Prédire la propagation de la flamme lors d'une explosion de mélanges hybrides poudre/gaz dans des géométries complexes est un défi qui mobilise de multiples ressources. Une approche consiste à déterminer expérimentalement les caractéristiques inhérentes des mélanges poussière-air, comme la vitesse de flamme laminaire, et de les utiliser comme entrées dans les logiciels de Mécanique des Fluides Numérique (CFD). Néanmoins, la caractérisation expérimentale de la vitesse de combustion de suspensions turbulentes de poussières dans l’air est délicate de par notamment la variabilité des propriétés des poudres (taille des particules, humidité...), l'impossibilité de générer un nuage de poussière sans turbulence et l'impact de la poudre sur le rayonnement de la flamme. L’objectif de ce travail était de développer une approche permettant d’évaluer les propriétés fondamentales de propagation des flammes, à partir d'expériences en système fermé et des courbes d'évolution pression-temps, mais surtout grâce à l'analyse de la vitesse de flamme en fonction de son étirement et des instabilités hydrodynamiques. Dans une première étape, la turbulence du nuage de poussière avant inflammation a été étudiée. L'impact de la phase de pyrolyse sur l'explosion de poudres organiques a été aussi souligné expérimentalement et à l’aide d’un modèle de pyrolyse flash. Ensuite, le comportement de mélanges hybrides composés de gaz de pyrolyse et poudres organiques a été analysé, démontrant leurs particularités. Enfin, les interactions turbulence/combustion lors la propagation de la flamme ont été étudiés afin d'en extraire une vitesse de flamme ‘pseudo’ laminaire de la poussière ou des mélanges hybrides / Predicting the flame propagation during a dust/gas hybrid mixture explosion in complex geometries is a challenge that mobilizes numerous resources. One approach consists on experimentally determining the inherent characteristics of dust-air mixtures, like the laminar flame speed, and using them as input for Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation programs. Nevertheless, the experimental characterization of the burning rates of turbulent dust clouds in air still delicate due to the variability of the properties of powders (particle size distribution, moisture…), the physical impossibility to generate a quiescent dust cloud and the impact of powder on the flame radiation among others. The ultimate goal of this work was to develop an approach to assess fundamental flame propagation properties, from closed vessel experiments and pressure-time evolution curves, but specially from the analysis of flame velocity as a function of its stretching and of the hydrodynamic instabilities. In a first step, the turbulence of the initial dust cloud has been studied. The impact of the pyrolysis phase on organic dusts explosion has also been highlighted both experimentally and by means of model for flash pyrolysis. Furthermore, the explosive behaviour of gas-dusts hybrid mixtures composed of pyrolysis gases and organic dusts has been analysed. Finally, the turbulence/combustion interactions during flame propagation have been studied in order to extract the “pseudo” laminar flame velocity of dusts clouds or hybrid mixtures

Les raies d'absorption de quasars sont des outils efficaces pour étudier le milieu interstellaire dans les galaxies. Dans ce travail, nous étudions un échantillon de soixante-six systèmes absorbants à z<1.5 sélectionnés pour la présence de raies d'absorption de CI intenses dans leurs spectres SDSS. Ils sont observés par les spectrographes X-shooter et UVES du VLT de l'ESO. Nous étudions en tout 17 systèmes observés par X-shooter. Nous déduisons la métallicité, la déplétion par la poussière, le taux d'extinction par la poussière et le taux d'absorption des raies de MgII, MgI, CaII et NaI décalées dans l'infrarouge proche. Nous détectons neuf raies d'absorption de CaII avec W(CaII λ3934)>0.23Å. Nous détectons dix raies d'absorption de NaI dans quatorze systèmes susceptibles d'en montrer. La largeur équivalente médiane de W(NaI λ5891)=0.68Å est plus grande que celles observées dans des nuages proches ayant des densités-colonnes de HI similaires ou dans des systèmes CaII à z<0.7 détectés par le SDSS. La présence systématique de raies d'absorption de NaI dans ces systèmes CI suggère fortement que le gaz environnant est neutre et froid, et donc peut faire partie du gaz