la création d4un dispositif permettant la mise en place d4expériences de transferts du TCE (composé dont l4étude est complexifiée par son caractère particulièrement agressif) et applicables à tout milieu poreux consolidé. La problématique de l4hétérogénéité du béton, due à la présence de granulats et de fissures, a été traitée afin de proposer des équations de transfert moyennées donnant une meilleure description des transferts. Les conditions d4un cas de pollution « réel » ont été reproduites à l4échelle du laboratoire, sur un modèle réduit, dans une colonne de sable surmontée d4une galette de béton et d4une cavité en dépression représentant un bâtiment, pour étudier les transferts de TCE et valider la caractérisation développée dans l4étude. Les expériences de transferts réalisées sont reproductibles, ont été interprétées numériquement (sous Comsol multiphysics®), et ont permis de confirmer la pertinence de la simulation des transferts à l4aide de la caractérisation développée dans cette étude. Ce travail a permis de mettre, en particulier, en évidence l4importance de la caractérisation fine du béton, dont les propriétés et l4hétérogénéité sont des facteurs très influents sur les transferts, qui ne peuvent pas être décrits correctement avec des modèles analytiques simplifiés. Les résultats comportent l4estimation des paramètres caractérisant les transferts de COV dans le béton, et une compréhension fine des transferts du TCE dans ce matériau. / This thesis is part of the project FLUXOBAT (ANR-PRECODD 2008), which has the overall objective to develop, a robust and reliable methodology for estimating the transfer of Volatile Organic Compounds (VOC) from the soil to the indoor and outdoor air. This work concerns the study, at laboratory scale, of a typical VOC, the Trichlorethylene (TCE), transfer through a model soil (sand) and through the concrete material, under isothermal and dry conditions. Methods used include numerical modeling and a series of laboratory experiments. A preliminary study replicating experiences existing in the literature, with sand only, was first implemented to develop the tools necessary for experimental and numerical modeling of the problem, before the completion of the study with the concrete material, although more complex. The study of transfers in concrete has been divided into several stages. Initially, the transfers in the cement paste, more homogeneous, have been characterized. In particular, the value of the sorption coefficient of TCE in this material was obtained using the experimental response to a "pulse" of pollutant. Then the characteristic parameters (porosity, permeability, crack opening, effective diffusion coefficient) of "complete concrete" test samples were measured. A protocol for complete characterization of concrete slabs has been developed, associated with the creation of a device for the implementation of TCE transfer experiences (compound whose study is complicated by its very aggressive character) and applicable to any consolidated porous medium. The problem of heterogeneity of concrete, due to the presence of aggregates and cracks, has been treated to propose averaged transfer equations, giving a better description of the transfers. The conditions of a "real" pollution incident were reproduced in laboratory, modeled by a sand column topped by a concrete slab and a vacuum cavity representative of a building, in order to study the transfer of TCE and validate the characterization developed in the study. The transfer experiments are reproducible, were numerically interpreted (with COMSOL Multiphysics®), and have confirmed the relevance of the transfer simulation using the characterization developed in this study. This work has enabled, in particular, to highlight the importance of detailed characterization of the concrete, which properties and heterogeneity are exceedingly influential on transfers, and which cannot be described correctly with simplified analytical models. The results include the estimation of parameters characterizing the transfer of VOCs into the concrete, and a keen understanding of transfer of TCE in this material.

