Les études existantes s'intéressant au dimensionnement des structures paravalanches s'appuient généralement sur des signaux de force lissés dans le temps. Cependant, le caractère hétérogène de la neige en écoulement est responsable de fortes fluctuations systématiquement observées. Cette thèse a pour objectif de caractériser les fluctuations de force exercées sur un obstacle surversé par un écoulement granulaire. Des modélisations numériques par la méthode des éléments discrets sont mises en œuvre pour simuler l'interaction entre la neige, représentée par un ensemble plan de particules sphériques, et un mur immobile et indéformable. Une particularité de ce travail réside dans l'étude d'une gamme très large de régimes d'écoulement, de quasistatique à collisionnel. Deux systèmes modèles sont développés dans le but de focaliser la zone d’étude en amont de l’obstacle, et de permettre le contrôle des variables macroscopiques de l’écoulement (vitesse de cisaillement, pression de confinement, tailles des systèmes). Le premier confine les grains entre quatre parois dont l’une impose un cisaillement à vitesse constante, alors que les signaux de force sont mesurés sur la paroi faisant face au cisaillement. Le second système confine les grains entre deux parois (dont une cisaillante) et une condition aux limites périodique dans la direction du cisaillement, alors que le mur est immergé dans les grains. Chaque système est étudié via une analyse moyenne puis les fluctuations sont caractérisées à partir des signaux de force instantanés.Le nombre inertiel macroscopique construit sur la vitesse de cisaillement et la pression de confinement imposées au système s'avère être une variable de contrôle à la fois de la dynamique moyenne et des fluctuations dans les deux systèmes. Une loi empirique a été établie pour chacun des systèmes pour prédire la transmission de force moyenne sur l'obstacle en fonction du nombre inertiel macroscopique, et la mesure de grandeurs locales a révélé que la loi rhéologique µ(I) des milieux granulaires en écoulement est respectée quasiment partout. Les autocorrélations des signaux de force sur le mur à l'échelle mésoscopique ont révélé l'existence d'un effet mémoire des systèmes aux faibles nombres inertiels, disparaissant avec la transition vers le régime dense inertiel. Les distributions de forces à trois échelles spatiales différentes sont également contrôlées par le nombre inertiel macroscopique : aux régimes lents les distributions sont resserrées et approchent une forme Gaussienne, aux régimes rapides les distributions sont exponentielles. Des lois de probabilité log-normales tronquées à trois paramètres ont été établies afin de prédire de façon empirique les distributions de force sur l'obstacle.Ce travail contribue à approfondir les connaissances sur la composante moyenne et les fluctuations de force subies par un obstacle soumis à un écoulement granulaire. Les résultats obtenus permettent d'envisager la modélisation de systèmes gravitaires s'approchant des conditions réelles d'écoulements, permettant ainsi la comparaison avec des expérimentations de laboratoire dans le but de mieux dimensionner les structures de génie-civil. / The existing studies dealing with the design of civil-engineering structures against snow avalanches are generally based on force times series that are smoothed over time. However the strong heterogeneity of snow leads to systematic observations of a high level of force fluctuations. This PhD thesis aims at characterizing the force fluctuations exerted on an obstacle that is overflowed by a granular flow. Numerical simulations based on the discrete elements method are implemented to model the interaction between the snow, represented by an assembly of spherical particles, and a rigid motionless wall-like obstacle. A key feature of this work is the broad range of flow regimes investigated, from quasistatic to collisionnal. Two model systems are studied in order to focus on a zone restricted to the upstream of the obstacle, and to allow a full control of the macroscopic flow variables (shearing velocity, confinement pressure, system sizes). The first one confines the grains between four walls from which the top one imposes a constant shearing velocity while the force signals are measured on the wall facing the corresponding displacement. The second system confines the grains between a static bottom wall, a shearing top wall, and a periodic boundary condition in the shear direction, while the wall-like obstacle is fully immersed in the grains. Each system is studied through a time-averaged analysis then the fluctuations are characterized from the instantaneous force time series.The macroscopic inertial number built from the shear velocity and the confinement pressure imposed to the system turns out to be the main control variable of both the mean dynamics and the fluctuations in the systems. An empirical law has been established to predict the mean force transmission on the obstacle as a function of the macroscopic inertial number for each of the two systems, and the measurement of local strain and stress tensors revealed that the granular flow µ(I)-rheological law is respected nearly everywhere in the samples. The autocorrelations of force signals on the obstacle at the mesoscopic scale revealed the presence of a memory effect of both systems at low inertial numbers which vanishes with the transition from the quasistatic to the dense inertial flow regimes. The force distributions at three different spatial scales are also controlled by the macroscopic inertial number: for slow regimes the distributions are tightened and resemble Gaussian shapes, for fast regimes the distributions are rather exponential. Truncated log-normal probability density functions (with three parameters) have been established in order to predict empirically the force distributions on the obstacle.This work contributes to advance the knowledge on both the time-averaged and the fluctuating components of the force exerted on a wall subjected to a granular flow. The results enable to look forward with the modeling of gravity-driven systems approaching real flow conditions, thus allowing a comparison with laboratory experiments and full-scale measurements, with the aim of better designing of civil engineering structures impacted by avalanches.