moléculaire diffus dans le milieu interstellaire de galaxies à fort décalage vers le rouge. Les raies d'absorption de MgII s'étalent sur plus de 400km/s en Δv pour la moitié de l'échantillon; trois systèmes ont un Δv supérieur à 500 km/s. Tout ceci suggère qu'une fraction importante du gaz froid à fort décalage vers le rouge émane d'environnements perturbés. Nous détectons de l'hydrogène moléculaire dans tous les systèmes dans la limite de détection. / Quasar absorption lines are a powerful tool to study the interstellar medium(ISM) in the galaxies. We study a sample of 66 z >1.5 absorbers selected based on the presence of strong CI absorption lines in SDSS spectra and observed with the ESO-VLT spectrograph X-shooter/UVES. I study 17 systems that are re-observed by X-shooter. I derive metallicities, depletion onto dust, extinction by dust and analyse the absorption from MgII, MgI, CaII and NaI that are redshifted into the near infrared wavelength range. I detect 9 CaII absorptions with W(CaII λ3934) > 0.23 Å out of 14 systems. I detect 10 NaI absorptions in the 11 systems where we could observe this absorption. The median equivalent width (W(NaI λ5891) = 0.68 Å) is larger than what is observed in local clouds with similar HI column densities but also in z<0.7 CaII systems detected in the SDSS. The systematic presence of NaI absorption in these CI systems strongly suggests that the gas is neutral and cold, maybe part of the diffuse molecular gas in the ISM of high-redshift galaxies. The MgII absorptions are spread over more than Δv ~ 400 km/s for half of the systems; three absorbers have Δv > 500 km/s. The kinematics is strongly perturbed for most of these systems which probably do not arise in quiet disks and must be close to regions with intense star formation activity. All this suggests that a large fraction of the cold gas at high redshift arises in disturbed environments. We detect molecular hydrogen in all the systems within the detection limit.

Les démarches entreprises pour ce travail s’inscrivent dans un vaste programme de recherche visant à l’élaboration d’un guide complet sur la conception, la construction et l’entretien de routes non revêtues en contexte climatique nordique canadien. La poussière qui s’échappe des chemins et routes locales non revêtus par temps sec est une source importante de particules fines dans l’air qui a de nombreuses répercussions environnementales et socio-économiques. En effet, ces particules sont la cause de pollution atmosphérique, elles réduisent la visibilité des conducteurs en plus d’avoir une incidence néfaste sur la santé des usagers. Une grande variété de produits abat-poussière servant à contrôler ce phénomène est actuellement offert sur le marché. Ce travail de recherche porte sur la performance de chaussées non revêtues traitées par abat-poussière dans le contexte climatique nordique canadien. Il inclut notamment une partie expérimentale de terrain qui se déroule sur deux routes forestières du Québec. La nature des produits à l’essai est très diversifiée de même que les critères d’évaluation de performance des chaussées qui couvrent la poussière générée, l’état de la surface de roulement et les impacts environnementaux. Ces critères ont été évalués de façon qualitative et quantitative sur une période de deux ans. Le concept du cycle de vie est également abordé afin de développer un outil d’analyse basé sur les résultats de terrain. Les résultats obtenus révèlent que la famille des produits hygroscopiques est la mieux adaptée au contexte climatique nordique canadien. Le choix final du produit devrait être fait selon les contraintes économiques et environnementales du site d’application. L’analyse du cycle de vie d’une route non revêtue a permis de déterminer que l’utilisation d’un produit abat-poussière et stabilisant réduit les frais d’exploitation ainsi que les émissions polluantes générées. / Conclusions obtained from this research project will be supplemented to a guide which will consider all the relevant parameters in the establishment of design, construction and maintenance guidelines on unpaved roads in northern locations. Dust generation from unpaved roads is a great source of airborne particles which can have environmental as well as economic impacts. These particles are a driving hazard to motorists using the road and are also the cause of many health problems. In addition to atmospheric