Dans cette thèse, nous étudions la formation de domaines ferroélectriques dans des nanostructures, à partir d'une modélisation faisant intervenir les équations de Ginzburg-Landau et d’Électrostatique, ainsi que des conditions aux limites d'application potentielle. Dans la première partie de la thèse, les nanostructures sont constituées d'une couche ferroélectrique entièrement enclavée dans un environnement paraélectrique. Nous introduisons un modèle depuis un couplage de ces équations et élaborons, pour son investigation, un schéma numérique faisant usage d’Éléments Finis. Des simulations numériques montrent l'efficacité de ce schéma, qui permet d'établir, par exemple, l'existence de cycles d'hystérésis sous l'influence de paramètres aussi bien physiques que géométriques. Dans la seconde partie, les nanostructures sont constituées d'une couche ferroélectrique partiellement enclavée qui s'intercale entre deux couches paraélectriques. Deux modèles sont proposés à partir d'une variante du couplage réalisé dans la première partie, et se distinguent dans la prescription des conditions aux limites. Des conditions de type Neumann interviennent dans le premier modèle, pour lequel un schéma numérique aussi basé sur des approximations par Eléments Finis est introduit. Dans le second modèle, des conditions périodiques sont prises en considération ; un schéma numérique s'appuyant ici sur une hybridation des méthodes de Différences Finies et d'Eléments Finis est présenté. Les simulations numériques basées sur ces deux schémas permettent de renseigner sur les permittivités dites effectives, des nanostructures, ou encore sur la constitution des parois de domaines ferroélectriques / In this thesis, we study the formation of ferroelectric domains in nanostructures by modeling based on the Ginzburg-Landau and Electrostatics equations, together with boundary conditions that are suitable for real applications. In the first part of the thesis, the nanostructures are made up of a ferroelectric layer, fully enclosed in a paraelectric environment. We introduce a model based on the coupled system of equations and then develop, for its investigation, a numerical scheme using Finite Elements. Numerical simulations show the efficiency of this scheme, which allows us to establish, for instance, the existence of hysteresis cycles under the influence of physical or geometric parameters. In the second part, the nanostructures are made up of a partially enclosed ferroelectric layer that lies between two paraelectric layers. Two models are introduced from a variant of the coupling performed in the first part, and differ in the prescription of the boundary conditions. Neumann type conditions are prescribed in the first model, for which a numerical scheme also based on Finite Element approximations is developed. In the second model, periodic conditions are taken into account; a numerical scheme based on a combination of Finite Difference and Finite Element methods is presented. Numerical simulations from these schemes allow us, for instance, to investigate the so-called effective permittivities, of the nanostructures, or the formation of ferroelectric domain walls

L'objectif principal de cette thèse est de conduire, à travers une étude théorique et expérimentale, vers une meilleure compréhension des différents effets induits par la texturation de surface dans un contact lubrifié. Le but ultime est de proposer un motif de texture qui permette de réduire le frottement et le niveau de fuite d'une garniture mécanique. L'étude bibliographique a permis d'identifier les différents travaux théoriques et expérimentaux réalisés sur la lubrification en présence de textures, les phénomènes physiques interagissant avec les textures et les différentes méthodes utilisées pour leur mise en forme. Une étude théorique utilisant un modèle conservatif basé sur l'équation de Reynolds est ensuite présentée. Dans la première partie de cette étude, les faces de frottement sont supposées parfaitement parallèles et les effets thermoélastiques sont négligés. Dans la seconde partie, les échanges de chaleur avec les anneaux et les déformations thermoélastiques sont pris en compte. Une étude paramétrique a permis de mieux comprendre l'influence des paramètres