Ce travail s’inscrit dans le contexte général de l’ingénierie tissulaire du cartilage (culture in vitro) bien que la physique employée puisse s’appliquer à d’autres domaines. Après un rappel du modèle macroscopique de dispersion réactive obtenu en employant la prise de moyenne volumique, les problèmes de fermeture sont résolus numériquement afin de déterminer la macro-dispersion. Les solutions numériques sont tout d’abord validées dans des cas sans advection et/ou sans réaction. L’étude de la dispersion passive (sans réaction) sur des micro-géométries simples illustre la dépendance des coefficients de dispersion macroscopiques vis-à-vis de la géométrie (porosité, croissance directionnelle ou homothétique). Enfin, la simulation du cas complet (incluant la réaction) nous a permis de montrer l’influence de plusieurs paramètres : nombre cinétique, nombre de Sherwood, structure géométrique microscopique. / Abstract

L'objectif est d'élaborer un nouveau procédé de fabrication de mousses métalliques par voie de fonderie en modélisant l'infiltration et la solidification d'un métal liquide dans un milieu poreux. La modélisation est faite en deux étapes.Tout d'abord, à l'échelle locale un brin de la mousse métallique est considéré comme un tube capillaire et l'infiltration et solidification d'un métal liquide dans un moule cylindrique est étudiée. Deuxièmement,le modèle macroscopique de la solidification diffusive d'un métal liquide dans un milieu poreux est obtenu par prise de moyenne volumique. Le modèle local est codée dans un outil CFD opensource et trois études paramétriques ont été faites permettant la détermination des relations de la longueur et le temps d'infiltration en fonction de paramètres de fonctionnement. La modélisation de la solidification d’un métal liquide dans un milieu poreux est simplifié en considérant que le moule est complètement saturé par un métal liquide au repos,par suite la solidification se produit par diffusion pure (pas de convection). L'équilibre thermique local (LTE) est considéré entre les phases solide et liquide du métal tandis qu'un non équilibre thermique local (LTNE) est retenue entre la phase métallique et le moule. Les problèmes de fermeture associés ainsi que le problème macroscopique ont été résolus numériquement. / The objective of this work is to elaborate a new manufacturing process of metal foams via casting by modelling the infiltration and solidification of liquid metal inside a porous medium.However, due to the complexity of this problem the study is divided into two steps. First, at local scale one strut of the metal foam is considered as a capillary tube and the infiltration and solidification of liquid metal inside a cylindrical mould is studied. Second, a macroscopic model of diffusive solidification is derived using the volume average method. The local model is coded in an open source CFD tool and three parametric studies were done where the relations between the infiltration length and time as function of the operating parameters are determined. The modelling of the solidification of liquid metal inside a porous medium is simplified by considering that the mould is fully saturated by liquid metal at rest, solidification occurs by pure diffusion. Local thermal equilibrium (LTE) is considered between the solid and liquid phases of the metal while local thermal non equilibrium (LTNE) is retained between the metallic mixture and the mould. The associated closure problems as well as the macroscopic problem were numerically solved.

