Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'étude du mouvement d'inclusions solides en suspension dans un écoulement turbulent de canal isotherme et anisotherme par simulation numérique directe. Grâce à cet outil de simulation, nous avons pu analyser l'influence de l'inertie et du croisement de trajectoires sur les caractéristiques dynamiques et thermiques de la phase dispersée ainsi que sur celles du fluide vu au sein d'une turbulence non homogène. Cela pourra notamment faciliter le développement futur des modélisations euléro-lagrangienne et euléro-eulérienne dans ce type de turbulence. Nous avons essayé d'examiner au mieux la conséquence de ces effets sur les statistiques de la phase dispersée telles que la concentration, la moyenne et l'écart type de la vitesse, les covariances fluide-particules, les corrélations triples de la vitesse des particules. Parallèlement à cela, les caractéristiques du fluide vu par les particules ont été étudiées, nous nous sommes intéressés à la vitesse de dérive, aux tensions de Reynolds du fluide vu, et la décorrélation temporelle des fluctuations de la vitesse du fluide vu. En ce qui concerne la partie thermique, nous présentons les statistiques thermiques de la phase dispersée et du fluide vu par les particules au sein de l'écoulement anisotherme vertical descendant. Tous ces aspects sont développés en gardant à l'esprit le cadre général de cette étude, c'est-à-dire comprendre le comportement thermique de la phase dispersée et fournir des informations concernant des grandeurs importantes intervenant dans la modélisation de tels écoulements.

Dans un contexte de navigation visuelle en environnement ouvert et dynamique, la détection d'obstacles constitue un élément indispensable. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la caractérisation des obstacles par le temps avant collision (TTC). Ayant montré que ce TTC peut être calculé directement dans une image à l'aide de l'échelle intrinsèque, nous avons mis au point un détecteur ainsi qu'un algorithme de suivi invariant au changement d'échelle et adapté à un environnement urbain. Ce détecteur permet d'extraire des régions d'intérêt appelées segments de crête correspondant à des formes contrastées et rectilignes dans l'image. Le suivi de ces régions d'intérêt est fondé sur un filtre à particules et permet de mesurer la variation d'échelles afin d'estimer le TTC. Enfin, nous avons étudié deux applications de navigation visuelle d'un véhicule telles que l'arrêt du véhicule avant collision et un système d'évitement réactif d'obstacles bayésien.

Le transport de neige par le vent occasionne des nuisances qui entravent certaines activités du secteur des transports et du tourisme. Il déplace les dépôts de neige et modifie la structure du manteau neigeux. A ce titre, il participe à l'augmentation du risque d'avalanche. Ces différents aspects justifient l'activité de recherche menée depuis plusieurs années au Cemagref de Grenoble et dans laquelle cette étude trouve naturellement sa place. Ainsi les travaux précédents ont contribué à la modélisation physique et numérique de prévision du transport de neige par le vent. Cela dit, le transport éolien de particules met en jeu différents phénomènes complexes que les connaissances actuelles ne suffisent pas à décrire avec précision. Dans ce contexte, des travaux expérimentaux ont été conduits à la fois en soufflerie et sur le terrain. Ces derniers ont permis des premières investigations sur le comportement des fluctuations de concentration en régime permanent, en particulier par le biais de traitements d'images et d'analyses spectrales. Cette thèse a également porté sur la variabilité des profils de concentration en conditions naturelles, c'est-à-dire dans un écoulement turbulent instationnaire. Tous les résultats in-situ ont nécessité l'usage d'instruments adaptés dont certains ont du être réétalonnés de manière spécifique.

