Dissertation--Géophysique interne--Montpellier II, 2005. / Bibliogr. Titre provenant de l'étiquette du support.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 77 réf. Index.

Thèse de doctorat : Mécanique et Energétique : Nancy 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

Lors de rejets chroniques ou accidentels de tritium des installations nucléaires dans l’eau de mer ou via les fleuves, la dispersion des radionucléides dans l’environnement marin est soumise à des processus de dispersion multiples. Ces processus dépendent de la zone considérée et des forçages tels que la marée, le vent, les flux de chaleurs et d’eau douce. Prédire la dispersion du tritium dans le golfe de Gascogne nécessite la prise en compte de l’ensemble de ces processus et des différents apports que représentent les eaux de surface de l’Atlantique Nord, les rejets des installations nucléaires, les entrées d’eau douces et les échanges avec l'atmosphère. L'objectif général de cette thèse est d'améliorer la connaissance sur l’hydrodynamisme du golfe de Gascogne, en couplant la mesure in-situ d’un traceur des masses d’eau : le tritium, avec un modèle hydrodynamique de dispersion (modèle MARS3D). Dans ce but, prélèvements ont été effectuées dans le golfe de Gascogne et dans les deux principaux contributeurs continentaux de tritium : la Loire et la Gironde. L’utilisation conjointe de la salinité et du tritium en tant que traceurs des eaux continentales a permis de différencier de manière innovante les apports provenant de ces deux fleuves à l'échelle du golfe. Les stocks mesurés et simulés de tritium au sein du plateau ont permis une première estimation du temps de résidence des masses d’eau continentales. / During chronic or accidental releases of tritium from nuclear facilities to seawater or through river discharges, the dispersion of radionuclides in the marine environment is subject to multiple dispersion processes. These processes depend on the area under consideration and forcings such as tide, wind, heat and freshwater flows.Predicting the dispersion of tritium in the Bay of Biscay requires taking into account all these processes and the various inputs: the North Atlantic surface waters, discharges from nuclear facilities, freshwater inputs and exchanges with the atmosphere. The main objective of this thesis is to improve the knowledge on the hydrodynamics of the Bay of Biscay by coupling in-situ measurements of a water masses tracer: the tritium, with a hydrodynamic dispersion model (MARS 3 D).To achieve this goal, samplings were carried out in the Bay of Biscay and the two main continental contributors of tritium: the Loire and Gironde rivers.The combined use of salinity and tritium as tracers of continental waters makes it possible to differentiate into an innovative way the inputs from these two rivers at the scale of the continental shelf. The measured and simulated stocks of tritium within the shelf provided a first estimate of the residence time of continental water in the Bay of Biscay.

Grâce à une nouvelle méthode de filtrage que nous avons mise au point, nous montrons que l'anomalie de profondeur liée au Superbombement du Pacifique sud est composée de deux branches : la branche sud requiert une composante dynamique alors que la branche nord peut être expliquée par une compensation isostatique. Nous caractérisons également les bombements relatifs aux alignements de type point-chaud de Polynésie française et montrons ainsi que l'origine de la Société est due à l'action d'un panache profond, alors que pour les autres archipels, l'emplacement du volcanisme est essentiellement contrôlé par la structure de la lithosphère. Nous effectuons également une cartographie de l'épaisseur élastique sur l'alignement volcanique des Cook-Australes qui permet de reconstituer l'histoire du chargement de la plaque lithosphérique par plusieurs phases distinctes de volcanisme.