géométriques des textures, des défauts de formes et des déformations thermoélastiques des faces sur le fonctionnement de la garniture. En outre, cette étude a permis de définir une texture capable d'améliorer significativement les performances d'une garniture mécanique. Des essais expérimentaux ont ensuite été réalisés avec une garniture mécanique texturée et une garniture mécanique non texturée. Des mesures de couple de frottement et des relevés de température effectués par thermographie infrarouge ont montré que l'utilisation des textures permet de réduire de manière significative la température et le couple de frottement par rapport à une garniture à surfaces lisses. Enfin, une comparaison théorie/expérimentation a permis de valider le modèle développé qui prédit de façon correcte le comportement de la garniture texturée. / The main objective of this thesis is to lead, through a theoretical and experimental study, to a better understanding of the various effects induced by surface texturing in lubricated contacts. The ultimate goal is to provide a texture pattern that reduces friction and leakage of a mechanical seal. The literature review identified different theoretical and experimental works performed on lubrication in the presence of textures, physical phenomena interacting with textures and the different methods used for their manufacturing. A theoretical study using a conservative model based on Reynolds equation is then presented. In the first part of this study, the friction surfaces are assumed perfectly parallel and thermoelastic effects are neglected. ln the second part, heat transfer to the rings and thermoelastic deformations are taken into account. A parametric study then allows bettering our understanding of the influence of geometrical parameters of textures, defects and thermoelastic deformations of the faces on the performance of a mechanical seal. In addition, this study has identified a texture capable of significantly improving the performance of a mechanical seal. Experimental tests were then carried out with bath textured and untextured mechanical seals. Friction torque measurements and temperature measurements achieved by means of infrared thermography have shown that the use of textures allows to significantly reduce heat and friction torque compared with a seal with smooth surfaces. Finally, a comparison theory/experiment validated the developed model that predicts correctly the behavior of the textured mechanical seal.

Des panaches sont connus pour migrer à travers le manteau ductile et quasi-Newtonien ; alors que les dikes se fracturent et se propagent dans la lithosphère solide. Cependant, la lithosphère est en fait visco-élastique. Afin de déterminer ce qui se passe dans ce cas complexe, nous avons réalisé une étude expérimentale et numérique sur le développement de panaches thermiques dans des solutions aqueuses de Carbopol, un gel de polymères formant un réseau continu d'éponges microscopiques. Ce fluide est rhéofluidifiant et présente un seuil de contrainte σ₀, de sorte que l'écoulement ne se produit que si la contrainte locale dépasse cette valeur critique σ₀. En dessous de cette valeur, le fluide agit comme un solide élastique. Les propriétés rhéologiques des solutions peuvent être systématiquement ajustées en variant la concentration de Carbopol. Le dispositif consiste en une source locale de chaleur de puissance constante placée au centre d'une cuve cubique. Selon la valeur du rapport entre la contrainte d'origine thermique et la contrainte seuil, Y₀, on peut observer trois régimes différents. A faible Y₀<Yc₁, aucun mouvement n'est détecté ; tandis que pour Yc₁<Y₀<Yc₂ une cellule se développe, puis évolue vers un panache pour Y₀>Yc₂. Nous montrons que les paramètres critiques (Yc₁,Yc₂) dépendent fortement de la géométrie du chauffage. Des mesures simultanées de température et de champs de vitesse montrent que la morphologie du panache ressemble à un doigt, contrairement à la forme de champignon rencontrée dans les fluides newtoniens. Utilisant des simulations numériques avec une description purement visqueuse, où la rhéologie du fluide est décrite par un modèle de Herschel-Bulkley régularisé, sont suffisantes pour rendre compte de la dynamique du panache. Une