Prédiction théorique des structures localisées à une et à deux dimensions dans des cavité passives soumis à une injection optique. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le travail de thèse portant sur « le rôle d’un champ électrique intense sur les phénomènes thermodynamiques et cinétiques mis en jeu au cours de la croissance cristalline d’oxydes », consiste à mettre en œuvre une nouvelle voie de croissance de monocristaux d’oxydes aux propriétés remarquables. A travers l’utilisation d’un champ électrique intense au cours du processus de solidification, nous souhaitons agir sur les équilibres thermodynamiques propres à la cristallisation ainsi que moduler les conditions cinétiques de formation des cristaux dans le but d’obtenir des phases nouvelles, des structures particulières et ainsi obtenir des matériaux aux propriétés nouvelles, exacerbées ou contrôlées. Pour cela, un dispositif spécifique a été conçu dans le but d’introduire, au sein d’un bâti de croissance existant (le four à image), une source de champ électrique intense (plusieurs kV/cm). Des études de modélisation, des observations in situ à la croissance et des analyses de la microstructure et des propriétés des matériaux ont été menées en vue d’appréhender les mécanismes d’influence du champ électrique sur les processus de germination-croissance des cristaux. Ces études soulèvent la grande complexité des interactions entre le champ électrique externe et les milieux ioniques solide et liquide portés à hautes température (conducteurs polarisables). Une influence particulière de l’énergie électrostatique sur les équilibres de phases a été démontrée, notamment à travers une élévation significative de la température de fusion des matériaux en présence du champ électrique [1]. Les résultats associés révèlent que les modèles établis jusqu’à présent [2-4], à savoir une perturbation de l’énergie libre à travers la polarisation des milieux, ne rendent pas compte de l’ensemble des mécanismes sous-jacents à la présence du champ électrique externe. Un modèle de double couche électrique à l’interface de croissance où un champ local intense est créé par des distributions surfaciques de charges semble correspondre au mieux à la description de la nouvelle organisation chimique induite sous champ électrique de manière à rétablir l’équilibre électrostatique. De fait, à l’interface de croissance, les potentiels chimiques des espèces sont principalement influencés par la différence de potentiel électrique locale, déterminée par la nature de la double couche. Par ailleurs, les analyses des microstructures de croissance, notamment ciblées sur l’étape de germination, révèlent que des mécanismes dynamiques de transport de charges couplés aux transferts de chaleur (effets thermoélectriques) agissent très certainement sur les conditions de formation des cristaux. Des analyses élémentaires de cristaux dopés formés sous champ électrique démontrent la capacité de ce dernier à agir sur la ségrégation des espèces et donc, sur les conditions d’équilibres électrostatiques à l’interface de croissance. On distingue ici la possibilité de contrôler, dans une certaine mesure, la stœchiométrie des cristaux formés ainsi que l’incorporation d’espèces qui confèrent aux matériaux des propriétés particulières. En outre, des effets observés sur des orientations de croissance privilégiées sous champ électrique ou encore la formation de défauts par la création de charges d’espace laissent à penser qu’une polarisation in situ de matériaux piézoélectriques ou ferroélectriques serait un objectif atteignable à terme. / This thesis work named “Role of an intense electric field on thermodynamic and kinetic conditions of oxides' crystal growth” lies on the elaboration of a novel way to conduct crystal growth of bulk functional oxides. With the use of an intense electric field during growth, we wish to act on the thermodynamic equilibria taking place during the solidification process and to modulate the kinetic conditions of crystals’ formation with the aim to achieve new crystal phases and structures in order to produce materials with novel, enhanced or controlled properties. Therefore, a specific device of intense electric field production (several kV/cm) that fits inside a mirror furnace has been conceived. The interactions between the external electric field and the ionic solid and liquid media have been investigated through modeling studies, growth in situ observations and analysis of materials’ structure that reveal a complex situation where multiple mechanisms of influence act on the nucleation and growth processes. A notable impact of the electrostatic energy on thermodynamic equilibria has been evidenced, especially on materials’ melting temperature [1]. Moreover, results suggest that the existing models that describe the shifts in thermodynamic equilibria due to displacements of phases’ free energies through a polarization mechanism [2-4] are not sufficient because of the variety of mechanisms that are in stake. The picture of an electric double layer formed at the growth interface where an intense local electric field is created by surface charge distributions