La pyrolyse est la décomposition thermochimique de la biomasse en gaz de synthèse valorisables en biocarburants. Cette technologie, propre et renouvelable, nécessite aujourd’hui des efforts de recherche et de développement afin de prouver sa compétitivité par rapport aux autres sources d’énergie. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle macroscopique de la pyrolyse en utilisant la méthode de prise de moyenne volumique. Le modèle sera ensuite utilisé pour faire des études numériques afin de caractériser le procédé et améliorer les performances des réacteurs. Une approche en deux temps a été établie afin d’atteindre notre objectif. D’abord, des modèles macroscopiques d’écoulements à masse volumique variable en milieu poreux ont été développés. Ce type d’écoulements est similaire à celui mis en jeu en pyrolyse pour deux deux raisons: la masse volumique varie sous l’effet de gradients forts de température et le réacteur de pyrolyse peut être considéré comme un milieu poreux à double porosité (porosité à l’échelle du lit et porosité à l’échelle de la particule). Les résultats théoriques ont montré que les équations de conservation macroscopiques (continuité, quantité de mouvement et énergie) et les propriétés effectives (masse volumique, perméabilité et diffusivité thermique) font apparaitre de nouveaux termes résultants de la variation de densité. La forme explicite de ces termes a été établie et validée par simulations numériques. Les résultats obtenus ont été utilisés dans un deuxième temps afin de développer un modèle macroscopique de la pyrolyse. / Pyrolysis is a thermo-chemical conversion of biomass into bio-fuels. This technology has not been fully developed and its competitiveness against other sources of energy is yet to be proven. The aim of this work is to derive a macroscopic model of pyrolysis by means of volume averaging method. The obtained macroscopic model can then be used to conduct fast and low-cost numerical simulations to characterize the process and improve the reactor efficiency. To achieve our objective, a two-steps methodology has been established. First, the fundamental problem of variable density flow in porous media has been investigated. The physical phenomena in this kind of problem are very similar to those involved in pyrolysis for two reasons: the fluid density varies due to high temperature gradients and the pyrolysis reactor can be considered as a double porosity medium (porosity at the reactor scale and porosity at the biomass particle scale). The obtained macroscopic conservation equations (continuity, momentum and energy) and the effective properties (density, permeability and thermal diffusivity) contain additional terms resulting from the fluid density variation. The explicit form of these terms has been established and their components have been computed. The resulting models of the first step have then been used to develop a macroscopic model of the pyrolysis in the second part of our study.

La contamination des ressources en eaux souterraines par une phase organique non miscible à l'eau couramment appelée NAPL (Non Aqueous Phase Liquid) constitue aujourd'hui un défi scientifique majeur compte tenu de la durée de vie d'un tel polluant. Bien que l'activité bactérienne (généralement présente sous forme de biofilm) joue un rôle crucial dans le devenir à long terme de ces effluents, peu d'études existent à l'heure actuelle sur son impact dans des conditions multiphasiques (i.e., à proximité de la source). En effet, dans la zone saturée, sous l'action des forces capillaires, le NAPL se retrouve souvent piégé, en effet, sous forme de «gouttelettes» au niveau des pores. Ce comportement spécifique au polluant modifie la dynamique du système biofilm/milieu poreux saturé et d'importantes questions restent encore ouvertes : accessibilité du polluant, modification de la tension interfaciale, production de biosurfactant, effet de toxicité (inhibition de la croissance bactérienne). Pour tenter de répondre à ces questions, nous avons adopté une approche aussi bien théorique qu'expérimentale. L'approche théorique porte sur le développement d'un modèle macroscopique décrivant le transport multiphasique en milieu poreux pour un système eau/NAPL/biofilm. Elle repose sur la méthode de prise de moyenne volumique, appliqué aux équations décrivant le couplage écoulement/transport à l'échelle du pore, permettant d'effectuer le changement d'échelle et dériver un modèle à deux équations. Le modèle est établit sous les hypothèses d'équilibre de masse local à l'interface fluide/biofilm et les contraintes associées à ces hypothèses ont étés définies. L'influence des caractéristiques microscopiques (arrangement des grains, fraction volumique du biofilm, distribution des blobs de NAPL, mouillabilité) sur les propriétés effectives du milieu (coefficient de