pollution, the generation of dust also leads to loss of aggregate and road surface deterioration. A wide range of dust suppressants are commercially available to help control this problem. This research project covers the performance of unpaved roads treated with dust suppressant in a northern context. Field testing was conducted on two different forest roads in Québec over a two-year period. Several dust suppressants were evaluated through different criteria of performance including dust abatement, road condition and environmental impacts. Qualitative and quantitative methods were used in order to evaluate those performance criterias. The concept of life-cycle assessment was also studied in order to develop an analysis tool for the design and maintenance of unpaved roads. Study results show hygroscopic products will offer a better performance in the Northern Canada context. The selection of the appropriate salt or brine should be made according to the economic and environmental limitations of the location. The life-cycle analysis of an unpaved road allowed us to establish that the use of a dust suppressant or a soil stabilizer will help reducing the costs of operation and the release of chemicals and particulates into the atmosphere.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette maîtrise s'inscrivent dans le vaste projet CARRLo (Chemin d'Accès aux Ressources et Routes LOcales) visant à améliorer la qualité des routes non revêtues en contexte climatique nordique canadien. À cause entre autres de l'achalandage réduit et de l'éloignement de la plupart des routes non revêtues, le pavage de ces dernières est une tâche ardue et dispendieuse qui est très peu réaliste, du moins à grande échelle. Toutefois, devant la place sans cesse grandissante qu'occupe la sécurité dans les transports, le contrôle de la stabilisation des routes non revêtues et de la poussière engendrée par la circulation est devenu nécessaire. De plus, face à la rigueur du climat nordique le défi n'est pas seulement de contrôler la poussière, mais aussi de stabiliser les chemins non revêtus en trouvant des produits efficaces dans un contexte de gel et de dégel afin d'augmenter la période où les routes sont praticables. Plusieurs travaux portent sur la performance de divers agents stabilisants et produits d'abat-poussière. Le caractère novateur du présent travail se situe dans l'étude de l'influence de la granulométrie et de la minéralogie sur le comportement d'un matériau granulaire stabilisé ou traité à l'aide d'abat-poussière. Pour ce faire, un programme expérimental d'envergure comprenant des essais de module réversible modifié, de capacité portante, de compression non confinée et de cisaillement direct sont réalisés. Une validation des résultats du programme expérimental sera également effectuée en conditions réelles à l'aide de planches d'essais. L'objectif final des travaux consiste à être en mesure de proposer des familles de produits stabilisants et d'abat-poussière dans un contexte minéralogique et granulométrique précis et en fonction d'objectifs déterminés. Les résultats montrent une réelle influence de la granulométrie et de la minéralogie sur le comportement d'un matériau granulaire stabilisé ou traité à l'aide d'abat-poussière. De plus, les agents stabilisants à l'étude ont démontré qu'ils contribuent à améliorer de manière considérable les propriétés mécaniques d'un matériau granulaire.

Le milieu interstellaire (MIS) est la matière presente dans l'espace au sein des galaxies.Cette matière est composée de gaz et de grains de poussière. Jusqu'à présent, les radioastronomes principalement ont identifié plus de 170 molécules différentes dans le MIS.La présence de la plupart de ces molécules est expliquée à travers des réactions dans la phase gazeuse, mais la synthèse de beaucoup de ces molécules (comme H2, H2O, CO2) nécessite l'intervention d'uncatalyseur, donc des réactions dans la phase solide, sur la surface des grains de poussière. Les objectifs de cette thèse sont de comprendre quels sont les processus physico-chimiques qui ont lieu (par exemple, la diffusion et désorption) sur la surface des grains de poussière interstellaire et comment ils conduisent à la synthèse de molécules de plus en plus complexes.En particulier, l'objet de ma thèse est d'étudier:- le rôle de la diffusion des atomes d'oxygène (noté « O ») et les processus d'oxydation dans la formation des glaces interstellaires;- le couplage thermique et non thermique entre la phase gaz et la phase solide.L'astrochimie ne tendait à considérer que la diffusion des atomes d'hydrogène et les réactions d'hydrogénation, ignorant souvent le rôle de l'oxygénation ainsi que l'importance des processus d'adsorption et de désorption, d'où mes recherches approfondies sur ces thématiques.