Cette thèse se consacre au comportement d'interface des matériaux granulaires, et particulièrement au phénomène de localisation des déformations au voisinage d'une paroi. À l'aide d'une géométrie annulaire à vitesse de cisaillement et pression de confinement imposées, on confronte des approches expérimentale et numérique. L'approche expérimentale est composée par des expériences avec des matériaux modèles dans deux appareils de cisaillement simple annulaire (ACSA et mini-ACSA). On relie les mesures globales des contraintes et des variations volumiques aux mesures de déformation du milieu granulaire obtenues par corrélation d'images (ACSA) et par imagerie par résonance magnétique (mini-ACSA). L'approche numérique consiste en des simulations discrètes bidimensionnelles (dynamique moléculaire). On étudie l'influence de la géométrie et de la rugosité des parois dans le comportement des interfaces granulaires. En simulation, on complète l'étude avec l'analyse des effets inertiels.

Pour caractériser certains comportements des gouges de failles, des travaux à l'Appareil de Cisaillement Simple Annulaire ont été réalisés. Ils consistent à cisailler un modèle de gouge épaisse sur des distances plurimétriques. La diminution progressive, à grand déplacement, du frottement apparent est représentée par une nouvelle loi puissance qui prend en compte le niveau de confinement et dans laquelle l'effet de l'eau est négligeable. Les perturbations en déplacement, en dessous d'un certain seuil, en vue de relâcher le cisaillement, induisent une cicatrisation lors de la recharge où l'on a mis en évidence le rôle des déformations volumiques, et plus particulièrement la dilatation empêchée de la bande de cisaillement. Par ailleurs, la variation du confinement, sous forme sinusoïdale ou par paliers, entraîne une déformation volumique et une variation du cisaillement proportionnelles. Ces perturbations ont peu d'influence sur un échantillon ayant subi dans son passé un confinement supérieur à celui pratiqué par les variations. Les variations sinusoïdales se font sans déphasage et sans qu'il y ait résonance ; l'effet de la période est plus présent à faibles valeurs (< 20 s). La bande de cisaillement montre une réduction importante de sa perméabilité à l'eau attribuée à la production de fines particules résultant du broyage des grains de sable. Un nouveau dispositif permet d'avoir accès à des mesures de la pression normale au voisinage de la bande de cisaillement pour une interface rugueuse. La comparaison avec les travaux antérieurs sur une interface lisse conduit à une convergence satisfaisante ; une exception importante est le cas des phases d'adoucissement à long terme. La réponse globale des essais semble résulter de l'interaction entre la bande de cisaillement et le reste de l'échantillon.

L'approche écotoxicologique ne se limite pas à l'évaluation des risques de toxicité de pesticides sur les organismes, elle s'élargit à la nécessité d'évaluer, à l'échelle de l'écosystème aquatique, les conséquences de la perturbation sur les communautés et les descripteurs de bio-indication associés. Dans ce contexte, les biofilms phototrophes d'écosystèmes aquatiques constituent un modèle d'étude pertinent de par la complexité des structures de communautés microbiennes, leur dynamique spatiale et temporelle, et la variété des fonctions hébergées. Par une première approche écologique, la manipulation de la structure de communautés microbiennes de biofilms phototrophes a été explorée en conditions " naturelles " dans des rivières, et en conditions " contrôlées " avec un prototype de bioréacteur photosynthétique à écoulement hydrodynamique du type Taylor - Couette. Ces expériences soulignent que la structure des communautés microbiennes résulte de processus de successions écologiques, gouvernés par des facteurs allogènes et/ou autogènes en fonction de leur stade de maturation. Enfin par une seconde approche écotoxicologique, les réponses structurelles et fonctionnelles de biofilms phototrophes exposés à l'alachlore ont été évaluées en intégrant le stade de maturation (facteurs autogènes) et l'histoire (facteurs allogènes) des biofilms phototrophes. Les résultats désignent les biofilms phototrophes comme des outils prometteurs en tant que bio-indicateurs de la qualité des eaux lorsqu'ils sont caractérisés par une approche multi-métrique composée de descripteurs fonctionnels et structurels