dispersion, coefficient d'échange de masse) est discutée au travers des résultats issus des simulations. Ensuite, le modèle macroscopique a été comparé avec succès à la simulation numérique direct à l'échelle du pore pour la géométrie 2D complexe considérée. Quant à l'approche expérimentale, elle consiste à étudier le transport et la biodégradation du toluène en présence des bactéries Pseudomonas Putida F1 à l'aide d'un milieu poreux transparent 2D (micromodèle). Premièrement, nous avons étudié la dissolution du toluène résiduel sans bactéries et des courbes de dissolution du toluène ont été obtenues. Les résultats de dissolution du toluène en condition abiotique ont été comparés avec succès aux résultats du modèle théorique. Ensuite, l'étude expérimentale en micromodèle a porté sur la dissolution du toluène en condition biotique. Les résultats de ces études (courbes de dissolution et évolution de la saturation résiduelle) ont montré un impact significatif de la présence des bactéries sur les processus de dissolution par comparaison au cas abiotique. / Contamination of groundwater resources by an immiscible organic phase commonly called NAPL (Non Aqueous Phase Liquid) represents a major scientific challenge considering the residence time of such a pollutant. Although bacterial activity (usually in the form of biofilm) plays a crucial role in the long term fate of these effluents, very few works are focused on the study of such processes in multiphase conditions (oil/water/biofilm systems). The NAPL often gets trapped, in fact, under the action of capillary forces in the saturated zone in the form of «droplets» within the pores. This specific pollutant behavior changes the dynamics of biofilm /saturated porous medium system where important questions remain open: accessibility of the pollutant, changes in interfacial tension, biosurfactant production, toxicity effect (inhibition of bacterial growth). Modeling the transport of chemical species in the presence of bacteria is an extremely complex issue in terms of scale. We will use an experimental and theoretical approach to address these questions. In this thesis, we developed a macroscopic model describing multiphase transport in porous media for a water/NAPL/biofilm system. A volume averaging method has been applied here to the equations at the pore scale to make the upscaling and derive the model. This two-equation model is established under the assumptions of local mass equilibrium at the fluid/biofilm interface and the constraints associated with these assumptions were defined. The effect of microscopic features (arrangement of grains, volume fraction of the biofilm, distribution of NAPL blobs, wettability) on the effective properties of the media (dispersion coefficient, mass exchange coefficient) is discussed through some results from simulations. Subsequently, the macroscopic model has been successfully compared with the direct numerical simulation at pore scale for a 2D complex geometry. The experimental approach consists of studying transport and biodegradation of toluene in the presence of bacteria Pseudomonas Putida F1 using a flowcell. First, we studied the dissolution of toluene in abiotic conditions and toluene dissolution curves were obtained. The results of toluene dissolution in abiotic conditions were compared with success the results of the theoretical model. Finally, an experimental study in flowcell on the dissolution of toluene under biotic conditions was performed. The results of these studies (dissolution curve and evolution of toluene saturation) showed a significant impact of the presence of bacteria on the dissolution process compared to the abiotic case.

Les filtres céramiques sont des dispositifs prometteurs pour diminuer les émissions de particules carbonées par les moteurs Diesel et respecter les futures normes environnementales. L'analyse et la modélisation des phénomènes physiques intervenant dans leur fonctionnement est indispensable pour améliorer leurs performances et leur durabilité. Dans une première partie, l'écoulement du gaz, le transport et la capture des particules au sein d'un filtre présentant une structure poreuse multi-échelle sont étudiés. Une approche de type « milieu poreux effectif» est adoptée pour simuler l'étape de filtration à l'échelle du filtre. Le modèle s'appuie sur des équations 1D, développées pour un élément unitaire de filtre, préservant le caractère inertiel de l'écoulement. Dans une deuxième partie, le comportement thermique du filtre est étudié. Les transferts de chaleur convectif et diffusif sont pris en compte dans un modèle macroscopique à une température obtenu par la méthode de prise de moyenne volumique. Un terme source de combustion permet de considérer la réaction d'oxydation des particules collectées, intervenant dans l'étape de régénération du filtre.