étude détaillée des paramètres indiquent que la dynamique du panache est gouvernée par la compétition entre la contrainte seuil, la contrainte induite par la flottabilité et les contraintes visqueuses. Nous avons identifié deux paramètres adimensionnés : le paramètre seuil Ψ comparant la contrainte induite par la flottabilité et la contrainte seuil, et le nombre de Bingham Bi comparant la contrainte seuil et les contraintes visqueuses. Un panache ne peut s'élever que si les deux paramètres sont supercritiques, i.e. la contrainte induite par la flottabilité et les contraintes visqueuses sont plus importantes que la contrainte seuil. Par conséquent, le panache peut s'arrêter avant d'atteindre la surface. Des lois d'échelles dans le conduit du panache ont été déterminées pour la vitesse, la température et la taille de la région cisaillée en régime permanent. Elles décrivent raisonnablement le comportement du conduit bien que seul l'effet rhéofluidifiant soit pris en compte. L'application de ces paramètres adimensionnés à la Terre contraignent significativement la limite de plasticité du manteau et de la lithosphère. La contrainte seuil maximale qui permet à une instabilité thermique de pénétrer dans la lithosphère ou le manteau supérieur est entre 100 kPa et 100 MPa, et elle dépend fortement de la taille et de l'anomalie de densité de l'intrusion. / Plumes are known to migrate through the ductile quasi-Newtonian mantle, while dikes fracture and propagate through the solid lithosphere. However, depending on the timescale, the lithosphere presents solid as well as viscous properties. To determine what happens in the complex case, where instabilities propagate through a visco-elastic matrix, we performed a combined study of laboratory experiments and numerical simulations. Here we investigate the development of thermal plumes in aqueous solutions of Carbopol, a polymer gel, forming a continuous network of micrometric sponges. This fluid is shear thinning and has a yield-stress σ₀, whereby flow occurs only if the local stress exceeds this critical value σ₀. Below this value, the fluid acts as an elastic solid. The rheological properties of the solutions can be systematically varied by varying the Carbopol concentration. The setup consists of a localized heat-source operated at constant power, placed at the centre of a square tank. Depending on the ratio of the thermally induced stresses and the yield stress, Y₀, three different regimes may be obtained. For low Y₀<Yc₁ no motion occurs, whereas for Yc₁<Y₀<Yc₂ a cell develops, that evolves into a plume for Y₀>Yc₂. We show that the critical parameters (Yc₁,Yc₂) strongly depend on the geometry of the heating. Combined temperature and velocity field measurements show that the morphology of the plume resembles a finger, contrary to the mushroom-like shape encountered in Newtonian fluids. Numerical simulations using a purely viscous description, where the rheology of the fluid is described by a regularized Herschel-Bulkley model, are sufficient to capture the plume dynamics. A detailed parametric study shows that the plume dynamics are governed by the interplay between yield stress, buoyancy induced stress and viscous stresses. We identify two non-dimensional parameters: the yield parameter Ψ comparing the buoyancy induced stress to the yield stress, and the Bingham number Bi comparing the yield stress to the viscous stresses. We show that a plume can rise only if both parameters are supercritical, i.e. if buoyancy induced stress and viscous stresses each overcome the yield stress. Therefore the plume may come to a halt before it reaches the surface. We propose scaling laws for the plume stem velocity, temperature and the size of the shear zone in the steady state. We show that the scaling laws describe the behaviour in the plume stem reasonably well, if the yield stress is neglected and only the shear thinning behaviour is taken into account. Applying the non-dimensional parameters to Earth places severe constraints on the strength of mantle and lithosphere. The maximum strength that allows for thermal instabilities to penetrate the lithosphere or upper mantle is in between 100 kPa and 100 MPa, and strongly depends on the size and buoyancy of the anomaly.