Beaucoup de modélisations numériques dans les domaines de la géophysique, du génie civil et du génie mécanique nécessitent la prise en compte de grandes transformations sur des matériaux avec des comportements allant du fluide visqueux au solide élastique, avec ou sans microstructure granulaire ou stratifiée, en passant par des matériaux bi-phasiques. Une nouvelle méthode numérique, intitulée méthode des éléments finis avec des points d'intégration Lagrangiens (MEFPIL), a été développée pour répondre à ce cahier des charges. Elle est basée sur une grille Eulérienne d'éléments finis dont les points intégrations sont des particules Lagrangiennes qui transportent dans leur mouvement les propriétés matériaux et les variables de temps. Ainsi, les limites vers les grandes transformations sont abolies, tout en transportant l'historique de la matière. Le suivi implicite des interfaces matériaux permet aussi de modéliser les interactions fluide-solide en attribuant des propriétés rhéologiques contrastées aux particules en différents points de l'espace. Ce travail a démontré que des contraintes sur le nombre et le poids numérique des points d'intégration, sont nécessaires pour obtenir de bons résultats dans des cas tests. A cause du traitement des grandes transformations sous forme incrémentale, cette méthode impose une attention particulière lors du développement et de l'implantation de nouvelles lois de comportement. Lors de ce travail, la théorie de Cosserat, la viscoélasticité, des modèles non linéaires et l'anisotropie, éventuellement couplée avec la théorie de Cosserat, ont été implantés pour répondre à des besoins précis lors de la modélisation de phénomènes géophysiques et des procédés de mise en forme de matériaux. La MEFPIL a démontré sa capacité dans la modélisation des écoulements de matériaux divers en grandes transformations et laisse entrevoir un grand potentiel pour de futures applications.

Le but de ce travail est d'étudier l'évolution de la perméabilité d'agrégats de sels sous contrainte lorsque les fluides circulant dans ces agrégats peuvent réagir avec le solide par des dissolutions et/ou des colmatages. Des essais de circulation de divers fluides à travers des échantillons de briques de sels sous contrainte ont permis de suivre l'évolution de la composition des fluides en cours d'essai. L'évolution des matériaux a été aussi caractérisée en cours d'essai (mesure de vitesse acoustique) et après essai (scanner, microscope optique et à balayage, mesure de porosité mercure). Les résultats ont été discutés d'abord du point de vue de l'équilibre des réactions entre la solution qui percole et les différents minéraux des briques de sels (théorie de l'espace des réactions, modèles thermodynamiques à l'équilibre) . Ensuite a été introduite la notion de cinétique des réactions (processus limitant) pour déboucher sur un modèle d'évolution de la circulation des fluides dans un ouvrage de brique de sels au contact d'un fluide plus ou moins saturé en sels. L'effet des contraintes a été trouvé différent à court terme et à long terme. A court terme, sur des matériaux poreux, les contraintes et des réactions chimiques de mise à l'équilibre induisent des processus instables comme le développement de dissolutions en doigts de gants qui peuvent contribuer à amplifier la perméabilité. En revanche, à long terme les contraintes (au moins avec les valeurs modérées utilisées) ont un effet stabilisateur. La perméabilité décroît par une compaction chimique (dissolution-cristallisation sous contrainte), puis la déformation à long terme tend vers un processus de fluage lent par dissolution-cristallisation sous contrainte.

Dans le cadre du procédé de séparation cryogénique des gaz de l'air (T< 100 K), impuretés telles que le CO2 et le N2O peuvent se solidifier au niveau de l'échangeur de chaleur placé entre les deux colonnes de distillation cryogénique.La formation du solide doit être évitée pour deux principales raisons:- au niveau opérationnel, le solide constitue une résistance supplémentaire aux transferts de chaleur et de matière, et augmente les chutes de pression dans les colonnes de distillation;- au niveau sécurité, la présence d'une phase solide peut également favoriser l'accumulation d'hydrocarbures légers qui forment avec l'oxygène liquide des mélanges potentiellement inflammables.Les conditions de formation thermodynamique de la phase solide doivent être parfaitement maitrisées dans le cadre de la distillation cryogénique. C'est pourquoi, il est indispensable de disposer d'une équation d'état adaptée qui permette de représenter les diagrammes de phases impliquant une phase solide dans les conditions opératoire du procédé.L'objectif principal de la thèse est de développer un modèle thermodynamique pour représenter les équilibres de phases solide – fluides. Ce travail nécessite de mettre au point des algorithmes de résolution des équilibres bi et triphasiques et de déterminer le meilleur jeu de paramètres du modèle en s'appuyant sur la disponibilité des données expérimentales dans les conditions cryogéniques.Le modèle permet d'améliorer la connaissance des équilibres et constitue un outil indispensable pour maîtriser les risques associés à la présence de phases solides pour le procédé de distillation cryogénique. / In the framework of the cryogenic air separation, impurities such as CO2 and N2O may solidify at the reboiler-condenser placed between the two distillation columns.The formed solid could provide an additional strength to the heat and material transfers, and increase the pressure drops in the distillation columns.Furthermore, the presence of a solid phase can promote the accumulation of light hydrocarbons which may form flammable mixtures with liquid oxygen.Therefore, the presence of solid phases must be controlled see avoided within the cryogenic air distillation process.The main issue of this thesis is to develop a suitable model for representing solid phases and their equilibrium with the liquid and vapor phases at the operating conditions of the process, and to obtain full phase diagrams which would improve the knowledge of phase equilibria and the control of the risks associated to the presence of solid phases.