Évidemment, une meilleure connaissance de ces processus physico-chimiques et des réactions de surface aiderait les astronomes à comprendre la formation des glaces interstellaires, l'augmentation de la complexité moléculaire, et l'équilibre entre le gaz et la phase solide.Pour répondre à ces questions, de nombreuses expériences ont été réalisées avec le dispositif FORMOLISM, situé à l'Université de Cergy-Pontoise dans le cadre du LERMA (Observatoire de Paris). Via deux jets de particules avec un pompage différentiel, les atomes et les molécules sont déposés sur un échantillon froid (> 6,5 K) dans une chambre ultravide. Les produits des réactions sont ensuite sondés en utilisant la spectroscopie de masse et la spectroscopie infrarouge.Pour simuler différents environnements astrophysiques, la physique-chimie de l'état solide a été étudiée dans différentes conditions expérimentales:- La morphologie de substrat (glace d'eau amorphe soit poreuse, soit compacte, glace d'eau cristalline, silicate amorphe ou graphite)- Les espèces déposées et leur rapport relatif- La couverture des espèces déposées, de 0,1 à 2 monocouches- La température du substrat, de 6,5 à 60 K.En ce qui concerne les processus d'oxydation, les résultats montrent que l'O est très réactif avec de nombreuses espèces ; la diffusion des atomes d'O semble être beaucoup plus rapide que prévu et peut se produire par effet tunnel à des températures aussi basses que 6,5 K. Nous avons comparé les valeurs expérimentales des coefficients de diffusion et constaté que les taux de diffusion sur chaque surface, basés sur les résultats de la modélisation, étaient considérablement plus élevés que ceux prévus pour les atomes lourds tels que l'O. Nos résultats montrent que les atomes O peuvent rencontrer tous les partenaires disponibles de réaction à un taux plus rapide que le taux d'accrétion. En particulier, dans les nuages interstellaires très denses, le rapport O/H est tel que O devient l'un des partenaires réactifs dominants avec H. Ceci a un impact sur la formation de certaines espèces et sur l'abondance relative des produits formés.En ce qui concerne les processus de couplage solide-gaz (c'est à dire, l'adsorption, désorption thermique, désorption chimique), les résultats montrent que chaque processus est influencé d'une manière différente par le substrat (glace d'eau, de silicate ou graphite). Enfin, nous fournissons une liste utile des énergies de liaison de plusieurs espèces et de l'efficacité de désorption chimique des différentes réactions sur ces substrats. / The interstellar medium is the matter that exists in the space between the star systems in a galaxy. It is composed of gas and elongated tiny dust grains. To date, plenty of molecules (> 170) are known to exist in the interstellar medium. The presence of most of them can be understood in terms of gas phase reactions but the synthesis of some key species (H2, H2O, CO2) need the intervention of solid-state reactions on dust grains surface. The aims of this thesis are to understand what are the relevant physical-chemical processes (i.e., diffusion and desorption) occurring on the surface of interstellar dust grains and how these processes influence synthesis of more and more complex molecules. In particular, the focus of my thesis is the investigation of:1) the role of O-atom diffusion and the oxidation processes in the formation of interstellar ices;2) the thermal and non-thermal processes coupling gas and solid phase.The reasons of these investigations lie on the realization that, up to now, only hydrogen diffusion and hydrogenation reactions are commonly considered in solid astrochemistry and the role of oxygenation as well as the importance of adsorption and desorption processes are often disregarded.Evidently, a better knowledge of such physical-chemical processes and, in general, of the solid state physical-chemistry could help astronomers to understand the formation of interstellar ices, the increase on molecular complexity, and the equilibrium between gas and solid