Une étude numérique de l’écoulement dans la buse et de l’atomisation primaire en injection Diesel est conduite afin de comprendre le lien entre la géométrie interne de l’injecteur et l’atomisation du carburant. En raison de la complexité des phénomènes impliqués, les effets de compressibilité sont étudiés séparément de ceux liés à la turbulence et à la dynamique tourbillonnaire.Dans une première partie, un modèle à 5 équations pour des écoulements diphasiques à deux espèces est développé et implémenté dans le code IFP-C3D pour analyser les effets de compressibilité sur l’écoulement. Il décrit des mélanges gaz-liquide dont la phase gazeuse est composée de deux espèces : vapeur et gaz non condensable. Le modèle est validé à l’aide de trois cas test très répandus et est appliqué à un injecteur monotrou. Les résultats sont comparés à des données expérimentales, confirmant que le modèle est capable de reproduire la formation de vapeur et la détente de l’air. Dans une seconde partie, l’impact de la géométrie de la buse sur la génération de turbulence, sur la dynamique tourbillonnaire et sur l’atomisation primaire est étudié sous l’hypothèse d’un écoulement incompressible. Large-Eddy Simulation est employée pour simuler l’écoulement dans la buse et proche de sa sortie.La méthodologie employée consiste à comparer des géométries de buse se distinguant par des paramètres de conception très tranchés. Les résultats montrent que l’atomisation du carburant dans la zone d’atomisation primaire est le résultat de un phénomène de haute fréquence engendré par des tourbillons détachés, et un phénomène de basse fréquence causé par filaments tourbillonnaires. Les interactions complexes entre ces tourbillons impactent le type d’atomisation, la stabilité du spray et la taille des gouttes. Il est conclu qu’en agissant sur ces deux types de tourbillons, il est envisageable de contrôler dans certaines limites la dynamique du spray. / Numerical study of nozzle flow and primary breakup in Diesel injection is conducted in order to understand the link between injector geometry and fuel atomization. Owing to the complex physical processes involved, flow compressibility effects are studied separately from turbulence and vortex dynamics.In a first part, a 5-Equation model for two-phase, two-species flows is developed and implemented in the IFP-C3D code to analyze the flow behavior under compressibility effects. It is intended for liquid-gas mixtures where the gas phase is composed of two species, vapor and noncondensable gas. The model is validated against three well-known test cases and is applied to a single hole injector. The results are compared with available experimental and numerical data, showing that it is able to successfully predict vapor formation and air expansion. In a second part, the impact of nozzle geometry on turbulence generation, vortex dynamics and primary breakup is studied assuming incompressible flow. Large-Eddy Simulation is used to simulate the flow inside the nozzle and close to its exit.The investigation strategy consists of comparing different geometries with contrasting design parameters. The results show that fuel atomization in the primary breakup region is driven by a high frequency event triggered by shed vortices, and a low frequency event caused by large string vortices. The complex interaction between them determines the breakup pattern, the spray stability and the size of ligaments and droplets. In view of the results, it is concluded that acting on these two structures makes it possible to control the dynamics of the spray to some extent.

Le sillage d'avion est composé de plusieurs tourbillons énergétiques dont la durée de vie peut atteindre plusieurs minutes. Ils peuvent représenter un danger pour un avion suiveur en raison d'un fort moment de roulis induit. Le travail présenté ici contribue à la connaissance du comportement de ces tourbillons à l'aide de simulations numériques directes et aux grandes échelles. Différents aspects de la dynamique des tourbillons ont été étudiés. Le premier concerne la propagation et la collision de fronts d'onde le long d'un tourbillon. Ces fronts peuvent être générés lors de la reconnexion des tourbillons contrarotatifs dans le champ lointain du sillage (instabilité de grande longueur d'onde). Les caractéristiques de la propagation et de ses conséquences ont été mises en évidence, ainsi qu'un critère objectif d'apparition du phénomène d'explosion tourbillonnaire (contribue fortement à la dissipation du sillage). Par le biais de simulations temporelles, une étude paramétrique a ensuite été menée pour caractériser et quantifier l'interaction entre un tourbillon et un jet de moteur. Les résultats obtenus montrent que l'écoulement de jet a pour effet de diminuer le pic de vitesse des tourbillons en condition de croisière. En conditions hypersustentées, le jet peut être suffisamment puissant pour mener à la déstructuration du tourbillon. Le dernier phénomène étudié est la fusion des tourbillons corotatifs émis en bout d'aile et de volet. L'approche temporelle a permis d'étudier ce processus dans des conditions stables et instables sans vitesse axiale, pour deux modèles de tourbillons. Des conditions limites adaptées ont par la suite été implantées dans le but d'effectuer des simulations spatiales de ce processus de fusion. Ce type de simulation permet en outre de prendre en compte la torsion du système tourbillonnaire et l'influence d'une vitesse axiale. Deux configurations d'écoulements ont été simulées et ont permis de montrer la complexité des mécanismes instationnaires existants. Cette thèse a été réalisée au CERFACS dans le cadre du projet européen FAR-Wake.