Ce travail de recherche s'inscrit dans la continuité des travaux déjà effectués dans l'équipe thermoacoustique du Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine (LAUM, UMR CNRS 6613) depuis 1995, et vise à apporter une meilleure compréhension des phénomènes physiques qui sont mis en jeu dans les machines thermoacoustiques. Le mémoire de thèse est divisé en deux parties, concernant toutes deux des systèmes basés sur des résonateurs acoustiques à géométrie annulaire. La première partie de ce travail concerne l'étude des écoulements redressés (aussi appelés « vent acoustique ») prenant place dans les résonateurs annulaires à ondes progressives lors de la génération d'une onde acoustique de fort niveau. Ce phénomène non linéaire, connu depuis plusieurs décennies, a fait l'objet de nombreux travaux théoriques. Cependant, la grande majorité des travaux effectués sur ce sujet concerne des systèmes acoustiques à ondes stationnaires, et très peu d'équipes de recherche ont réussi à mettre en œuvre une instrumentation permettant d'accéder à la mesure fine des écoulements redressés. L'originalité des travaux menés dans le cadre de ce travail est notamment liée au dispositif acoustique développé, à savoir un résonateur annulaire dans lequel un champ acoustique peut être entretenu au moyen de deux haut-parleurs judicieusement placés le long du guide d'onde et contrôlés en phase et en amplitude afin de donner lieu à une onde acoustique de nature progressive. Un modèle analytique du champ acoustique et de l'écoulement redressé prenant place dans ce type de système est tout d'abord présenté. Une chaîne de mesure par Vélocimétrie Laser Doppler est ensuite mise au point et validée. Cette chaîne de mesure permet d'accéder simultanément à la vitesse particulaire acoustique et à la vitesse au vent acoustique dans le dispositif mentionné ci-dessus. Les résultats de mesure obtenus montrent que la courbure du résonateur a une influence sur le profil de vitesse de l'écoulement redressé sur une section du résonateur. Il est également vérifié que la vitesse moyenne sur une section du guide d'onde est proportionnelle au carré de la pression acoustique, et que les vitesses mesurées sont de plus proches de celles prévues par le modèle. La seconde partie de ce travail porte sur l'étude d'un système basé sur l'architecture d'un moteur thermoacoustique annulaire dans lequel la présence de deux haut-parleurs contrôlés en amplitude et en phase permet de modifier la structure spatiale du champ acoustique. Ces travaux préliminaires ont pour objet d'étudier la possibilité de contrôler en temps réel la distribution spatiale du champ acoustique, et par voie de conséquence l'amplification thermoacoustique prenant lieu dans le noyau thermoacoustique. Les résultats de mesure de la distribution spatiale du champ acoustique dans le guide d'onde permettent de déterminer la puissance acoustique globale disponible et par suite, le rendement de la machine. Ces mesures sont réalisées lorsque le système de contrôle actif est en fonctionnement ou non. Les résultats de cette étude préliminaire montrent que le système de contrôle actif de l'amplification thermoacoustique mis en place peut permettre, sous certaines conditions, d'augmenter significativement le rendement du générateur d'ondes.

L'océan Austral joue un rôle crucial dans la régulation du système climatique en absorbant de grandes quantités de CO2 atmosphérique. Toutefois de nombreuses incertitudes demeurent quant à l'évolution récente du puits de carbone austral notamment en raison du manque d'observations et des lacunes des modèles océaniques dans la représentation de processus dynamiques comme les tourbillons. Depuis quelques décennies notamment, l'efficacité du puits de carbone austral diminuerait en raison d'une intensification des vents liée à une tendance positive du Mode Annulaire Austral (SAM). L'objectif de ces travaux de thèse est de décrire et comprendre la variabilité spatiale et temporelle récente des flux air-mer de CO2 dans l'océan Austral. Pour cela, des simulations de sensibilité aux phases positives du SAM sont réalisées dans une configuration régionale de l'océan Austral (sud de 30°S), basée sur un modèle couplé dynamique-biogéochimie forcé par l'atmosphère et résolvant partiellement la méso-échelle océanique. Dans l'océan Austral, la réponse des flux de CO2 au SAM correspond à un dégazage intense de CO2 dans la zone antarctique dû à une augmentation des concentrations de surface de carbone inorganique dissous (DIC). Cette augmentation est pilotée par la dynamique de la couche de mélange et alimentée par un transport méridien de DIC qui résulte essentiellement de la compétition entre circulation induite par les vents et par les méandres stationnaires. Ces travaux montrent l'apport d'une augmentation de la résolution numérique des modèles pour la simulation des flux de CO2.