Cette thèse entre dans le cadre de l’étude et la conception d’une nouvelle source ECR d’ions légers au sein du LEDA (Laboratoire d’Etudes et de Développement des Accélérateurs – CEA Saclay), nommée ALISES (Advanced Light Ions Source Extraction System). Dans un premier temps, la conception magnétique, électrique et mécanique de la nouvelle source est décrite. Ensuite, des simulations ont été effectuées afin de déterminer la réduction du grossissement d’émittance en tenant compte de la réduction de la longueur de la LBE (Ligne Basse Energie) apportée par la source ALISES. Cette source permettant aussi de réaliser une étude sur les dimensions de la chambre plasma cylindrique, des simulations ont été effectuées afin de mieux comprendre l’interaction entre l’onde radiofréquence et le plasma. Par la suite, les expériences réalisées sur la source ALISES ont permis de mettre en évidence, de comprendre et de résoudre les problèmes de décharges Penning dans le tube accélérateur. Les mesures réalisées sur le plasma ont permis de dégager l’hypothèse que les électrons sont chauffés à l’entrée de la chambre plasma puis thermalisés sur toute sa longueur afin d’atteindre une énergie correspondante au maximum de la section efficace d’ionisation du dihydrogène. / This thesis is in the context of study and design of a new ECR light ion source on LEDA (Laboratory of Research and Development of Accelerators - CEA Saclay), named ALISES (Advanced Light Ions Source Extraction System). As a first step, the magnetic, electrical and mechanical design of the new source is described. Then, simulations were performed to determine the reduction of emittance growth taking into account the reduction of the length of the LBE (Low Energy Beam Line) provided by the source ALISES. With this source, it’s also possible to realize a study on the dimensions of the cylindrical plasma chamber. Simulations were performed to better understand the interaction between radiofrequency wave and plasma. Subsequently, experiments on the source ALISES helped highlight, understand and solve problems in the Penning discharges inside the accelerator column. Measurements performed on the plasma have yielded the assumption that the electrons are heated at the entrance of the plasma chamber and thermalized along its entire length to achieve an energy corresponding to the maximum of the ionization cross section for hydrogen.

Nous étudions la formation d’étoiles et d’amas d’étoiles dans les galaxies dominées par le gaz. Ce terme réfère en premier lieu aux galaxies de l’époque du pic de formation d’étoiles dans l’histoire de l’Univers, qui s’est déroulé vers z ~ 2, mais aussi à leurs analogues locaux, les galaxies naines de marées. En premier lieu, en utilisant des simulations numériques, nous montrons que les galaxies massives typiques de z=2, avec une fraction de gaz d’environ 50%, forment des structures gazeuses massives (10**7-8 masses solaires) et liées gravitationnellement, appelées grumeaux dans la suite. Ces grumeaux ne se forment dans des galaxies avec une fraction de gaz inférieure à 25%. Nous présentons ensuite une étude observationnelle d’un analogue local de grumeaux de galaxies à z=2, la galaxie naine de marée NGC 5291N. Une analyse des raies d’émission de cette galaxie montre la présence de chocs sur les pourtours de l’objet. La photométrie des amas d’étoiles de cette galaxie montre que les amas les plus jeunes (< 10 millions d’années) sont significativement moins massifs que les amas plus âgés. Ceci peut être le signe de fusions progressives d’amas et/ou d’une forte activité de formation stellaire dans ce système il y a environ 500 millions d’années.Dans un second lieu nous étudions comment la fraction de gaz influe sur la formation d’étoiles et d’amas stellaires dans des fusions de galaxies à z=2. En utilisant des simulations numériques nous montrons que ces fusions n’augmentent que relativement peu le taux de formation d’étoiles et d’amas stellaires comparativement aux fusions de galaxies locales, à faible fraction de gaz. Nous montrons que ceci est due à une saturation de plusieurs facteurs physiques, qui sont déjà présents naturellement dans les galaxies isolées à z=2 et sont donc comparativement peu accentués par les fusions. Il s’agit de la turbulence du gaz, des zones de champ de marée compressif et des flux de