La thèse concerne trois problématiques indépendantes : le transport dissipatif dans des milieux hétérogènes; échange de masse entre un réservoir de gaz et aquifère ; ségrégation compositionnelle. Le point commun entre les problèmes traités sont les processus irréversibles de redistribution de la composition chimique. Le premier chapitre est consacré à la déduction, en accord avec les principes de la thermodynamique, d’un modèle généralisé de transport simultané de matière et de chaleur. Le chapitre 2 est consacré à l’étude de diffusion multi-compositionnelle dans un milieu hétérogène. Cette étude vise une application aux phénomènes de transport dans les réservoirs des hydrocarbures qui, d’une part, sont le siège de divers des processus de transport (plusieurs composants + chaleur) en interaction (processus croisés au sens d’Onsager) et, d’autre part, sont anisotropes pour les processus de transport étudiés. Le chapitre 3 est consacré à l’étude du processus de balayage d’un réservoir par une nappe aquifère. Le chapitre 4 est consacré au développement d’un code « éléments finis » conçu pour résoudre le même problème que dans le chapitre 3, mais dans une approche moins idéalisée. Le chapitre 5 est consacré à l’étude de la convection forcée dans un réservoir avec des champs de gravité et de température non colinéaires. Cette convection est une des composantes du processus de séparation thermo-gravitationnelle des espèces chimiques qui peut avoir lieu dans les réservoirs souterrains / The thesis concerns three independent subject areas: the dissipative transport in heterogeneous geological media; a transport problem in an underground gas reservoir; compositional segregation in reservoirs. The common point of all examined problems is the irreversible redistribution of chemical composition of a fluid in the reservoirs. The first chapter is devoted to development of a microscopic model of simultaneous mass and heat transfer in agreement with thermodynamic principles. The second chapter is dedicated to study of multi-component diffusion in a heterogeneous medium. This study aims an application to transport phenomena in hydrocarbon reservoirs characterized firstly by diversity of transported substances (several components + heat) and their interaction (in Onsager’s meaning) and secondly by anisotropy of medium where they take place. The third chapter is dedicated to analytical study of underground gas storage sweeping due to gas dissolution in aquifer. In the fourth chapter the same problem (gas sweeping) was studied numerically in a less idealized approach using finite element method. The fifth chapter is dedicated to study of forced convection taking place in the reservoirs where the temperature gradient and gravity force are not collinear. This convection represents an element of the thermo-gravitational component segregation employed in industry (thermo-gravitational columns) and can take place in underground reservoirs

L'ingénierie tissulaire représente une solution prometteuse pour la production de substituts osseux. L'utilisation de bioréacteurs à perfusion pour cultiver des cellules ostéo-compétentes sur des matrices poreuses, permet de résoudre les limitations dues au transfert de masse, et d'apporter des stimuli physiques améliorant la prolifération et la différenciation cellulaire. Malgré les récents et importants développements des bioréacteurs en ingénierie tissulaire, les mécanismes menant à la production de substituts osseux en bioréacteurs restent mal compris.Le but de cette thèse est d'améliorer la compréhension de l'influence des phénomènes de transport, sur la croissance cellulaire et tissulaire dans un bioréacteur à perfusion. Dans cet objectif, une approche combinant modélisation et expérimentation est proposée.Dans un premier temps, un cadre théorique rigoureux est développé afin d'étudier les propriétés de transport du bioréacteur. Etant donné la nature hiérarchique du système, l'aspect multi-échelle du problème doit être pris en compte. En se basant sur la méthode de prise de moyenne volumique avec fermeture, les processus de transport d'espèce et de quantité de mouvement sont homogénéisés à partir de l'échelle de la matrice extracellulaire, jusqu'à l'échelle du bioréacteur. Les propriétés effectives des différentes structures rencontrées sont évaluées, et l'influence des dépendances inter-échelles sont mises en valeur. Le model macroscopique obtenu inclus des termes non-conventionnels, dont les contributions sont évaluées pour les conditions de fonctionnement du bioréacteur.Dans un second temps, la prolifération cellulaire et la production de tissu sont étudiées d'un point de vue expérimentale et théorique. Premièrement, des cellules de type fibroblaste, sont cultivées jusqu'à trois semaines sur des billes de verre, dans un bioréacteur perfusé à 10mL/min. Un protocole combinant des techniques d'histologie et d'analyse d'image, permet de quantifier la croissance de cellules et de tissu en fonction du temps et de l'espace. Deuxièmement, une cinétique de production de tissu est introduite dans le modèle de transport multiéchelle développé plus tôt. Finalement, la résolution à l'échelle du bioréacteur permet de discuter les résultats expérimentaux et théoriques au regard des phénomènes de transport ayant lieux dans le bioréacteur à perfusion. / Tissue engineering represents a promising approach for the production of bone substitutes. The use of perfusion bioreactors for the culture of bone-forming cells on a three-dimensional porous scaffold material, resolves mass transport limitations and provides physical stimuli, increasing the overall proliferation and differentiation of cells. Despite the recent and important development of bioreactors for tissue engineering, the underlying mechanisms leading to the production of bone substitutes remain poorly understood. The aim of this thesis is to gain insight on the influence of transport phenomena, on cell and tissue growth within a perfusion bioreactor. To this purpose, a combined modeling and experimental approach is followed.To start with, a rigorous theoretical framework is developed in order to study the transport properties of the bioreactor. Given the hierarchical nature of the system, the multiscale aspect of the problem must be taken into account. Based on the volume averaging theory with closure, mass and momentum transport processes are upscaled from the extracellular matrix scale, to the bioreactor scale. The effective properties of the encountered structures are evaluated, and the influence of the interscale dependencies are emphasized. The resulting macroscopic model includes non-conventional terms, which contributions are evaluated in the case of the bioreactor culture conditions.Then, cell proliferation and tissue growth are studied both, from an experimental and modeling point of view. First, fibroblast cells are cultured on glass beads in a bioreactor, perfused with culture medium at 10mL/min, for up to three weeks. A protocol combining histological techniques and image analysis allows the quantification of cell and tissue growth as a function of space and time. Second, a theoretical tissue production kinetic is introduced in the multiscale transport model previously developed. Finally, the resolution at the bioreactor scale allows to discuss the theoretical and experimental results in regard to the transport phenomena taking place in the perfusion bioreactor.