L'océan Austral joue un rôle crucial dans la régulation du système climatique en absorbant de grandes quantités de CO2 atmosphérique. Toutefois de nombreuses incertitudes demeurent quant à l'évolution récente du puits de carbone austral notamment en raison du manque d'observations et des lacunes des modèles océaniques dans la représentation de processus dynamiques comme les tourbillons. Depuis quelques décennies notamment, l'efficacité du puits de carbone austral diminuerait en raison d'une intensification des vents liée à une tendance positive du Mode Annulaire Austral (SAM). L'objectif de ces travaux de thèse est de décrire et comprendre la variabilité spatiale et temporelle récente des flux air-mer de CO2 dans l'océan Austral. Pour cela, des simulations de sensibilité aux phases positives du SAM sont réalisées dans une configuration régionale de l'océan Austral (sud de 30°S), basée sur un modèle couplé dynamique-biogéochimie forcé par l'atmosphère et résolvant partiellement la méso-échelle océanique. Dans l'océan Austral, la réponse des flux de CO2 au SAM correspond à un dégazage intense de CO2 dans la zone antarctique dû à une augmentation des concentrations de surface de carbone inorganique dissous (DIC). Cette augmentation est pilotée par la dynamique de la couche de mélange et alimentée par un transport méridien de DIC qui résulte essentiellement de la compétition entre circulation induite par les vents et par les méandres stationnaires. Ces travaux montrent l'apport d'une augmentation de la résolution numérique des modèles pour la simulation des flux de CO2. / By taking up large amounts of atmospheric CO2, the Southern Ocean helps to regulate the climate system. Southern Ocean carbon sink is poorly constrained, in part because data coverage is sparse and also because ocean models that have been used in such assessments fail to explicitly resolve key physical features such as mesoscale eddies. In recent decades, the growth of the Southern Ocean carbon sink may have been partly counteracted due to a loss of natural CO2 from the ocean driven by an intensification of westerlies, related to a positive trend in the Southern Annular Mode (SAM). This thesis focuses on documenting and understanding recent spatial and temporal variability of air-sea CO2 fluxes in the Southern Ocean. Sensitivity to positive phases of the SAM are tested by making simulations with a regional model of the Southern Ocean (south of 30°S) that couples biogeochemistry to the dynamics, is forced by atmosphere reanalysis data, and partially resolves the mesoscale. The resulting response of Southern Ocean CO2 fluxes to the SAM is dominated by a strong CO2 efflux to the atmosphere from the Antarctic Zone due to an increase in surface dissolved inorganic carbon (DIC). This increase is driven by the mixed-layer dynamics and is supplied by a meridional transport of DIC, a competition between the wind-driven circulation and the standing eddy-induced circulation. This work discusses the effect of increasing model resolution on simulated air-sea CO2 fluxes.

Les structures planes supportent la propagation de modes de Lamb, dont certains présentent une vitesse de groupe nulle et une vitesse de phase finie. Ces modes ZGV, favorablement engendrés et détectés par ultrasons laser, donnent lieu à des résonances locales étroites qui sont sensibles à l'épaisseur, aux propriétés élastiques et aux conditions de surface. Dans le premier volet de cette thèse, l'optimisation spatiale de la source laser (Faisceau rectangle ou Gaussien, anneau à profil rectangle ou Gaussien obtenu à l'aide d'un axicon) est étudiée afin d'améliorer la génération d'un mode de Lamb de longueur d'onde λ. Il est démontré que le rayon optimal d'un faisceau Gaussien est égal à λ/π. Les résultats théoriques sont en bon accord avec les simulations semi-analytiques et les mesures réalisées à la fréquence du mode ZGV S1S2 dans une plaque de Duralumin. Le second volet est dédié au contrôle de plaques collées par résonance ZGV. Ces structures sont décrites par un modèle rhéologique adhésif faisant intervenir des raideurs d'interface. La sensibilité des fréquences ZGV aux paramètres de la couche d'adhésif et aux raideurs d'interface est étudiée. La mesure des résonances ZGV a conduit à l'obtention des cartes de raideurs et d'épaisseur de colle. Elle a également permis de différencier des assemblages à tenue mécanique contrôlée / For some Lamb modes propagating in plane structures, the group velocity vanishes while the phase velocity remains finite. These modes are associated with local and narrow resonances and are sensitive to thickness, elastic properties and boundary conditions. Laser ultrasound techniques are well suited to generate and detect these resonances. In the first part of this thesis, spatial optimization of laser sources (Top-Hat and Gaussian beam, rectangular and Gaussian ring produced by an axicon-lens system) are studied in order to enhance the generation of a Lamb mode at wavelength λ. Optimal radius of a Gaussian beam is demonstrated to be λ/π. Theoretical results are shown to be in a good agreement with semi-analytical simulation and experimental results performed in a Duralumin plate at the S1S2-ZGV mode frequency. The second part of this work is dedicated to the use of ZGV resonances for the inspection of bonded plates. Trilayers are described by rheological model where interfaces are modelized by stiffnesses. The sensitivity of ZGV frequencies to the interfacial stiffnesses as well as adhesive layer parameters has been studied. Stiffnesses and adhesive thickness maps have been extracted from ZGV resonance measurements. In addition, ZGV mode measurements have been shown to allow the differenciation of controled bond strengh samples