Les particules colloïdales transportées dans la zone non saturée du sol facilitent le transport des contaminants vers les eaux souterraines. Dans cette thèse, l'intérêt est porté sur la mobilisation in-situ et le transport des particules naturellement présentes dans des colonnes de sol non remaniées, et ceci sous des conditions non saturées d'écoulement. L'étude soulève la problématique de la disponibilité et de la possibilité de régénération ou d'épuisement du stock (« pool ») de particules mobilisables. L'objectif de la thèse est d'étudier l'évolution temporelle du stock de particules que ce soit pendant l'événement pluvieux ou pendant la durée d'interruption de pluie (la pause) qui sépare deux événements pluvieux successifs.<br><br>En s'appuyant sur les données expérimentales, un modèle de mobilisation et de transport préférentiel des particules dans des lysimètres (70 cm hauteur, 25 cm diamètre) a été élaboré. Le modèle utilise l'approche des ondes cinématiques dispersives pour décrire le transfert de l'eau, et l'équation convection dispersion avec un terme source/puit pour décrire la mobilisation et le transfert des particules. L'idée de base du modèle est de prendre en compte la possibilité d'une évolution temporelle du stock de particules mobilisables pendant l'événement pluvieux. Ceci est fait à travers une cinétique de détachement (source) de premier ordre ayant un coefficient de détachement variable avec le temps. Quant au terme puit, il est décrit par une cinétique d'attachement de premier ordre ayant un coefficient d'attachement constant avec le temps. Le modèle reproduit avec satisfaction les tendances des particulogrammes pour différentes conditions physico-chimiques expérimentales.<br><br>L'évolution temporelle du pool de particules mobilisables pendant la pause qui sépare deux événements pluvieux est étudiée expérimentalement. Ceci est fait en observant l'impact de la durée de pause sur la mobilisation ultérieure de particules. Pour cela, une large gamme de durées de pauses (allant d'une heure à un mois et demi) est essayée sur deux sols différents et avec deux forces ioniques et deux intensités de pluie différentes. Les pauses sont imposées dans un ordre croissant, régulier ou irrégulier. Les résultats montrent que la mobilisation de particules durant la pause dépend de sa durée. Le comportement de mobilisation observé est assez particulier : la masse de particules mobilisées par événement pluvieux augmente, passe par un maximum puis diminue pour des pauses croissantes. Les forces capillaires semblent être le mécanisme responsable de la mobilisation de particules durant la pause.<br><br>L'application du modèle de transport de particules sur tous les particulogrammes résultant de l'étude de l'effet de pause sur la mobilisation ont permis de lier le paramètre décrivant le détachement par accélération du flux d'eau à une condition expérimentale : la durée de pause.

Ce manuscrit d'habitation à diriger des recherches porte sur la caractérisation optique des écoulements multiphasiques. Il rassemble trois types de contributions. La première, traite de la modélisation des propriétés de diffusion de la lumière des particules rencontrées dans ces milieux : gouttes, bulles et fibres homogènes ; particules sphériques, fibres et jets à gradient radial d'indice, à coeur ; particules ellipsoïdales, hétérogènes ou irrégulières. Ces développements théoriques et numériques sont basés sur la théorie de Lorenz- Mie ou des modèles asymptotiques : modèle statistique, optique physique et géométrique. La deuxième partie de ce manuscrit, introduit le principe de techniques optiques originales pour la caractérisation simultanée de la vitesse, de la taille et du matériau de particules en écoulement : technique Dual Burst, Dual Mode, Interférométrie phase Doppler à 3 faisceaux cohérents, diffractométrie haute résolution, diffusion critique et arc-en-ciel. La troisième partie présente différents travaux réalisés dans le cadre de collaborations universitaires ou industrielles, sur des sujets aussi variés que la caractérisation des propriétés optiques de globules rouges, la caractérisation de système en combustion, les instabilités de jets capillaires homogènes ou à coeur ; le fibrage du verre à haute température ; les fibres optiques ; l'étude expérimentale d'instabilités thermo-solutales et de l'hydrodynamique d'écoulements gaz-solides en lit fluidisé circulant. Ce manuscrit comprend également un résumé de mes activités d'enseignement, de valorisation et de management de la recherche, ainsi que les reproductions de dix articles.