Lors des études de désenfumage, le recours à la mécanique des fluides numérique, par l’emploi de codes tridimensionnels (CFD), est de plus en plus employé. Cependant, suite aux études de Dalmarnock (2007) et d’Arcueil (2009), il a été montré que les résultats numériques peuvent s’éloigner de façon significative des résultats expérimentaux. Ces différences peuvent être notamment induites par des faibles erreurs de certains paramètres clés, ce qui limite l’utilisation prédictive de ces codes dans les études d’ingénierie de la sécurité incendie. Dans ce cadre, cette thèse est consacrée à la simulation numérique d’écoulement induit par une source de chaleur. Les simulations sont réalisées avec le code FDS, largement utilisé par la communauté incendie, afin d’étudier sa capacité à reproduire la dynamique de ces écoulements. L’étude se porte principalement sur la simulation d’un panache, créé par une plaque chauffante, avec une comparaison détaillée à des résultats expérimentaux. Les résultats des simulations montrent que, les profils radiaux des statistiques en un point de vitesse et température d’ordre 1 et 2, sont en très bon accord avec les résultats de la littérature. Les évolutions des flux de masse, de flottabilité et de quantité de mouvement, ainsi que celle du nombre de Richardson du panache, sont également bien reproduites. Après avoir validé la simulation, l’évolution du coefficient d’entraînement avec la hauteur a pu être examinée en détail, montrant que ce coefficient diminue en s’éloignant de la source de chaleur, passant de 0.4 en partie proche de la source à 0.1 en partie éloignée. Cette évolution a pu être expliquée par une dépendance du coefficient d’entraînement avec le nombre de Richardson local du panache et le rapport des masses volumiques entre le panache et l’air ambiant. La thèse a également permis de montrer que les variables étudiées sont sensibles à différents modèles de sous maille. Pour finir, une méthodologie a été proposée pour étudier la sensibilité de différents paramètres d’entrée de simulation et appliquée sur un cas réaliste d’incendie dans un bâtiment. Cette analyse a permis de mettre en évidence plusieurs paramètres explicites (paramètres définis en concertation avec le propriétaire du bâtiment, les services d’incendie et les autorités compétentes) qui modifient les résultats de la simulation : la puissance du foyer, le débit d’extraction des gaz chauds, mais également certains paramètres implicites (paramètres définis par le modélisateur) comme le débit d’insufflation au niveau des entrées d’air frais. / Fire Safety Engineering studies often rely on the use of Computational Fluid Dynamics, but several recent studies (e.g. Dalmarnock 2007, Arcueil Numérique 2009) have highlighted significant differences between experimental data and the results of numerical simulations. The numerical models are often rather sensitive to the choice of boundary conditions, and may depend on key parameters which are poorly understood. The research presented in this thesis addresses some of these questions, using the CFD code FDS to simulate a set of experimental test cases, and to test the sensitivity of the simulations to different input parameters. The general configuration studied is that of a thermal plume generated by a heated plate, either rising freely or else impacting on a ceiling. Radial profiles of 1st and 2nd order statistics of temperature and velocity agree well with published data, as does the axial variation of Mass, Momentum and Buoyancy fluxes, and the local Richardson number. A detailed study of the entrainment coefficient shows that this varies with distance from the heat source, between about 0.4 and 0.1; this is explained by the dependence of entrainment on the local Richardson number and the density difference between the plume and the ambient air. The comparison between simulations has also been used to investigate the applicability of different sub-grid scale models for this type of flow. Finally, a methodology has been developed for evaluating the sensitivity of the calculations to different input parameters, and the method has been applied to a test configuration representing a fire in a building. The results show the relative importance of both explicitly-defined parameters that characterize the situation (thermal power of the fire, ventilation regime inside the building) and implicit model parameters.

Les poussières émises par l'industrie métallurgique concourent à la qualité de l'air des zones urbaines voisines. Ces particules, émises par des procédés à "haute température", sont susceptibles d'évoluer rapidement au sein des panaches. L'objectif de l'étude est de caractériser la phase particulaire sur un site d'émission métallurgique et de déterminer la nature et l'amplitude des transformations physico-chimiques subies par ces particules dans les premières minutes de leur émission. Des prélèvements d'aérosols ont été réalisés au sein des cheminées et dans l'environnement proche d'une usine métallurgique (production d'alliage de ferromanganèse), dont l'atelier d'agglomération est le principal émissaire. Le spectre granulométrique des particules dans l'environnement montre un enrichissement de nanoparticules (10-100nm) après survol des masses d'air au dessus du site industriel. Les rejets caractéristiques de l'usine (émission d'oxydes de fer et de manganèse, mais également d'aluminosilicates) se trouvent la plupart du temps sous forme d'agglomérats de composition chimique hétérogène et de structure morphologique complexe. Ces agglomérats semblent évoluer rapidement par adsorption de composés organiques volatils ou de suies. L'étude de la spéciation du Fe et du Mn au sein de ces particules indique qu'elles sont sujettes à des réactions d'oxydation via des mécanismes de conversion gaz/particules au sein même du procédé industriel, aboutissant notamment à une oxydation du fer inversement proportionnelle à la taille des particules. Par contre, aucune évolution significative du degré d'oxydation du Fe et du Mn n'a été observée dans l'environnement proche de l'émissaire.

L'activité volcanique peut représenter une source naturelle de pollution atmosphérique. Cette pollution peut engendrer une dégradation de la qualité de l'air, affecter la santé humaine et perturber la sécurité aérienne. Le Piton de la Fournaise à La Réunion est l'un des volcans basaltique les plus actifs au monde. Ses éruptions sporadiques génèrent des panaches volcaniques essentiellement constitués de gaz et de nanoparticules qui se propagent dans l'atmosphère. En journée, la formation d'oxydants (photolyse) permet d'oxyder une partie du dioxyde de soufre en acide sulfurique. Les molécules d'H2SO4 peuvent réagir avec les molécules d'eau atmosphérique pour former des embryons via la nucléation binaire homogène. Puis, ces embryons grossissent grâce aux processus de condensation et/ou coagulation conduisant alors à la formation d'un aérosol volcanique submicronique. Cette thèse vise à observer, comprendre et modéliser les processus de Formation de Nouvelles Particules (FNP) au sein des panaches volcaniques. De ce fait, elle s'organise en deux parties. La première se base sur les données recueillies lors de la campagne multidisciplinaire STRAP menée à l’observatoire du Maïdo et au Piton de la Fournaise en 2015. Elle expose les résultats issus d’une double analyse de la fréquence et de l’intensité des événements de FNP à l’observatoire. Tandis que la première analyse s’intéresse aux processus en l’absence du panache volcanique, la seconde met en exergue les spécificités de la FNP liées à sa présence au Maïdo. La seconde partie s'axe autour de la modélisation d'abord 0D puis 3D des processus de FNP au sein des panaches volcaniques via le modèle atmosphérique Méso-NH. / Volcanic activity can be a natural source of air pollution. This pollution can lead to a deterioration in air quality, affect human health and disrupt aviation safety. The Piton de la Fournaise in Reunion Island is one of the most active basaltic volcanoes in the world. Its sporadic eruptions generate volcanic plumes consisting mainly of gases and nanoparticles that spread in the atmosphere. During the day, a part of the sulphur dioxide can be oxidized to sulphuric acid thanks to oxidants production (photolysis). H2SO4molecules tend to react with atmospheric water molecules and form clusters via homogeneous binary nucleation. Then, these clusters grow by condensation and/or coagulation processes leading to the formation of a submicronic volcanic aerosol. This thesis aims to observe, understand and model the New Particle Formation (NPF) processes within volcanic plumes. Consequently, it is organized in two parts. The first is based on the data gathered during the multidisciplinary STRAP campaign conducted at both the Maïdo Observatory and Piton de la Fournaise volcano in 2015. It presents the results from a dual analysis of the NPF events frequency and intensity at the observatory. While the first analysis focuses on processes in the absence of the volcanic plume, the second highlights the specificities of the NPF related to the presence of the plume at Maïdo. The second part focuses on 0D then 3D NPF processes modelling within volcanic plumes via the Meso-NH atmospheric model.