seems to be the most reliable conceptualization of the induced chemical organization taking place in order to restore the electrostatic equilibrium under the influence of an external electric field. Thus, at the growth front, the chemical potential of species is mostly influence by the local electric potential that depends upon the electric double layer’s nature. Besides, analysis of the growth microstructures, especially during the nucleation process, reveal that coupling of dynamic charges and heat transports, therefore thermoelectric flux, act upon the growth conditions of crystals. Chemical analysis of doped crystals grown under electric field show that the latter is capable of influencing the segregation of species, which reveals its action on the electrostatic conditions of equilibrium at the interface. Herein, we notice the possibility to control, in a certain extent, the stoichiometry of crystals and the incorporation of chemical elements that impart crystals particular properties. Moreover, some observations of enhanced growth orientations under electric field or some defects formation creating space charges give insights on the possibilities to, at term, conduct in situ polarization of piezoelectric or ferroelectric materials throughout growth under electric field. Finally, an opening on hydrodynamic effects bound to the external electric field reveal the great potentials of the use of an external electric field as an additional parameter to the crystal growth of functional oxides.

La matière active, désignant les systèmes hors d’équilibre composés de particules étant capable d’utiliser l’énergie présente dans leur environnement afin de se déplacer de façon systématique, a suscité beaucoup d’attention auprès des communautés de mécanique statistique et matière molle ces dernières décennies. Les systèmes actifs couvrent en effet un large panel d’exemples allant de la biologie aux granulaires. Cette thèse se concentre sur l’étude de modèles minimaux de matière active sèche (ceux pour lesquels le fluide dans lequel les particles sont immergées est négligé), tel que le modèle de Vicsek qui considère des particules ponctuelles se déplaçant à vitesse constante tout en alignant leur direction de mouvement avec celles de leurs voisins localement en présence de bruit, et définit une classe d’universalité hors équilibre pour la transition vers le mouvement collectif. Quatre problèmes en suspens ont été abordés : La définition d’une classe d’universalité en matière active sèche qui décrit des systèmes de particles présentant un alignement polaire et un mouvement apolaire. Cette nouvelle classe exhibe une transition continue vers un quasi-ordre polaire doté d’exposants variant continument, et donc analogue au modèle XY à l’équilibre, mais n’appartenant pas à la classe d’universalité Kosterlitz-Thouless. Ensuite, l’étude de la validité des théories cinétiques décrivant les modèles de type Vicsek, qui sont confrontées aux résultats obtenus aux niveaux microscopique et hydrodynamique. Puis une évaluation quantitative de la théorie de Toner et Tu, permettant de mesurer les exposants caractérisant les fluctuations dans la phase ordonnée du modèle de Vicsek, à partir de simulations numériques à grande échelle du modèle microscopique. Enfin, la création d’un formalisme pour la dérivation d’équations hydrodynamiques à partir de modèles de matière active sèche à trois dimensions, ainsi que leur étude au niveau linéaire. / Active matter, i.e. nonequilibrium systems composed of many particles capable of exploiting the energy present in their environment in order to produce systematic motion, has attracted much attention from the statistical mechanics and soft matter communities in the past decades. Active systems indeed cover a large variety of examples that range from biological to granular. This Ph.D. focusses on the study of minimal models of dry active matter (when the fluid surrounding particles is neglected), such as the Vicsek model: point-like particles moving at constant speed and aligning their velocities with those of their neighbors locally in presence of noise, that defines a nonequilibrium universalilty class for the transition to collective motion. Four current issues have been addressed: The definition of a new universality class of dry active matter with polar alignment and apolar motion, showing a continuous transition to quasilong-range polar order with continuously varying exponents, analogous to the equilibrium XY model, but that does not belong to the Kosterlitz-Thouless universality class. Then, the study of the faithfulness of kinetic theories for simple Vicsek-style models and their comparison with results obtained at the microscopic and hydrodynamic levels. Follows a quantitative assessment of Toner and Tu theory, which has allowed to compute the exponents characterizing fluctuations in the flocking phase of the Vicsek model, from large scale numerical simulations of the microscopic dynamics. Finally, the establishment of a formalism allowing for the derivation of hydrodynamic field theories for dry active matter models in three dimensions, and their study at the linear level.