matières vers le noyau de la galaxie. Nous montrons aussi que les structures stellaires formées au sein des grumeaux de gaz sont préservées par la fusion : elles sont éjectées des disques et orbitent dans le halo de la galaxie résultante de la fusion, où elles peuvent devenir les progéniteurs de certains amas globulaires / We study the formation of stars and stellar clusters in gas-dominated galaxies. This term primarily refers to galaxies from the epoch of the peak of the cosmic star formation history, which occurred at z ~ 2, but also to their local analogues, the tidal dwarf galaxies.Firstly, using numerical simulations, we show that the massive galaxies at z = 2, which have a gas fraction of about 50%, form massive (10**7-8 solar masses) and gravitationally bound structures, which we call clumps thereafter. These clumps do not form in galaxies with a gas fraction below 25%. We then present an observational study of a local analogue of a z = 2 galactic clump, which is the tidal dwarf galaxy NGC 5291N. The analysis of emission lines show the presence of shocks on the outskirts of the object. Photometry of this galaxy’s stellar clusters show that the youngest clusters (< 10 million years) are significantly less massive than older clusters. This could be the sign of ongoing cluster mergers and/or of a strong star formation activity in this system about 500 million years ago).Secondly, we study how the gas fraction impacts the formation of stars and stellar clusters in galaxy mergers at z = 2. Using numerical simulations we show that these mergers only slightly increase the star and stellar cluster formation rate, compared to local galaxy mergers, which have a lower gas fraction. We show that this is due to the saturation of several physical quantities, which are already strong in isolated z=2 galaxies and are thus less enhanced by the merger. These factors are gas turbulence, compressive tides and nuclear gas inflows, We also show that the stellar structures formed in the gaseous clumps are preserved by the fusion: they are ejected from the disk and orbit in the halo of the remnant galaxy, where they may become the progenitors of some globular clusters

Ce travail de thèse se concentre sur la dynamique rotationnelle du système couplé graine, noyau externe et manteau. Notre modèle inclut en effet deux couples électromagnétiques directs aux limites du noyau fluide et un couple gravitationnel entre la graine et le manteau. La dynamique rotationnelle est décrite par quatre cisaillements typiques et étudiés dans des simulations numériques convectives de la géodynamo reproduisant les principales caractéristiques du champ magnétique terrestre et de sa variation séculaire. Celle-ci est principalement représentée par la dérive géomagnétique vers l’ouest de taches de flux magnétique à la CMB, concentrée à l’équateur de l’hémisphère Atlantique, et bien documentée pour les quatre derniers siècles. Nous fournissons des contraintes sur la rotation différentielle de la graine en exprimant son lien avec la dérive géomagnétique vers l’ouest. Ceci est réalisé par la formulation et la validation de modèles dynamiques de couples électromagnétiques. Au long terme, le cisaillement global dans le noyau fluide est réparti entre la dérive géomagnétique vers l’ouest et la rotation différentielle de la graine, dans des proportions contrôlées par l’état des couplages. Puisqu’une estimation actuelle de ce cisaillement est proche de la vitesse de la dérive géomagnétique vers l’ouest, nous concluons que la rotation différentielle moyenne de la graine est proche de zéro. En ce qui concerne ses fluctuations, l’intensité du couplage gravitationnel est le paramètre dominant. Cette observation place une limite sur les fluctuations décennales de la rotation différentielle de la graine, qui ne devraient pas excéder quelques centièmes de degré par an / This PhD work focuses on the rotational dynamics of the coupled inner core - outercore - mantle system. The conservation of the angular momentum our coupled Earth model indeed involves two direct electromagnetic torques at the fluid core boundaries and a remote gravitational torque between the inner core and the mantle. The rotational dynamics is described by four typical shears and studied in convective numerical simulations of the geodynamo which are able to reproduce the