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.

Cette thèse se propose d'examiner les phénomènes de transport dans des milieux poreux colonisés par des biofilms. Ces communautés sessiles se développent dans les sols ou les roches souterraines, ou dans la zone hyporhéique des rivières et peuvent influencer significativement le transport de masse et de quantité de mouvement. Les biofilms modifient également très largement la spéciation chimique des éléments présents dans le milieu, menant à la biodégradation de nombreux polluants. Par conséquent, ces systèmes ont reçu une attention considérable en ingénierie environnementale. Pourtant, la recherche dans ce domaine a été très fortement limitée par notre incapacité à (1) observer directement les microorganismes dans des milieux poreux opaques réels et (2) prendre en compte la complexité multi-échelles des différents phénomènes. Cette thèse présente des avancées théoriques et expérimentales permettant de surmonter ces deux difficultés. Une nouvelle stratégie, basée sur la microtomographie à rayons X assistée par ordinateur, a été utilisée pour obtenir des images en trois dimensions de la distribution spatiale du biofilm dans la structure poreuse. Ces informations topologiques peuvent être utilisées pour étudier la réponse de l'entité biologique à différents paramètres physiques, chimiques et biologiques à l'échelle du pore. De plus, ces images sont obtenues sur des volumes relativement importants et peuvent donc être utilisées pour étudier l'influence du biofilm sur le transport de solutés à plus grande échelle. Pour cela, les problèmes aux conditions limites décrivant le transport de matière à l'échelle du pore peuvent être moyennés en volume pour obtenir des équations homogénéisées à l'échelle de Darcy. Différents modèles, ainsi que leurs domaines de validité, sont présentés dans les cas réactifs et non-réactifs. Cette thèse se base sur la technique de prise de moyenne volumique, en conjonction avec des analyses utilisant les moments spatiaux, pour présenter une théorie complète de transport macroscopique ainsi qu'une analyse détaillée des relations entre les différents modèles, tout particulièrement entre les modèles à une et deux équations. Une décomposition non standard en terme de moyenne plus perturbation est présentée dans le but d'obtenir un modèle à une équation dans le cas du transport multiphasique avec des taux de réactions linéaires en fonction de la concentration. Finalement, la connexion entre l'analyse théorique et l'imagerie en trois dimensions est établie. Cette thèse illustre aussi brièvement comment la perméabilité peut être calculée numériquement en résolvant des problèmes de fermeture à partir des images en trois dimensions. / This dissertation examines transport phenomena within porous media colonized by biofilms. These sessile communities of microbes can develop within subsurface soils or rocks, or the riverine hyporheic zone and can induce substantial modification to mass and momentum transport dynamics. Biofilms also extensively alter the chemical speciation within freshwater ecosystems, leading to the biodegradation of many pollutants. Consequently, such systems have received a considerable amount of attention from the ecological engineering point of view. Yet, research has been severely limited by our incapacity to (1) directly observe the microorganisms within real opaque porous structures and (2) assess for the complex multiple-scale behavior of the phenomena. This thesis presents theoretical and experimental breakthroughs that can be used to overcome these two difficulties. An innovative strategy, based on X-ray computed microtomography, is devised to obtain three-dimensional images of the spatial distribution of biofilms within porous structures. This topological information can be used to study the response of the biological entity to various physical, chemical and biological parameters at the pore-scale. In addition, these images are obtained from relatively large volumes and, hence, can also be used to determine the influence of biofilms on the solute transport on a larger scale. For this purpose, the boundary-value-problems that describe the pore-scale mass transport are volume averaged to obtain homogenized Darcy-scale equations. Various models, along with their domains of validity, are presented in the cases of passive and reactive transport. This thesis uses the volume averaging technique, in conjunction with spatial moments analyses, to provide a comprehensive macrotransport theory as well as a thorough study of the relationship between the different models, especially between the two-equation and one-equation models. A non-standard average plus perturbation decomposition is also presented to obtain a one-equation model in the case of multiphasic transport with linear reaction rates. Eventually, the connection between the three-dimensional images and the theoretical multiple-scale analysis is established. This thesis also briefly illustrates how the permeability can be calculated numerically by solving the so-called closure problems from the three-dimensional X-ray images.