La torréfaction est un procédé thermochimique qui, appliqué à la biomasse, permet d'améliorer les propriétés de ce matériau en tant que vecteur énergétique. Il s'opère entre 250 et 300°C sous atmosphère inerte. Dans le contexte énergétique actuel, l'augmentation des volumes de matières torréfiées produites, transportées et stockées est annoncée pour la décennie à venir. Ce développement à l'échelle industrielle soulève la problématique de l'auto-échauffement et des risques qui lui sont associés. Dans ce travail, une approche multi-échelles a été mise en oeuvre pour étudier le comportement du bois torréfié en présence d'oxygène. Des expériences ont été réalisées à l'échelle du milligramme, à celle d'une sphère de bois torréfié et à celle d'un lit de plaquettes de bois torréfié. Les réactions et l'auto-échauffement généré à l'échelle de la sphère ont été modélisés. Les résultats du modèle présentent une bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. Quelle que soit l'échelle considérée, il a été montré que le bois sévèrement torréfié était plus sensible à l'auto-échauffement et à l'auto-combustion que le bois doucement torréfié. Il a également été confirmé que le suivi des gaz émis pourrait être un bon indicateur de la présence d'un auto-échauffement dans un lit de biomasse torréfiée. / Torrefaction is a thermochemical process which, applied to biomass, increases the fuel properties of this material. It operates between 250 and 300°C in an atmosphere depleted of oxygen. Considering the actual energetic context, the large scale development of the torrefied market is expected to the decade to come. This scale-up rises self-heating issue and its associated risks. In this work, a multiscale approach has been used to study the torrefied wood behavior when it gets into contact with oxygen The reactions have been studied at the milligram scale, self-heating has been generated for a unique torrefied wood sphere and self-heating at the reactor scale has been studied to better represent industrial conditions. Experiences have been done at all of these scales. Moreover, a modeled has been proposed to describe the reactions and the self-heating generated at the particle scale. Numerical results show good agreement with experiments. Furthermore, whatever the scale considered, it has been shown that the severely torrefied wood is more prone to self-heating than the mildly torrefied wood. It was also confirmed that continuous emitted gases monitoring could be a good indicator to detect and thus prevent a self-heating of a torrefied biomass bed.

AbstractAtmospheric dust is a major component of the Earth System. The optical properties of dust and their roles in cloud nucleation processes have a major impact on Earth’s radiative budget and hydrological cycle. Dusts also take part in many biogeochemical cycles in surface waters of the oceans and on land through their capacity to supply key micronutrients (e.g. Fe, P) sustaining primary production. The aim of this thesis is to improve the understanding of dust cycle by creating new and innovative methods allowing to trace the source regions of dust and quantify their respective contributions. We developed a chromatographic method to isolate and analyze six isotopic systems (i.e. Pb, Nd, Sr, Zn, Cu, Fe) widely used to trace dust source areas. We optimized a new method for single, low-mass dust samples and, in doing so, we observed that the usual rock reference materials (RM) used to calibrate isotopic analysis were not representative of dust. In fact, there is little to no RM for dust and therefore, we set out to characterize precisely the isotopic signatures of two new dust reference materials, ATD and BCR-723. The latter two are representative of natural-like and urban-like dust that we propose now as new standards for atmospheric dust studies. We also investigated dust deposition, along a 250-km transect from the NE Antarctic coastline to the Princess Elisabeth Station area. Using dust samples collected from Sigma-2 passive samplers or isolated from snow samples, we determined the morphology, size distribution and chemical composition of the dust samples at the particle-scale using an automated Scanning Electron Microscope coupled to Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS). More than 5500 particles were analysed and the results showed that the grain-size distribution was <5 μm. We also observe difference in mineralogy at the coast compared to the inland section of our transect: dominance of quartz and aluminosilicates at the coast and of Fe-Mg silicates near the Sør Rondane. Based on this discrepancy, we interpret the ‘coastal’ dust samples to come from distal