main characteristics of the geomagnetic field and its secular variation. This secular variation is mainly embodied by the westward drift of magnetic flux patches at the CMB, concentrated on the equator of the Atlantic hemisphere, and is well documented for the last four centuries. We provide constrains on the inner core differential rotation by expressing its link to the geomagnetic westward drift. This is performed through the formulation and the validation of dynamical electromagnetic torque models, which are then introduced in the conservation of the angular momentum of the system. In the long-term state, the global shear in the fluid outer core is distributed between the westward drift and the differential rotation of the inner core, in proportions controlled by the state of couplings. As a present day estimate of this shear is close to the observed westward drift, we conclude there is no differential rotation of the inner core on time-average. In the time-dependent state, we observed that the strength of gravitational coupling is the dominant parameter. This places limit on the decadal fluctuations of the inner core differential rotation, which should not exceed a few hundredths of degree per year

L'époque de la réionisation, qui s'étend pendant le premier milliard d'années de l'Univers, correspond à la période où les premières étoiles et galaxies apparaissent. Dans ce contexte, l'enjeu majeur de cette thèse est d'étudier la formation de ces premières structures et leur rétroaction radiative sur leur environnement. Pour cela, j'utilise différentes méthodes de simulations numériques permettant de modéliser le transfert radiatif dans les galaxies, dans un cadre cosmologique.En particulier, les plus petites galaxies seraient celles qui apportent la majorité des photons nécessaires à ioniser l'Univers. J'explore cette hypothèse dans une première partie à l'aide de simulations radio-hydrodynamiques avec le code RAMSES-RT, ciblant trois petites galaxies avec une très haute résolution spatiale et temporelle. Je me suis d'abord intéressé aux mécanismes régulant la production et le transfert de photons ionisants dans les galaxies, et j'ai montré que les explosions de supernovae en sont un facteur essentiel. Ensuite, j'ai exploré les propriétés observables dérivées à partir de ces simulations.Dans un second temps, j'ai développé une extension au code Monte Carlo de transfert radiatif MCLya prenant en compte la polarisation du rayonnement et l'émission diffuse dans une simulation. J'ai utilisé ce code pour post-traiter une simulation d'un blob Lyman-alpha, une source étendue d'émission Lyman-alpha, et étudier ses propriétés de polarisation à l'aide de pseudo-observations. Contrairement à ce qui était proposé précédemment, j'ai pu montrer que la polarisation n'était pas un indicateur aussi utile qu'espéré pour tracer l'origine des photons Lyman-alpha / The Epoch of Reionisation, which spans during the first billion year of te Universe, corresponds to the period during which the first stars and galaxy form. In this context, the main topic of this thesis is to study the formation of those early structures and their radiative feedback to their environment. For this purpose, I use various numerical simulations tools designed to model the radiative transfer in galaxies in a cosmological framework.More specifically, I look at very small galaxies, which are believed to contribute the bulk of the photons required to reionise the Universe. I explore this idea using radiative hydrodynamics simulations performed with RAMSES-RT, focusing on three small galaxies with a very high spatial and temporal resolution. I first detail the mechanism that regulate te production and escape of ionising photons in galaxies, and I show that supernovae explosions are a crucial element for this regulation. I then started to investigate the observable properties of those galaxies.In a second part of my thesis, I developped an extension to the Monte Carlo radiative transfer code MCLya to take light polarisation into account and to model the diffuse emission. I applied this code to post-process the simulation of a Lyman-alpha blob (an extended Lyman-alpha source), and to study its polarisation properties with mock observations. Contrary to what was suggested before, I showed that polarisation is not a strong tracer of the origin of Lyman-alpha photons