Le programme BIOZAÏRE, initié par IFREMER, porte sur l'étude des communautés benthiques de la marge équatoriale ouest africaine en relation avec leur environnement sédimentaire. La particularité de la marge est l'existence d'un canyon sous-marin qui entaille profondément le plateau et la pente continentale depuis l'estuaire jusqu'aux plaines abyssales, et où des courants de turbidité s'écoulent régulièrement. Une fraction significative de la matière organique est supposée dériver des apports véhiculés par le Zaïre.<br />Le présent travail a majoritairement consisté à identifier les origines de la matière organique. Dans ce but, la distribution des alcools linéaires et les contributions des alcools à courte chaîne carbonée et de ceux à longue chaîne carbonée, respectivement d'origines marine et terrigène, ont été étudiées. Des particules en sédimentation collectées par des pièges à particules lors d'une turbidite ainsi qu'en l'absence d'un tel événement, et des sédiments superficiels prélevés le long du canyon sous-marin du Zaïre ont été analysés afin d'établir les modes de transfert, la dynamique de déposition du matériel turbiditique, et leurs variations spatio-temporelles.<br />Les résultats montrent que les apports sont mixtes, marin et terrigène, avec une prédominance des alcools terrigènes à longue chaîne carbonée dans les sédiments du chenal (83% des alcools totaux). Les apports en matériel marin sont liés au panache de surface du Zaïre, alors que ceux terrigènes ont principalement lieu par les courants de turbidité. En effet, le matériel collecté en mars 2001 lors d'un tel événement présente une forte contribution des alcools à longue chaîne carbonée. Le matériel turbiditique a débordé du chenal sur les levées, où il atteignait une épaisseur <400 m. Le matériel qui sédimente sur les levées du chenal présente une composition différente des sédiments du chenal. De plus, malgré la forte contribution terrigène, une forte dégradation est observée dans les premiers mois suivants l'arrivée du matériel turbiditique : respectivement 92 and 47% des n-alcools à courte chaîne et à longue chaîne carbonée sont dégradés. Ainsi, des constantes de dégradation de 3.4 and 0.9 y-1 sont calculées.<br />Les différents biomarqueurs, alcools, stérols et hydroxy acides, ont été étudiés dans une dernière partie. L'analyse en composantes principales est une méthode complémentaire qui aide à l'étude des sources marine ou terrigène des biomarqueurs stérols, ainsi que celle de l'empreinte terrigène aux différents sites.

L'organisation de la chromatine eucaryote ainsi que les mécanismes qui régulent sa compaction restent discutés. Nous proposons de comprendre le rôle de variations locales de charges et de concentrations ioniques dans l'organisation supramoléculaire de la chromatine. Nous utilisons un système modèle, la particule cœur de nucléosome (NCP) constituée de 146pb d'ADN qui s'enroulent autour d'un octamère d'histones sur un 1.75 tours. Les extensions terminales des histones, les queues, sont mobiles et positivement chargées. A l'aide de NCPs reconstituées à partir d'ADN et d'histones intactes ou globulaires recombinants, nous montrons que les queues des histones H3 et H4 sont essentielles pour l'établissement d'interactions attractives entre NCPs, en solution diluée. Le rôle d'ions multivalents dans les interactions entre NCPs et la formation de précipités ont été étudiés. Le rôle des queues d'histones est également abordé pour la formation de phases denses obtenues sous stress osmotique.

Les écoulements de jet annulaire sont des écoulements majoritairement utilisés dans le domaine industriel (écoulement de « bluff body », procédés de fabrication de fibre de verre. ..) mais représentent paradoxalement une infime partie des études fondamentales des jets. Pour cette raison, nous nous sommes intéressés à la caractérisation expérimentale d'un jet annulaire d'air de rapport de diamètres r égal à 0,91 (Do=53,88 mm et Di=48,75 mm) pour trois nombres." de Reynolds compris entre 12240 et 45900. Les vitesses ont été mesurées jusqu'à 10 diamètres Do à l'aide de l'Anémométrie Doppler Laser (A.D.L.), de la Vélocimétrie par Images de Particules (P.I. V.) et du fil chaud. L'écoulement de jet annulaire possède successivement les caractéristiques d'un écoulement de sillage et d'un écoulement de jet axisymétrique. <br />Les instabilités se développant dans les couches de mélange externe et interne de la zone de recirculation ont été résolues spatialement et temporellement. L'utilisation conjointe de mesures P.I.V. décorrélées en temps de la zone de recirculation, de la P.O.D. et d'une mesure temporelle locale par A.D.L. a permis d'établir un scénario de l'évolution temporelle du sillage. <br />La zone de jet pleinement développé a également été étudiée à partir de mesures d'A.D.L. et de fil chaud. Les évolutions des grandeurs intégrales (quantité de mouvement, débit, vitesses, demi largeur du jet, nombre de Reynolds turbulent), des différentes échelles (échelles de Kolmogorov, de Taylor et intégrale) et du taux de dissipation moyen ont été mesurées sur l'axe du jet. Une comparaison des variations de ces différentes grandeurs a permis d'inclure le jet rond comme un cas asymptotique des jets annulaires.