phase.To answer these questions, many experiments have been performed with the FORMOLISM set-up, i.e., FORmation of MOLecules in the ISM, located in the Universitè de Cergy Pontoise, Observatoire de Paris. Via two triply differentially pumped beams, atoms and molecules were aimed at a cold (>6.5 K) sample held in a Ultra high vacuum chamber. The products were probed using Mass spectroscopy and Reflexion Absorption Infrared Spectroscopy.To simulate different astrophysical environments, the solid state physical-chemistry has been studied in different experimental conditions:-The substrate morphology (Amorphous water ice, porous (p) and compact (np), crystalline (c) ice, amorphous silicate, and graphite)-The species deposited and their relative ratio-The coverage of deposited species, from 0.1 to 2 ML-The substrate temperature, from 6.5 to 60 KConcerning oxidation processes and O-atom reactivity, the results show that oxygen is very reactive with many species (i.e., H, CO, NO, H2CO, HCOOH); O diffusion appears to be much faster than previously expected and can occur via quantum mechanical tunnelling at temperatures as low as 6.5 K. We compared the experimental values of the diffusion coefficients and found that the rates of diffusion on each surface, based on modelling results, were considerably higher than those expected for heavy atoms such as oxygen. Our findings show that O atoms can scan any available reaction partners (e.g., either another H atom, if available, or a surface radical like O, OH, CO) at a faster rate than that of accretion. In particular, in very dense interstellar clouds, the O/H ratio is such that O becomes one of the dominant reactive partners together with H. This has an impact on the chemistry occurring at the surface of dust grains as either the formation of some species may be enhanced, or at least the relative abundances of the final products will be affected. An important example of how O-atom mobility can modulate the abundances of key species of ices in the ISM is the case of the H2O/CO2 ratio via the CO+O and H2CO+O pathways.Concerning gas-solid coupling processes (i.e., adsorption, sticking, thermal desorption, chemical desorption), the results show that each processes is influenced in a different way by the substrate (i.e., water ice, silicate or graphite). Moreover, we provide a useful list of binding energies of several species and chemical desorption efficiency for different reactions on different subst

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Les plasmas contaminés par des poussières (plasmas poussiéreux) constituent une des nouvelles branches de la physique des plasmas. On les rencontre aussi bien à l'état naturel (plasmas astrophysiques) que dans les plasmas industriels (micro-électronique). Dans cette thèse, nous analysons le comportement de poussières dans la gaine d'une électrode polarisée négativement et plongée dans un plasma d'argon. Celui-ci est créé dans une enceinte multipolaire, par une décharge continue à cathode chaude, à basse pression (plasma non collisionnel). La charge négative d'une poussière isolée est estimée expérimentalement en mesurant sa hauteur de lévitation (lieu d'équilibre entre la force de gravité et la force électrique développée par l'électrode) ou en étudiant son oscillation résonante (oscillation naturelle ou forcée). Pour cela, le profil de potentiel de la gaine est mesuré avec des sondes différentielles. Nous vérifions que cette charge est du même ordre de grandeur que celle prédite par le modèle OML. Nous estimons l'influence des poussières sur la dynamique des ions dans la région de gaine avec le diagnostic de Fluorescence Induite par Laser (FIL). Nous étudions une collision binaire élastique dont les caractéristiques dépendent du potentiel d'interaction entre les poussières. Celui-ci peut être modélisé par un potentiel Coulombien écranté et nous donnons une estimation de la longueur d'écrantage appliquée aux poussières. Elle est du même ordre de grandeur que la longueur de Debye électronique. Lorsque l'énergie cinétique des poussières diminue, des couplages forts apparaissent entre les poussières et nous observons la formation de structures hexagonales. Un calcul variationnel montre qu'elles représentent l'état d'énergie minimum du système. Nous donnons une estimation du paramètre de couplage, rapport entre l'énergie d'interaction Coulombienne et l'énergie cinétique.