Cette thèse a pour objectif de modéliser le couplage fluide-structure pouvant survenir dans les faisceaux tubulaires des réacteurs nucléaires. Leurs simulations numériques directes étant hors de portée, on met en œuvre une approche multi-échelle: il s'agit de tirer profit du coût modeste d'une description macroscopique, et à la fois, de la précision des informations microscopiques. Vis-à-vis des modèles existants, le travail de développement se focalise sur la prise en compte de la convection dans le calcul des champs hydrodynamiques, mais surtout, sur la possibilité de restituer des réponses vibratoires variées au sein d'un même faisceau. L'homogénéisation aboutit à un système d'équations gouvernant les Interactions Fluide-Solide à une échelle macroscopique. Ces équations sont couplées par une source en quantité de mouvement, traduisant les charges hydrodynamiques exercées sur une structure donnée. Cette force à modéliser représente une loi de fermeture du problème homogénéisé, mettant en jeu des coefficients a priori inconnus. Une méthode d'estimation est proposée à partir des champs microscopiques obtenus par simulation directe sur un domaine réduit et représentatif du large système de référence. Les capacités prédictives du modèle homogénéisé sont évaluées en comparaison avec des données de référence, issues de calculs numériques directs microscopiques. Chaque système considéré présente une variété de réponses en déplacement que le modèle homogénéisé restitue avec un accord satisfaisant. Cette approche multi-échelle semble être un bon compromis entre le coût des réalisations numériques et la précision attendue des données vibratoires et hydrodynamiques. / Vibration of tubes arrays is a matter of safety assessments of nuclear reactor cores or steam generators. Such systems count up thousands of slender-bodies immersed in viscous flow, involving multi-physics mechanisms caused by nonlinear dynamic interactions between the fluid and the solid materials. Direct numerical simulations for predicting these phenomena could derive from continuum mechanics, but require expensive computing resources. Therefore, one alternative to the costly micro-scale simulations consists in describing the interstitial fluid dynamics at the same scale as the structures one. Such approach rely on homogenization techniques intended to model mechanics of multi-phase systems. Homogenization results in coupled governing equations for the fluid and solid dynamics, whose solution provides individual tubes displacements and average fluid fields for each periodic unit cell. An hydrodynamic force term arises from the formulation within this set of homogenized equations: it depends on the micro-scale flow in the vicinity of a given tube-wall, but needs to be estimated as a function of the macro-scale fields in order to close the homogenized problem. The fluid force estimation relies on numerical micro-scale solutions of fluid-solid interactions over a tube array of small size. The multi-scale model is assessed for arrays made up of hundreds tubes, and is compared with solutions coming from the numerical micro-scale simulations. The macro-scale solution reproduces with good agreement the averaged solution of the micro-scale simulation, indicating that the homogenization method and the hydrodynamic force closure are suitable for such tube array configurations.

L'ingénierie tissulaire intervient pour restaurer le tissu osseux. Parmi les traitements possibles, l'utilisation d'un bioréacteur à perfusion permet l'amplification in vitro de cellules souches ou osseuses prélevées chez le patient avant réimplantation. La contrainte de cisaillement générée par l'écoulement stimule mécaniquement les cellules et amplifie la production tissulaire. Cette technique souffre cependant de sa conception empirique et doit à présent être optimisée. L'objectif de cette thèse est l'étude et la modélisation de la croissance tissulaire et de la prolifération cellulaire à l'échelle du bioréacteur. En particulier, il s'agit de comprendre l'impact de l'écoulement sur la formation du tissu. Pour cela, une double approche de modélisation et d'expérimentation a été adoptée. Des expériences de culture cellulaire ont permis de mettre au jour la prolifération préférentielle des cellules près des parois du bioréacteur comme conséquence de l'hétérogénéité du support, et l'évolution de la morphologie du tissu. Un modèle prédisant le devenir des cellules ainsi que la croissance tissulaire à l'échelle du bioréacteur est proposé. L'aspect multi-échelles du problème est pris en considération et les procédures d'homogénéisation sont menées à bien grâce à la méthode de prise de moyenne volumique. / Bone tissue engineering aims at restoring bone tissues. Among the possible treatments, the use of a perfusion bioreactor allows the amplification in vitro of the patient bone or stem cells prior to implantation. The advantage of using such bioreactors is two-fold: in addition to greatly improving species transport, tissue production is enhanced. Although promising, this technique suffers from its empirical conception and now needs to be optimized. The purpose of this thesis is to study and model tissue growth and cell proliferation under a fluid flow of culture medium at the scale of the bioreactor. In particular, we wish to understand the impact of fluid flow on tissue formation. To this end, a double approach of experimentation and modeling has been adopted. Cell culture experiments in a perfusion bioreactor highlighted the preferential cell proliferation in the parietal region as a consequence of the heterogeneity of the scaffold, and the evolution of the tissue morphology. A model for predicting the cell's fate along with tissue growth at the scale of the bioreactor is proposed. The hierarchy of the system is considered and the upscaling procedures are carried out with the Volume Averaging Method.