L’érosion éolienne des matières granulaires (minerais, charbons,. . . ) est un des facteurs influençant grandement la qualité de l’air dans l’environnement proche de nombreux sites industriels. L’objectif principal de ce travail est l’amélioration des méthodologies de quantification des émissions des sources diffuses, notamment à partir d’une meilleure prise en compte de l’exposition éolienne des sources que sont les tas de stockage et des répartitions granulométriques des matières présentes sur les sites de stockage. Les observations sur sites industriels montrent que les régions proches des tas de stockage de matières granulaires sont chargées de particules de granulométries plutôt fines. Celles-ci sont susceptibles d’être remises en suspension par les structures tourbillonnaires générées par le vent incident. Ainsi, ces zones d’envol potentiel ont fait l’objet d’analyses afin de quantifier leur contribution aux émissions globales. Une technique de visualisation d’écoulement pariétal, associée à des simulations numériques tridimensionnelles, ont été mises en oeuvre pour mieux comprendre ces structures de l’écoulement. Les matières granulaires sont un mélange de particules érodibles et non-érodibles. Le caractère érodible étant lié aux propriétés des particules (principalement granulométrie et masse volumique), ainsi qu’à la vitesse du vent incident. Dans ce cadre, deux types d’études ont été menées: des essais expérimentaux d’envol de particules dans une soufflerie et des simulations numériques tridimensionnelles avec un logiciel open-source de mécanique des fluides (Code_Saturne). Une technique originale a ainsi été développée pour quantifier, par une pesée en continue, l’influence des particules non-érodibles sur le flux massique envolé. En parallèle, le comportement des particules sur la surface est analysé à l’aide de clichés photographiques. L’analyse de l’effet des particules non-érodibles au niveau local est réalisée grâce à des simulations numériques pour des configurations polydispersées. Les résultats présentés dans ce mémoire constituent de premiers éléments pouvant possiblement contribuer à l’amélioration des modèles actuels de quantification des émissions de particules par une meilleure intégration et pris en compte de la présence de particules non-érodibles pour les matières présentant de larges spectres granulométriques. / Wind erosion of granular materials (ores, coal, ...) is one of the factors that greatly influence the quality of the air in the immediate vicinity of many industrial sites. The main objective of this work is the improvement of methodologies for quantifying emissions from diffuse sources. It may be carried out by a better consideration of wind exposure on the sources (storage piles) and larger size distributions of granular materials present at the storage sites. Observations show that areas near storage piles of granular materials on industrial sites are loaded with silt particles. These particles may be re-emitted by vortex structures. Thus, these areas of potential particles take-off were analyzed to quantify their contribution to global emissions. A wall flow visualization technique associated with three-dimensional numerical simulations have been implemented. Granular material is a mixture of erodible and non-erodible particle. The erodible character may be associated to particle properties (mainly size and density), as well as the ambient wind speed. In this context, two types of studies were conducted: experimental tests of particles take-off in a wind-tunnel and numerical simulations with a three-dimensional open-source fluid dynamics code (Code_Saturne). An original technique has been developed to quantify, by a continuous weighing, the influence of non-erodible particles of the mass flow. In parallel, the behaviour of particles on the surface is analyzed using photographs. The analysis of the effect of nonerodible particles at local level is achieved through numerical simulations for poly-dispersed configurations. The results presented in this thesis are the first elements that can potentially contribute to the improvement of current models of quantification of particulate emissions through a better integration of the presence of non-erodible particles for materials with large particle size spectra.