source while Fe-Mg silicate rich samples were hypothesized to originate from the nearby Sør Rondane range. To trace the source of those dust samples, we analysed their REE content and developed a whole new statistical approach to trace and quantify their source(s). The idea is to correlate systematically the REE pattern of those samples with, not only, PSA REE pattern from distal and local rocks but also with all their possible mixing combinations. To do so, we used the correlation coefficient (R), Akaike and Bayesian Information Criterion (AIC-BIC) to determine whether a dust sample traces a single or a mixture of multiple PSAs. Using this numerical method, we determined that local inputs of dust from the Sør Rondane mountains dominate the inland-most section of the 250-km transect. In contrast, coastal sampling sites (up to 50 km inland) are influenced by dust coming from Puna-Altiplano, Patagonia and Southern Africa. As such, this work presents the first unambiguous geochemical evidence that Southern African dust reach North East Antarctic coast. Finally, we also revisited the REE-dataset measured in EPICA Dome-C (EDC, Gabrielli et al. [Quaternary Science Reviews 29 (2010) 265-273]) and EPICA Dronning Maud Land (EDML, Wegner et al. [Climate of the Past 8 (2012) 135-147]) ice cores in order to reconstruct the dust provenance over the last glacial-interglacial interval. Our results showed that,during the Last Glacial Maximum (before 18 kyr BP), dust in both ice cores was predominantly coming from New-Zealand (NZ) with secondary inputs from South-Central Western Argentina (S-CWA) and Patagonia. The glacial-interglacial transition (18-11.6 kyr BP) saw the decline of NZ and S-CWA inputs and the increase of contributions from Patagonia, Southern Africa and Puna Altiplano. The Holocene (after 11.7 kyr BP) is marked by dust inputs coming from Patagonia, Southern Africa and Puna Altiplano while NZ stabilized to a secondary level and S-CWA ceased to supply dust. We demonstrated that variations and relative contributions recorded in ice cores are all related to important climatic changes in source regions having an impact on their capacity to supply dust. Our REE statistical approach provide an unprecedented way to identify and quantify the dust source regions in Antarctic ice core and in doing shed new light of those ‘iconic’ archives of Earth’s climate and atmospheric circulation. / RésuméLes particules atmosphériques (PA) sont un composant majeur du système Terre. Leurs propriétés optiques ainsi que leur rôle au sein des processus de nucléation des nuages ont des impacts majeurs sur le budget radiatif et hydrologique de la terre. Les PA interviennent aussi dans de nombreux cycles biogéochimiques à la surface des océans ou sur terre grâce à leur capacité à fournir des nutriments clés (e.g. Fe, P) soutenant la production primaire. Le but de ce doctorat est d’améliorer la compréhension du cycle des PA en créant de nouvelles méthodes innovatrices permettant de tracer leurs origines et quantifier leurs contributions. Nous avons développé une nouvelle méthode chromatographique optimisée pour les PA afin d’analyser six systèmes isotopiques (i.e. Pb, Nd, Sr, Zn, Cu, Fe) largement utilisés pour tracer l’origine des PA. Afin de combler un manque crucial en terme de matériaux de référence (MR), nous avons quantifié deux nouveaux MR de PA, ATD et BCR-723 (représentatifs des milieux naturels et urbains) et nous les proposons pour toutes les futures études géochimiques de PA. Nous avons aussi étudié les dépositions atmosphériques le long d’un ‘transect’ de 250 km depuis la côte Antarctique jusqu’à la station Belge Princesse Elisabeth. Premièrement, nous avons réalisé des analyses morphologiques et chimiques à l’échelle de la particule à l’aide d’un Microscope Electronique à Balayage à dispersion d’énergie (MEB-EDS). Les analyses ont montré une distribution granulométrique <5 μm ainsi qu’une variation de composition chimique (i.e. minéralogie) depuis la côte jusqu’aux Sør Rondane. Deuxièmement, afin de mieux identifier l’origine de ces PA, nous avons analysé les terres rares (REE) et développé dans son intégralité une nouvelle approche statistique permettant d’identifier les sources ainsi que leurs contributions relatives. Grâce à cela, nous avons déterminé que les échantillons à la côte proviennent du Puna-Altiplano, de Patagonie et du Sud de l’Afrique (SAF). C’est la première fois que des apports du SAF sont formellement identifiés en Antarctique. Finalement, nous avons revisité les data-set de REE des carottes de glace du projet EPICA (EDC et EDML) afin de reconstruire les apports de PA durant la dernière transition