Un dispositif expérimental a été développé pour l'étude du couplage de la croissance d'un biofilm de Shewanella oneidensis MR-1 et du transport conservatif de l'Erioglaucine. La croissance du biofilm a été suivie par mesure de conductivité hydraulique et par acquisition d'images à l'aide d'une caméra digitale. La fraction volumique du biofilm a été caractérisée par des essais d'élution d'une macromolécule (i.e. : le Bleu Dextran) par analogie avec les méthodes de chromatographie d'exclusion ou de filtration sur gel. Ainsi au bout de 29 jours, un biofilm quasi-homogène sur l'ensemble de la cellule d'écoulement (0,1×0,1×0,05m3) et équivalent à 50% du volume poral a été formé. L'influence de la croissance du biofilm sur les propriétés de transport du milieu a été évaluée. Les essais de transport conservatif de l'Erioglaucine effectués pour deux vitesses d'injection et à deux stades de croissance du biofilm (17 et 29 jours) ont montré l'influence d'hétérogénéités locales sur les paramètres de transport (i.e. : la porosité, la perméabilité et la dispersion hydrodynamique). Ainsi après 17 jours de culture quand le biofilm occupe partiellement le milieu poreux (moitié inférieure) un modèle à deux équations ou double milieu permet de caractériser le transport conservatif. A contrario après 29 jours de culture où le biofilm occupe tout le milieu poreux, un comportement fickien classique caractérise le transport. Les valeurs théoriques du coefficient de dispersion longitudinale prédites par la méthode de prise de moyenne volumique ont permis de reproduire de manière satisfaisante le comportement observé expérimentalement / An experimental device was performed for the study of coupling the growth of a Shewanella oneidensis MR-1 bacterial biofilm and the non reactive transport of Brilliant Blue FCF. The biofilm growth was monitored by hydraulic conductivity measurements and by image acquisition with a digital camera. The biofilm volume fraction was estimated through tracer experiments with a macromolecular tracer (i.e., Dextran Blue) as in size-exclusion chromatography or gel filtration chromatography. Then after 29 days of bacterial culture a quasi-homogenous biofilm was grown in the whole flow cell (0,1×0,1×0,05m3) occupying about 50% of void space volume. The influence of biofilm growth on porous media transport properties was evaluated. Conservative tracer experiments with Brilliant Blue FCF run at two hydrodynamic conditions and at two growth steps of biofilm (17 and 29 days) showed the influence of local heterogeneities on transport parameters (i.e., porosity, permeability and hydrodynamic dispersion). Then at 17 days of growth when the biofilm partially covers the porous medium (bottom half of the flow cell) a two-equation model or double-layer model was suitable to characterize the conservative transport. A contrario after 29 days of growth, when the biofilm covers the whole porous medium, a classical fickian model was convenient. Numerical values of longitudinal dispersion coefficient from volume averaging well fitted experimental results

Mes différentes activités de recherche qui s'insèrent dans une problématique axée autour du transport multi-échelle en milieu poreux sont détaillées ici au travers de 3 volets: (1) Influence des hétérogénéités sur les processus de transfert (2) Prise en compte des effets de couplage en transport réactif (3) Impact des processus biologiques sur l'hydrodynamique et le transport Un survol des défis qui restent à surmonter et des perspectives à venir de ce travail de recherche concluent le document.