Comment se forment les poussières dans un four électrique à arc d'aciérie et comment réduire leur quantité ? Telles sont les deux questions qui ont motivé ce travail. La caractérisation morpho-minéralogique des particules qui les composent suggère que l'éclatement des bulles de monoxyde de carbone à la surface du bain d'acier liquide est la principale source d'émission de poussière. Nous avons donc développé un dispositif expérimental original permettant de visualiser ce phénomène et de quantifier les gouttelettes projetées lors de l'éclatement d'une bulle. Les résultats obtenus montrent que ce sont les gouttes issues de la fragmentation du film liquide soulevé par la bulle, qui représentent la contribution majeure à la formation des poussières. La masse de gouttes de film émises est d'autant plus faible que les bulles sont petites, elle devient nulle pour une taille de bulle inférieure à 4,5 mm. Il est donc possible de réduire les émissions de poussières en maîtrisant la décarburation, à l'origine de la formation des bulles au four électrique. Après émission, les projections sont entraînées dans le système de captage des fumées où elles subissent des phénomènes d'agglomération, de coalescence et de frittage. Un modèle numérique décrivant ces phénomènes a été développé. Les résultats donnés par le calcul en termes de morphologie et de granulométrie sont très proches des caractéristiques réelles des poussières. A l'aide de ce modèle, nous avons pu préciser l'influence des conditions de captage (température, débit d'aspiration, géométrie des conduites) sur l'évolution des particules. Nous avons également déterminé par quels mécanismes et dans quelles parties du captage se forment les différentes catégories de particules, et nous avons expliqué les différences granulométriques observées entre les poussières de four électrique et celles de convertisseur.

De la Poussière Interstellaire, de l'Emission Infrarouge des Galaxies, et des Mesures du rayonnement cosmologique à 3K

Mon travail de thèse est centré sur la compréhension des propriétés d'émission des gros grains de poussières dans le domaine submillimétrique et du couplage de ces grains avec le gaz interstellaire dans les régions froides et denses. Des observations astrophysiques marquantes (PRONAOS, FIRAS) révèlent que les grains possèdent à grande longueur d'onde des propriétés d'émission inattendues qui ne peuvent pas être comprises par la seule considération des modèles usuels. Pour expliquer ces propriétés, nous avons proposé un modèle original d'émission des grains, basé sur les propriétés physiques intrinsèques des solides amorphes. Ce modèle permet de rendre compte de l'anticorrélation existant entre la température d'équilibre des gros grains T et leur indice spectral d'émissivité Β, déduite des mesures PRONAOS (Dupac et al. 2003) mais également de l'excès submillimétrique observé par FIRAS. Il permet ainsi d'interpréter deux faits observationnels distincts qui n'avaient jamais été expliqués de manière simultanée et définit ainsi le canevas d'un futur modèle de grains. Pour avoir une meilleure compréhension des propriétés d'émission/absorption des grains, j'ai complété ce travail théorique par des expériences en laboratoire sur les propriétés d'absorption de différents types de silicates amorphes, à basse température et grande longueur d'onde. Pour la première fois, nous avons analysé nos spectres d'absorption en distinguant deux domaines fréquentiels (500Μm-1mm et 100Μm-200Μm) dans lesquels l'absorption présente une dépendance fréquentielle différente. Pour des longueurs d'onde comprises entre 500Μm et 1mm, l'indice spectral Β présente une anti-corrélation marquée avec la température, d'allure similaire à celle mesurée par le ballon PRONAOS. Cette variation de l'absorption pourrait être expliquée par la présence de défauts (groupements OH ou ions modifiant le réseau). Dans les environnements froids et denses, les propriétés d'émission des grains sont modifiées notamment par les processus d'agglomération des grains entre eux, processus favorisés par la présence de manteaux de glace. Dans ce cadre il apparaissait intéressant de relier les modifications des propriétés d'émission des grains à celles du gaz. Le traitement et l'analyse de données moléculaires CO et N2H+ en direction d'un filament de la constellation du Taureau nous a permis de démontrer que le processus d'agglomération des grains entre eux n'était pas initié par la présence de manteaux de glace de CO mais plus probablement par celle de manteaux de glace de H2O. Enfin, nous avons confirmé les résultats de SWAS sur la sous-abondance de l'eau en phase gazeuse dans les environnements froids et denses en étudiant, en direction d'un nuage sombre (Cha-MMS1), la raie d'émission submillimétrique de l'eau dans sa transition fondamentale avec le satellite ODIN.