Cette these est une contribution experimentale a l'etude de la convection thermique en regime laminaire, transitoire et turbulent pour un fluide a seuil en ecoulement dans une conduite cylindrique ou annulaire. Le fluide utilise est une solution de carbopol neutralisee. En regime laminaire, l'ecoulement unidirectionnel d'un fluide a seuil est caracterise par la presence, dans la partie centrale, d'une zone isovitesse. La fin du regime laminaire, determinee a partir des mesures de pression et de vitesse, est retardee par la presence d'un seuil d'ecoulement. Le debut de la transition se manifeste par des instabilites en presence d'une zone isovitesse stable. Ce regime particulier n'est observe que pour le fluide a seuil. Par la suite, des bouffees turbulentes envahissant toute la section de la conduite, sont obtenues et comparees a celles pour un fluide Newtonien. En regime turbulent, les effets dus aux caracteres rheofluidiants et elastiques des fluides utilises sont mis en evidence. Enfin, l'evolution du coefficient de transfert de chaleur dans les differents regimes est determinee montrant clairement l'effet des proprietes rheologiques.

Les écoulements de jet annulaire sont des écoulements majoritairement utilisés dans le domaine industriel (écoulement de « bluff body », procédés de fabrication de fibre de verre. ..) mais représentent paradoxalement une infime partie des études fondamentales des jets. Pour cette raison, nous nous sommes intéressés à la caractérisation expérimentale d'un jet annulaire d'air de rapport de diamètres r égal à 0,91 (Do=53,88 mm et Di=48,75 mm) pour trois nombres." de Reynolds compris entre 12240 et 45900. Les vitesses ont été mesurées jusqu'à 10 diamètres Do à l'aide de l'Anémométrie Doppler Laser (A.D.L.), de la Vélocimétrie par Images de Particules (P.I. V.) et du fil chaud. L'écoulement de jet annulaire possède successivement les caractéristiques d'un écoulement de sillage et d'un écoulement de jet axisymétrique. <br />Les instabilités se développant dans les couches de mélange externe et interne de la zone de recirculation ont été résolues spatialement et temporellement. L'utilisation conjointe de mesures P.I.V. décorrélées en temps de la zone de recirculation, de la P.O.D. et d'une mesure temporelle locale par A.D.L. a permis d'établir un scénario de l'évolution temporelle du sillage. <br />La zone de jet pleinement développé a également été étudiée à partir de mesures d'A.D.L. et de fil chaud. Les évolutions des grandeurs intégrales (quantité de mouvement, débit, vitesses, demi largeur du jet, nombre de Reynolds turbulent), des différentes échelles (échelles de Kolmogorov, de Taylor et intégrale) et du taux de dissipation moyen ont été mesurées sur l'axe du jet. Une comparaison des variations de ces différentes grandeurs a permis d'inclure le jet rond comme un cas asymptotique des jets annulaires.

Nous présentons une série de résultats expérimentaux visant à modéliser le comportement mécanique d'une zone de faille. Nous avons utilisé un appareil de cisaillement simple annulaire permettant d'appliquer des cisaillements plurimétriques à des échantillons épais de gouge granulaire (sable de quartz). Nos résultats mettent en évidence un nouveau processus spectaculaire d'adoucissement en glissement: le coefficient de frottement effectif de la gouge décroît de 70% sur des distances caractéristiques décimétriques. La diminution progressive du frottement avec le glissement est bien représentée par une loi puissance sans échelle caractéristique de longueur. On constate que ce nouveau processus d'adoucissement permet de rendre compte quantitativement des distances d'adoucissement apparentes et des énergies de fracture mises en jeu durant les grands séismes. Nous proposons de l'inclure dans une extension des lois de frottement classiques de type RSF (``rate- and state-dependent friction''). Outre ces résultats macroscopiques, nous avons aussi pu mesurer, par corrélations d'images, les déformations microscopiques à l'intérieur des échantillons. Dès le début du glissement, la déformation se localise dans une bande de cisaillement broyée d'épaisseur constante. Cette bande est séparée du reste du matériau par une fine zone de transition indurée. On remarque que le processus d'adoucissement macroscopique est systématiquement associé à un effet de relaxation lente des incréments de déformation hors de la bande de cisaillement. Nous interprétons ces deux processus concomitants comme résultant d'un découplage progressif entre la bande de cisaillement et le reste de l'échantillon. L'épaisseur mécanique effective de la gouge est donc significativement plus grande que l'épaisseur de la bande de cisaillement. Nous proposons d'extrapoler nos résultats aux zones de faille naturelles, dont la structure présente souvent de fortes analogies avec celle de nos échantillons cisaillés.