glacière/interglaciaire. Nos résultats ont montré que durant la dernière période glaciaire les PA proviennent principalement de Nouvelle-Zélande (NZ) avec des apports secondaires provenant de la partie Sud du centre de l’Ouest Argentin ainsi que de Patagonie. Une transition est marquée entre 18 et 11.6 ka BP jusqu’à un équilibre dès l’Holocène (après 11.7 ka BP) marqué par des apports de sources variées venant de Patagonie, SAF, Puna-Altiplano et NZ. Nous avons aussi démontré que les variations des contributions relatives de sources enregistrées dans les carottes de glaces sont toutes en relation avec des changements climatiques importants au niveau des régions sources impactant leur capacité à générer des PA. Notre approche statistique exploitant les REE apporte une méthode sans précédent pour identifier et quantifier les sources de PA des carottes de glace d’Antarctique et ouvre de nouvelles opportunités sur ces archives du climat et de la circulation atmosphérique de la Terre. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Microbes form complex communities on Earth. They are crucial for global nutrient recycling in soil and oceans. Inside our body, our intestinal microbiome contributes to our metabolism and protects us against diseases. The dynamics of these microbial communities and their response to environmental changes depend on intra- and inter-species interactions. Computational models are useful to simulate the behavior of such systems and to predict their response to prebiotics or to antibiotics for example. However, due to the multiple, nutrient-dependent interactions, modeling the behavior of such communities remains a real challenge. Mathematical modeling allows for an understanding of the general principles underlying the nonlinear dynamics of microbial communities. Population-based models are based on the abundances of each species but typically do not incorporate the interaction mechanism. Interactions can be mediated by the metabolism of microbes. Therefore, explicit modeling of nutrients is required for a mechanistic understanding of the dynamical behavior of interacting communities. In this thesis we developed and analyzed models accounting for the nutrient-mediated microbial interactions, focusing on competition and mutualistic cross-feeding. In the first part of the thesis, we constructed a nutrient-explicit model that reproduced experimental time series of a small synthetic microbial community, consisting of three species that interact via cross-feeding and competition. The comparison of mono-culture and co-culture dynamics reveals emergent behaviors in co-cultures and highlights the influence of key factors on the population dynamics. In the second part of the thesis, we showed how nutrient-explicit models for mutualistic cross-feeding are related to population-based models, such as the Lotka-Volterra equations. This allows to predict the occurrence of bistability and the presence of a survival threshold. Finally, we extended these results by considering the spatial dimension, and studied how diffusion and advection influence the survival of the community. Our results demonstrate that nutrient-explicit models are able to reproduce experimental time series of microbial communities and to predict the factors determining survival or extinction. By providing a mechanistic understanding of the nonlinear behavior related to microbial interactions, we take a step forward towards the development of predictive models of microbial communities. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Plusieurs facteurs peuvent limiter la capacité, ou le désir, d’un individu d’effectuer un exercice physique. Entre autres, la perception de la difficulté de l’effort et une faible résistance à la fatigue peuvent limiter la performance tant chez des athlètes d'élite que des individus sédentaires. Les athlètes, les entraîneurs, les médecins et autres intervenants sont donc continuellement à la recherche d’interventions pouvant améliorer la capacité à l’effort et la résistance à la fatigue neuromusculaire. De nombreux travaux démontrent que l'augmentation de l'apport en substrat énergétique au niveau du muscle actif et des niveaux de la machinerie métabolique, soit des activités à la hausse d’enzymes clés impliquées dans le métabolisme énergétique, pourraient réduire les effets néfastes d'une activité physique inhabituelle, améliorant ainsi la tolérance à l'exercice et la performance globale. Cette performance est souvent évaluée au moyen de la puissance aérobie maximale (PAM), soit la quantité de travail produit au niveau du muscle squelettique dans les conditions de consommation maximale d’oxygène au niveau de l’organisme