Les poussières émises par l'industrie métallurgique concourent à la qualité de l'air des zones urbaines voisines. Ces particules, émises par des procédés à "haute température", sont susceptibles d'évoluer rapidement au sein des panaches. L'objectif de l'étude est de caractériser la phase particulaire sur un site d'émission métallurgique et de déterminer la nature et l'amplitude des transformations physico-chimiques subies par ces particules dans les premières minutes de leur émission. Des prélèvements d'aérosols ont été réalisés au sein des cheminées et dans l'environnement proche d'une usine métallurgique (production d'alliage de ferromanganèse), dont l'atelier d'agglomération est le principal émissaire. Le spectre granulométrique des particules dans l'environnement montre un enrichissement de nanoparticules (10-100nm) après survol des masses d'air au dessus du site industriel. Les rejets caractéristiques de l'usine (émission d'oxydes de fer et de manganèse, mais également d'aluminosilicates) se trouvent la plupart du temps sous forme d'agglomérats de composition chimique hétérogène et de structure morphologique complexe. Ces agglomérats semblent évoluer rapidement par adsorption de composés organiques volatils ou de suies. L'étude de la spéciation du Fe et du Mn au sein de ces particules indique qu'elles sont sujettes à des réactions d'oxydation via des mécanismes de conversion gaz/particules au sein même du procédé industriel, aboutissant notamment à une oxydation du fer inversement proportionnelle à la taille des particules. Par contre, aucune évolution significative du degré d'oxydation du Fe et du Mn n'a été observée dans l'environnement proche de l'émissaire. / Steelworks activities are important sources of fine particles which may affect air quality in urban areas close to plants. Those particles are emitted by "high-temperature" processes and could evolve very quickly in the plumes. The main objective of this study is to evaluate the nature and the amplitude of physico-chemical evolutions of those particles in the few minutes after the emission. Aerosol samplings were performed inside the chimneys and in the close environment of a FeMn alloys manufacturing plant where the sintering unit is the most important source of particles. The number size distributions in the close environment show a higher abundance of nanoparticles (10-100nm) inside the plume, by comparison with air masses upwind from the plant. The chemical analysis indicates that particles characteristic of the plant emissions (iron and manganese oxides but also aluminosilicates) are mostly constituted of agglomerates. These agglomerates combine various compounds inside a same particle in a complex structure. Moreover, they evolve rapidly (in a few minutes) after emission by mixing with organic compounds inside the plume. This evolution results from the adsorption of volatile organic compound or the agglomeration with soot particles. The study of iron and manganese speciation inside particles shows that they are prone to oxidation reactions via gas/particle conversion mechanisms during the industrial process, leading notably to a higher iron oxidation state for the smallest particles. However, no change of iron and manganese oxidation state was observed in the close environment of the plant.

Ce manuscrit présente les premiers résultats d'études élémentaires et isotopiques du Zn, du Sr et du Pb, réalisées dans les principaux types d'échantillons liés aux gaz volcaniques (gaz, sublimés, eaux thermales, roches), ainsi que deux nouvelles méthodologies d'échantillonnage des émanations volcaniques. Les variations isotopiques du Zn observées au Merapi suggèrent que les processus de changement de phase (fluides/solides) peuvent provoquer des fractionnements isotopiques significatifs des éléments trace métalliques. L'étude couplée Sr/Pb réalisée à Vulcano indique que les compositions en éléments trace métalliques des fumerolles et des eaux thermales sont influencées par les sources naturelles et anthropiques. Ce travail a aussi permis la mise au point de nouvelles méthodologies d'échantillonnage et d'analyse des gaz et des panaches volcaniques, permettant d'accéder à la composition chimique complète de ces manifestations gazeuses de manière simple et efficace.