Nous cherchons à modéliser numériquement un jet flottant air-hélium dans une cavité avec deux ouvertures à partir de simulations aux grandes échelles (LES) et de simulations numériques directes (DNS). La configuration considérée est basée sur une étude expérimentale menée au CEA de Saclay reproduisant une fuite d'hydrogène en environnement confiné. La dimension de la cavité a été choisie pour permettre une transition laminaire-turbulent intervenant environ à la mi-hauteur de la cavité. Cette étude porte principalement sur trois points majeurs : l'influence des conditions aux limites sur le développement du jet et son interaction avec l'environnement extérieur, la validité du modèle numérique qui est analysée en comparant la distribution de vitesse obtenue numériquement aux mesures expérimentales (PIV) et, enfin, la compréhension de la distribution air-hélium et le phénomène de stratification qui s'établit à l'intérieur de la cavité. Nous observons dans un premier temps que des conditions limites de pression constante appliquées directement au ras des évents conduisent à une sous-estimation du débit volumique d'air entrant dans la cavité et donc à une surestimation de la masse de l'hélium à l'intérieur de la cavité, ce qui n'est pas acceptable dans un contexte d'évaluation du risque hydrogène. En revanche, la prise en compte, dans le domaine de calcul, d'une région extérieure à la cavité prédit correctement le flux d'air entrant. Les résultats numériques sont alors en bon accord avec les données PIV. Il a été montré que les prédictions de la DNS, par rapport à la LES, concordent mieux avec les mesures de vitesse par PIV. Le champ de concentration prédit numériquement présente une couche homogène en haut de la cavité, dont la concentration est en accord avec le modèle théorique de Linden et al. 1990. Cependant, sa position et son épaisseur ne correspondent pas au modèle. Ceci est principalement dû aux interactions directes entre le jet flottant et, d'une part, avec les limites solides de la cavité et d'autre part, avec l'environnement extérieur. L'analyse statistique concernant la production de la flottabilité de l'énergie cinétique turbulente (TKE) a permis d'identifier les limites du jet flottant. / We present numerical results from large eddy simulations (LES) and coarse direct numerical simulations (DNS) of an air-helium buoyant jet rising in a two vented cavity. The geometrical configuration mimics the helium release experimental set-up studied at CEA Saclay in the framework of security assessment of hydrogen-based systems with an indoor usage. The dimension of the enclosure was chosen to ensure a laminar-turbulent transition occurring at about the middle height of the cavity. This study focuses mainly on three key points : the influence of the boundary conditions on the jet development and its interaction with the exterior environment, the validity of the numerical model which is analyzed by comparing the numerical velocity distribution versus the measured particle image velocimetry (PIV) ones, and finally understanding the distribution of air-helium and the stratification phenomenon that takes place inside the cavity. We observe at first that applying constant pressure outlet boundary conditions directly at the vent surfaces underestimates the volumetric flow rate of air entering the enclosure and thus overestimate the helium mass inside the cavity. On the contrary, modelling an exterior region in the computational domain better predicts the air flow-rate entrance and numerical results matches better with the experimental PIV data. It has been figured out that the coarse DNS predictions match better with the velocities PIV measurements, compared to the LES. Numerical prediction of the helium field depicts a homogeneous layer formed at the top of the cavity, with a concentration in good agreement with the theoretical model of Linden et al. 1990. However, the position and the thickness of the layer do not correspond to the theory. This is mainly due to the direct interactions between the buoyant jet and both the solid boundaries of the cavity and the exterior environment. Statistical analysis regarding the buoyancy production of the turbulent kinetic energy (TKE) served to identify the limits of the buoyant jet.

Ce travail a pour objectif de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de l'application d'un gradient de champ magnétique sur le développement d'une flamme de diffusion laminaire décrochée. Les propriétés de ce type de flamme dépendent beaucoup des vitesses d'éjection, de la géométrie du brûleur et du nombre de Scmidt des carburants. Nous avons ici considéré une configuration d'une flamme laminaire de diffusion de méthane/air, issue d'un brûleur coaxial, débouchant dans de l'air ambiant. Le champ magnétique est généré par un aimant permanent. L'étude expérimentale montre que la hauteur de décrochage est très sensible au débit d'air mais peu au débit de méthane. L'application du champ magnétique permet de réduire la hauteur de décrochage et renforce la stabilité de la flamme. L'étude numérique a été conduite dans le cas sans et avec champ, à partir d'un code CFD dans lequel, deux modifications ont été apportées : ajout d'un modèle de rayonnement qui permet de prendre en compte les pertes radiatives des gaz chauds et prise en compte de l'influence du champ magnétique par l'ajout d'une force volumique dans l'équation de quantité de mouvement. Il a été montré que la hauteur de décrochage dépend fortement du débit d'air mais peu du débit de méthane. L'application du champ magnétique permet de réduire la vitesse de l'air et le gradient spatial de fraction massique de méthane, phénomènes importants dans la diminution de la hauteur de décrochage et dans l'augmentation de la vitesse de propagation de la flamme.