dans son ensemble. La résistance à la fatigue est, de son côté, souvent évaluée par la durée ou le travail total qui peut être fournit dans un effort d’intensité dans le temps. Outre l’entraînement, l’apport nutritionnel, incluant l’utilisation de compléments nutritionnels, peut également améliorer la résistance à la fatigue et la PAM globale en modifiant, entre autres, le potentiel métabolique des muscles squelettiques. Le complément alimentaire Blue Calorad® (BC) est un breuvage contenant du collagène de milieu marin hydrolysé, de l'extrait de myrtille et des polyphénols combinés dans une formule brevetée. Il a été rapporté que ce médicament réduit le stress induit par l'exercice, améliore l'endurance et la récupération grâce à des effets antifatigue. Ces allégations proviennent cependant des rapports anecdotiques des consommateurs. Par conséquent, une évaluation objective des effets et des mécanismes potentiels sous-jacents de ces effets s’impose. Il est plausible que le Blue Calorad® ait des effets sur la performance car, individuellement, les ingrédients du produit, dont les bleuets, le collagène et les polyphénols, amélioreraient la santé et la capacité d'exercice chez des modèles humains et animaux en bonne santé. Les adaptations physiologiques aiguës et chroniques induites par ces éléments modulent certains mécanismes qui se révèlent limitants pour la performance. L'étude présentée dans l’article de ce mémoire a examiné l’hypothèse selon laquelle le Blue Calorad® agit de la sorte. Nos résultats démontrent que la consommation ad libitum de Blue Calorad®, pendant une durée de 5 semaines chez des rattes non entraînées, permet d’augmenter leur performance sur tapis roulant en ralentissant l’apparition de la fatigue. Cette amélioration de la performance n’a pas été accompagnée iv de changements significatifs des paramètres physiologiques choisis, soient la composition corporelle, certaines variables plasmatiques, le glycogène musculaire et plusieurs éléments de la machinerie musculaire squelettique des métabolismes anaérobie et aérobie. Ces résultats appuient les rapports anecdotiques des consommateurs du produit et suggèrent que le Blue Calorad® pourrait produire un effet ergogénique chez l’humain, bien que les mécanismes de son action demeurent inconnus. / Maximal aerobic power (MAP), the ability of the muscles to use oxygen received from the heart and the lungs to produce energy, is an important determinant of performance among both athletes at the elite level and sedentary individuals seeking to partake structured physical activity. Athletes, coaches, physicians and others use varied interventions to enhance performance, with the goal of delaying the onset of fatigue. Many authors have suggested that increasing energy supply and upregulating activities of key enzymes involved in the skeletal muscle metabolism could mitigate the deleterious impact of unaccustomed physical activity thereby improving exercise and overall performance. Aside from physical training, a well-structured and balanced nutrition plan may also enhance exercise tolerance and overall MAP by altering anaerobic and aerobic skeletal muscle metabolic potential. Blue Calorad® (BC), is a liquid dietary supplement containing marine hydrolyzed collagen, blueberry extract, and polyphenols combined in a proprietary formula, which has been reported to reduce exercise-induced stress and enhance endurance and recovery via its potential anti-fatigue effects. Claims surrounding this product are based solely on anecdotal evidence provided by consumers and therefore, potential mechanisms behind its effects have yet to be discovered. BC has yet to be tested in humans. However, blueberries, collagen and polyphenols have been reported to enhance health and exercise capacity in both healthy human and animal models. The acute and chronic physiological adaptations induced by these elements mimic some of the mechanisms that prove to be limiting to overall physical performance and when enhanced these could thereby potentiate the effects of an increased performance. The study presented later in this paper examined this hypothesis. Our results suggest that ad libitum consumption of BC over a 5-week period in sedentary female rats increases performance during two MAP tests. Although the BC supplementation did not clearly enhance the chosen physiological parameters such as body composition, plasma variables, muscle glycogen and ultimately anaerobic and aerobic mechanisms related to skeletal muscle metabolic potential, the increased performance responses could prove beneficial to sedentary individuals or those seeking to newly partake in a physical activity regime.