La Tomographie à Emission de Positrons (TEP) permet d'obtenir une mesure dynamique et résolue en espace de la concentration d'un traceur radioactif injecté au patient. La quantification du débit sanguin cérébral par TEP repose sur l'utilisation d'un modèle cinétique le reliant à la variation spatio-temporelle de la concentration du traceur dans le cerveau. Différents modèles cinétiques sont proposés dans la littérature. Cependant, la majorité d'entre eux repose sur une modélisation compartimentale de l'organe observé. Dans ce cas, l'organe est subdivisé en un compartiment capillaire échangeant avec un compartiment tissulaire par une cinétique le plus souvent du premier ordre. Les résultats obtenus avec ce type de modèle sous-estiment le débit et ne permettent pas de prédire les premiers instants de la dynamique de répartition du traceur. Ces faiblesses ont été confirmées suite à l'amélioration de la résolution temporelle des tomographes, conduisant à l'élaboration de modèles incorporant plus de réalité physiologique. Cependant, tous ces modèles sont développés pour modéliser les échanges entre la micro-circulation et le tissu environnant à l'échelle d'un capillaire (échelle microscopique). Or la résolution spatiale des tomographes utilisés en clinique ne permet pas de distinguer la micro-circulation et le tissu. L'utilisation de ces modèles cinétiques avec des mesures de concentrations macroscopiques dépasse donc leur cadre théorique de validité et peut introduire des résultats faussés. Dans ce contexte, nous proposons un modèle cinétique basé sur le changement d'échelle (utilisant la méthode de prise de moyenne volumique). Ce changement d'échelle permet de remplacer l'ensemble micro-circulation/tissu par un volume fictif, homogène, dont les propriétés macroscopiques sont calculées à partir des propriétés microscopiques d'un Volume Elémentaire Représentatif (VER) du milieu. Dans un premier temps, afin de pouvoir comparer les résultats de ce modèle avec ceux du modèle compartimental standard, le VER considéré est constitué d'un capillaire unique et de son enveloppe de tissu, puis une complexité géométrique supplémentaire est introduite en considérant un réseau de capillaire isotrope à l'échelle de Darcy. Ces modèles sont utilisés pour identifier le débit à l'aide d'une méthode inverse. Pour cela, l'évolution temporelle du champ de concentration dans notre géométrie de référence, qui ne peut être mesurée par TEP en raison de sa faible résolution spatiale, est déterminée par des simulations numériques ainsi que par des mesures in vitro à l'aide d'un modèle expérimental, également développé au cours de ce travail, permettant de reproduire l'écoulement dans un canal traversant une matrice diffusante (gel d'alginate). / Positron Emission Tomography (PET) provides a dynamic and space-resolved measurement of the concentration field of a radioactive tracer previously injected to the patient. Quantification of cerebral blood flow by PET is based on the use of a kinetic model linking cerebral blood flow to the spatial and temporal variations of tracer concentration in the brain. Various kinetic models have been proposed in the literature. However, most of the mare based on a compartmental approach of the observed organ In this case, the organ is divided in two compartments, the capillary and the tissue, and the exchanges between these two compartments are often described by a first order kinetic model. Results obtained with this kind of model under estimate the flow rate and are notable to predict the first instants of the tracer dynamics distribution. With the continuous improvement of the temporal resolution of PET, these weaknesses have been confirmed, which led to the development of models incorporating more physiological reality. However, all these models have been developed to describe exchanges between micro-circulation and surrounding tissue at the scale of capillary vessels (microscopic scale). Because the spatial resolution of PET inclinical practice is insufficient to allow the distinction between micro-circulation and tissue, using of these models with kinetic measurement of macroscopic concentrations exceeds their theoretical validity and can introduce false results. In this context, we propose a kinetic model based on up-scaling (using the method of volume averaging). This up-scaling technique allows to replace the two previous compartments (tissue and micro-circulation) by an homogeneous fictive volume, whose macroscopic properties are calculated from the microscopic properties of are presentative elementary volume (REV) of the medium. First, in order to compare the results of this model with those of the standard compartmental model, the considered REV consists of a single capillary and its surrounding tissue. Second, additional geometric complexity is introduced by considering an isotropic capillary network at the Darcy scale. These models are used to identify the flow rate using an inverse method. For that purpose, the temporal evolution of concentration field in a geometry of reference, which can't be measured by PET due to its low spatial resolution, is determined by numerical simulations and by in vitro measurements. These measurements are performed using an experimental model developed during this work to reproduce the flow in a channel passing through a diffusive matrix (alginate gel).