Nous etudions l'interaction entre une onde sonore et un<br />ecoulement. Nous avons developpe pour cela<br />deux outils d'analyse complementaires: une methode analytique basee<br />sur le developpement en ondes partielles de l'onde sonore, et une simulation<br />numerique directe avec conditions aux limites ouvertes d'ecoulements<br />compressibles, isothermes et non dissipatifs.<br /><br />Nous sommes ainsi en mesure de quantifier les approximations de champ lointain<br />et de Born, usuellement employees dans la modelisation de l'interaction<br />son-ecoulement. Nous presentons ensuite les ecarts a l'approximation<br />de Born pour un ecoulement a circulation nulle et l'importance de la<br />refraction du son par l'ecoulement dans le processus de diffusion. Nous<br />discuterons egalement dans quelle mesure la vorticite de l'ecoulement est<br />la source de diffusion predominante. Enfin, nous montrons que les outils developpes permettent l'analyse de situations experimentales de diffusion de son par des<br />ecoulements turbulents.

L'un des domaines de recherche les plus actifs concernant la physique des disques d'accrétion est la compréhension des mécanismes à l'origine du transport de moment cinétique. Deux instabilités sont susceptibles d'en être responsables dans les disques massifs et magnétisés: l'instabilité magnéto--rotationnelle (MRI), due à la présence du champ magnétique, et l'instabilité gravitationnelle lorsque la masse du disque est suffisante. <br /><br />Cette thèse étudie l'évolution de ces disques d'accrétion grâce à des simulations numériques magnétohydrodynamiques (MHD) globales en tenant compte du potentiel gravitationnel créé par le disque lui--même.<br /><br />Dans la première partie, des simulations bidimensionnelles à symétrie cylindrique <br />permettent de se concentrer sur les propriétés de l'instabilité MRI dans ce type de <br />disque: en accord avec les résultats obtenus dans les simulations de disques de faible masse, elle croît linéairement puis conduit à la turbulence MHD. La masse importante du disque modifie le profil radial de rotation dans ses parties externes.<br /><br />Les simulations tridimensionnelles réalisées dans la deuxième partie montrent que <br />la turbulence MHD et l'instabilité gravitationnelle interfèrent fortement: <br />l'interaction non--linéaire entre les modes gravitationnellement instables et ceux <br />excités par la turbulence entraîne une modulation périodique du taux \dac sur l'objet <br />central. De plus, la turbulence inhibe la formation de planètes par instabilité <br />gravitationnelle lorsque l'équation d'état est isotherme.<br /><br />Enfin, dans la troisième partie, des simulations numériques 2D sont effectuées <br />pour étudier la migration des planètes de masse terrestre dans un disque magnétisé. Elles confirment l'existence, prédite par une étude récente, de deux résonances magnétiques de part et d'autre de l'orbite de la planète. Leur présence modifie le couple exercé par le disque sur la planète. Le sens de migration de la planète s'inverse lorsque le champ magnétique décroît suffisamment rapidement avec le rayon.

Au sein du génie industriel, cette recherche a pour objectif de proposer des outils et des méthodes qui facilitent l'identification, l'intégration et le transfert des besoins et des attentes des usagers dans une démarche de conception de produits nouveaux. Dans le cadre d'une convention CIFRE passée avec le CTBA, nous avons expérimenté le transfert, au sein des méthodes de conception des cuisines, de deux axes complémentaires d'évolution pour le métier d'ergonome concepteur. Le premier axe concerne l'interdisciplinarité nécessaire à tout projet d'innovation. Il met en avant le fait que l'ergonome se doit d'adopter une démarche d'innovation anthropocentrée et démontre l'apport de disciplines telles que la sociologie ou encore le marketing dans une meilleure indentification, par l'ergonome concepteur, des besoins et des attentes des usagers. La notion d'usage y joue un rôle de référentiel commun pour l'équipe de conception. Le second axe est l'utilisation d'un outil de simulation en 3D des activités gestuelles d'utilisation pour appréhender les situations d'utilisation futures possibles. Nous présentons les retombées qu'il peut avoir au sein du processus de conception de meubles de cuisine et ses apports dans la mise en avant de la valeur ajoutée de l'ergonomie. Nos résultats aboutissent à la proposition d'une démarche anthropocentrée de conception basée sur l'usage et qui utilise un outil de simulation 3D des activités gestuelles pour intégrer plus efficacement els attentes et les besoins des usagers dans la reconception de produits existants ou dans la conception de futurs produits. Cette nouvelle démarche constitue un moyen de faire évoluer le métier d'ergonome concepteur vers de nouvelles pratiques coopératives et anthropocentrées intégrant les modes de vie au coeur de la conception de produits.