Ce mémoire présente l’étude numérique d’un emballement de turbine hydraulique axiale à échelle modèle. Cet état transitoire est simulé du point de meilleur rendement jusqu’à l’atteinte de 95% de la vitesse d’emballement. Pour ce faire, une méthodologie numérique est développée à l’aide du logiciel commercial ANSYS CFX en utilisant une approche "Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes" avec modèle de turbulence k-ε. Cette méthodologie numérique a été validée grâce à des mesures expérimentales de pression acquises en situation d’emballement sur les aubes d’une roue de turbine axiale étudiée au Laboratoire de Machines Hydrauliques de l’Université Laval. La validation des simulations numériques a été réalisée grâce à des comparaisons dans les domaines temporel et fréquentiel entre les pressions mesurées expérimentalement et calculées numériquement. Les analyses fréquentielles en transitoire ont été effectuées à l’aide de transformées en ondelettes afin de représenter l’évolution temporelle du spectre de fréquence. Des analyses qualitatives de phénomènes hydrauliques prenant place dans la turbine sont aussi présentées. Les analyses effectuées ont permis de confirmer le développement d’un tourbillon en précession par rapport à la roue dans l’aspirateur provocant les fluctuations de pression dominantes à des fréquences subsynchrones. La comparaison entre les données expérimentales et numériques a permis de valider une stratégie de simulation transitoire et d’en définir les limites en vue de prochaines simulations d’emballement. Des tests supplémentaires sont suggérés pour améliorer la précision ou le niveau de confiance de la méthode. / This work presents a numerical study of a runaway event (from the load rejection at BEP to 95% of the runaway speed) for a model propeller turbine. To do so, a numerical methodology, based on the “Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes” approach with k-ε turbulence model, is developed with the commercial CFD solver ANSYS CFX. This methodology is validated with pressure measurements on the runner blades of a propeller model turbine during a runaway event at the Hydraulic Machines Laboratory of Laval University. Comparisons between experimental pressure measurements and numerical pressure simulations in time domain and frequency domain are mainly used to validate the numerical methodology. The transient frequency analysis are performed with Wavelet to represent the time evolution of the frequency spectrum. Qualitative analysis of the hydraulic phenomena developed during the transient event are also carried out. Numerical analysis showed the development and the evolution of a vortex rope in the draft tube associated with high pressure fluctuations. Comparisons between experimental and numerical data revealed the limits of the methodology that will need adjustments for future works.

Les rayons cosmiques d'ultra-haute énergie sont les messagers des phénomènes les plus cataclysmiques ayant lieu dans l'Univers. L'énergie portée par ces particules peut atteindre quelques dizaines de Joules et est dissipée dans l'atmosphère terrestre sous forme d'une avalanche de particules secondaires. Les questions portant sur leur origine et leur propagation sont toujours au coeur du débat car elles n'ont toujours pas de réponse définitive. CODALEMA est la pionnière des expériences modernes de détection indirecte des rayons cosmiques à travers l'émission radio des particules chargées de la gerbe. Cette recherche est motivée par la possibilité de caractériser entièrement le rayon cosmique primaire avec des antennes sensibles aux ondes électromagnétiques dans la bande décamétrique, et nettement moins coûteuses que les instruments disponibles actuellement. Ce manuscrit présente les résultats de 3 années consacrées à la mise en opération et l'analyse de données d'un réseau de stations autonomes, qui composent la dernière configuration de CODALEMA. L'étude du bruit de fond a révélé une sensibilité des stations face aux interférences radio d'origine humaine. Des méthodes de réjection de ce bruit ont été développées dans le but de les incorporer dans les prochains circuits électroniques de sélection de signaux transitoires. Les premières données ont montré que la mesure des deux polarisations horizontales du champ électrique est indispensable pour distinguer les mécanismes d'émission radio. De même, une nouvelle paramétrisation de la distribution latérale du champ électrique est discutée.