Nous développons une méthode pour mesurer la viscosité apparente dans les fluides en rotation rapide. Celle-ci consiste à mesurer la vitesse azimutale du fluide pendant le régime transitoire de synchronisation qui apparaît lors des expériences de spin-up/spin-down (augmentation ou diminution de la vitesse de rotation du récipient). Les différences observées entre les régimes laminaires et les régimes turbulents donnent une information sur la contribution de la turbulence dans le transport de quantité de mouvement entre le fluide et la paroi.<br />Quatre dispositifs expérimentaux ont été utilisés afin d'évaluer l'impact de la géométrie du récipient et des mécanismes de forçage de la turbulence sur ces mesures de viscosité apparente. L'étude montre que tous deux contribuent fortement à la modification de viscosité apparente observée. Dans le cas d'expériences de convection thermique en géométrie sphérique, <br />afin d'expliquer l'augmentation uniforme de la viscosité apparente, une loi d'échelle faisant intervenir l'écart au seuil et le nombre d'Ekman est proposée. En ce qui concerne les autres expériences ( Convection thermique sphérique en gallium, couette spherique, convection thermique en géométrie cylindrique), la modification de viscosité n'est pas uniforme dans le volume et ne peut être reliée à des grandeurs globales. Dans ce deuxième cas, l'origine de la modification vient du mécanisme de forçage ou du développement d'instabilités associées au mouvement de spin-up en régime turbulent.<br /><br />Au dela de cette etude experimentale, nous avons calculé le couplage visco-magnétique à l'interface noyau liquide - manteau solide d'une Terre en nutation. Nous avons fait varier dans ce calcul la viscosité apparente du fluide et la conductivité électrique du manteau afin d'analyser les contributions des couples magnétiques et visqueux au couplage de l'interface. Différentes modélisations du champ magnétique terrestre sont envisagées afin d'estimer la contribution des petites échelles du champ à ces couplages.<br />La confrontation de ce calcul aux valeurs des constantes de couplage des modèles de nutations permet d'obtenir une estimation de la viscosité efficace nécessaire dans le noyau. Une viscosité efficace de $10^{-2}$ $m^{2}.s^{-1}$ dans le noyau terrestre est nécessaire pour expliquer les données de nutations.

Nous étudions des méthodes d'approximation particulaire de solutions d'équations aux dérivées partielles décrivant l'état macroscopique de certains systèmes physiques. Elles consistent en l'introduction d'un grand nombre N de particules fictives évoluant selon des équations différentielles couplées, ordinaires ou stochastiques, dans un sens plus simple à résoudre que l'équation macroscopique; l'état de ce système de particules est décrit par une mesure de probabilité, dite mesure empirique. La validité de la méthode est donnée par la convergence, quand N tend vers l'infini, de cette mesure empirique vers la solution macroscopique originale, appelée limite de champ moyen. Nous cherchons principalement à en donner des estimations explicites, quantifiant ainsi la précision de l'approximation.<br /><br />Dans ce cadre nous étudions l'approximation des équations de transport de Vlasov et d'Euler par des systèmes de particules déterministes en interaction. Le problème de la convergence de la méthode se ramène à un problème de stabilité de solutions que nous traitons par des propriétés de type contraction pour des distances (de Wasserstein) liées à la théorie du transport optimal de mesures. Nous établissons aussi une propriété analogue de contraction pour des lois de conservation scalaires. <br /><br />Nous étudions également l'approximation d'équations de diffusion de McKean-Vlasov par des systèmes de particules stochastiques. Nous en donnons l'erreur de manière quantitative à l'aide de techniques de couplage, d'estimations de propagation du chaos et d'inégalités de concentration ou de déviation.<br /><br />De façon plus systématique nous nous intéressons à de telles inégalités de concentration pour des mesures de probabilité et à leurs relations avec des inégalités de transport (liant distances de Wasserstein et entropie) et de Sobolev logarithmiques. En particulier nous établissons de telles inégalités pour certaines classes de lois de variables dépendantes.