Notre environnement quotidien est constitué de multiples exemples d’éléments ou de structures susceptibles de se rompre par fatigue. En effet, si le secteur du transport aérien, terrestre et maritime, est à l’origine de nombreuses avancées dans le domaine de l’endommagement, les problèmes de fatigue concernent aujourd’hui des domaines d’activité très divers tels que la production d’énergie, le biomédical, l’automobile… D’une manière générale, on estime aujourd’hui qu’environ 80% des ruptures en service sont dues à une mauvaise prise en compte de l’endommagement par fatigue au stade de la conception et/ou du dimensionnement. En mécanique de la rupture, la « fractographie » est une science qui consiste à expertiser les débris d’une pièce rompue en vue de comprendre les mécanismes de l’endommagement, et ainsi définir l’histoire et les causes de la rupture. Une telle stratégie peut permettre d’améliorer par la suite la qualité du matériau pour mieux résister à la fatigue. Cette thèse est consacrée à l’analyse de ces débris que nous appelons surfaces de fracture, avec comme objectif la discrimination de trois étapes d’endommagement préconisées en mécanique de la rupture: l’étape d’amorçage de la fissure, l’étape de propagation stable et l’étape de la rupture finale du matériau. La rugosité de ces zones de fissuration est différente car la vitesse de fissuration change d’une zone à une autre. En effet, la fissure s’amorce à une vitesse, se propage à une autre vitesse et s’accélère pour mener le matériau à la rupture finale. Ces trois modes de comportement de la fissure sont confirmés par les graphes d’évolution de la fissure en fonction du nombre de cycles à la rupture, estimés à l’aide de la nouvelle stratégie de suivi de fissure développée durant cette thèse. Elle peut être adaptée à tout type de matériaux indépendamment de leur texture ou de leur conductivité électrique, avec une précision de l’ordre de 8 µm. Une campagne d’essais de fatigue a été conduite sur un ensemble d’éprouvettes d’un matériau élastomère destiné à la fabrication de pièces d’accouplements souples en industrie automobile. Les essais de fatigue ont été menés jusqu’à la rupture. Les surfaces de fracture ainsi obtenues sont numérisées à l’aide de deux techniques : l’interférométrie pour obtenir des cartes de hauteurs et la microscopie électronique à balayage pour obtenir des images microscopiques qui décrivent la texture de ces surfaces. La caractérisation de la rugosité de ces zones demande une classification très fine des irrégularités estampillées par la propagation de la fissure. D’où la nécessité d’adopter des méthodes de traitement de signal performantes pour quantifier d’une manière efficace ces structures singulières. Nous exploitons le paramètre de rugosité globale, appelé « exposant de Hurst », pour identifier l’axe de fissuration et par analyse fractale des profils de fracture (coupes transversales des cartes de hauteurs) nous montrons qu’il est possible de reconstruire le parcours de la fissure. L’analyse multifractale basée sur les maxima locaux de la transformée en ondelettes de ces profils a permis la discrimination des trois zones de fissuration à l’aide des spectres de singularités qui quantifient la force des singularités et leur distribution sur les trois zones d’intérêt. / This thesis is devoted to analyse the fracture surfaces of a broken piece. The aim is to discriminate the three principles damage stages advocated in the field of fracture mechanics: fracture initiation stage, fracture propagation stage and finale rupture of the material. The behaviour of these fracture modes is confirmed by the graphs of the fatigue crack growth according to the number of fatigue cycles. These graphs are estimated using a new strategy developed for monitoring fatigue crack growth based on thermographic measures applicable to a wide range of materials regardless of their electrical conductivity and their surface texture. A campaign fatigue testing was conducted on a set of an elastomeric material samples, this material is used for the manufacture of parts of flexible couplings automotive industry. The fracture surfaces are digitized using two techniques: interferometry to obtain maps of heights and scanning electron microscopy to obtain microscopic images. The fracture phenomena being highly nonlinear and non-stationary; therefore, the classical roughness parameters measurement of fracture lines development is not adapted for their characterization. In this investigation, multifractal analysis based on the continuous Wavelet Transform Modulus Maxima method (WTMM) is proposed to give the discrimination of the profile lines development at three principal fracture stages. Indeed, the discrimination of these three fracture stages provides a powerful diagnostic tool to identify the fracture initiation site, and thus delineate the causes of the cracking of the material. We have used the global roughness parameter, called Hurst exponent, to identify the axis of cracking. The fractal analysis of the fracture profiles show that it is possible to reconstruct the crack path. It was established that multifractal analysis based WTMM describes reasonably well the scaling properties of local regularity of the fracture. It performs a fine discrimination of the three fracture zones using the singularities spectra which quantify the strength of singularities and their distribution.

Le cancer est une pathologie caractérisée par la transformation de cellules de l'organisme, et leur prolifération incontrôlée aux dépens de l'organisme. Elle peut toucher tout tissu de l'organisme, et menacer la survie des patients à terme. Ce phénomène est souvent interprété comme une dégénérescence de l'organisme au cours du vieillissement, mais ce paradigme ne suffit pas à embrasser toute la complexité de cette maladie. En effet, la progression cancéreuse est basée sur des mutations qui nourrissent une prolifération différentielle des cellules, et elle peut donc être décrite par une dynamique écologique et évolutive. En outre, les manifestations du cancer sont extrêmement répandues dans tout le vivant, et peuvent être attribuées à l'émergence des organismes multicellulaires il y a un milliard d'années. Le cancer a donc toujours représenté une contrainte sur l'évolution des organismes. La compréhension globale du cancer nécessite donc d'élucider comment les dynamiques éco-évolutives intra- et inter-organisme s'influencent mutuellement au cours des temps évolutifs. A l'aide de conceptualisation et d'approches théoriques, nous montrons qu'une approche multi-échelle offre de nouvelles perspectives sur les processus écologiques et évolutifs impliqués dans le cancer. A l'échelle intra-tumorale, nous nous concentrons sur les interactions entre cellules cancéreuses et au rôle structurant que ces interactions peuvent avoir dans les écosystèmes tumoraux. Nous montrons notamment que la fréquence des interactions diminue la diversité clonale durant l'expansion tumorale. A l'échelle populationnelle, nous formulons et explorons une hypothèse sur l'origine de la forte fréquence des cancers héréditaires : les défenses anti-cancer sélectionnées dans les environnements cancérogènes pourraient compenser la progression cancéreuse, et donc autoriser la persistance d'allèles pro-oncogéniques à l'équilibre mutation-dérive. Nous considérons enfin les interactions réciproques entre évolution des organismes et évolution des cellules cancéreuses : spécifiquement l'évolution emboîtée de la résistance et de la tolérance au cancer, et l'évolution de stratégies de manipulation de l'hôte chez les cellules cancéreuses. Nous montrons notamment que l'évolution intra-individuelle favorise la tolérance, tandis que l'évolution inter-individuelle favorise la résistance. / Cancer is a pathology characterized by organism cell transformation and uncontrolled cell proliferation at the expense of the organism. It can affect any tissue in the organism, and can eventually threaten patient survival. This phenomenon is commonly viewed as the result of organism decay during ageing, yet this paradigm fails to embrace the whole complexity of this disease. Cancer progression indeed relies on mutations which fuel differential cell proliferation, and thus it can be described by ecological and evolutionary dynamics. Besides, cancer manifestations are widespread across living organisms, and may be due to the emergence of multicellularity a billion years ago. Cancer has thus always constrained the evolution of organisms. How intra- and inter-organism eco-evolutionary dynamics influence each other across evolutionary times must be investigated to fully understand cancer. Through conceptualization and theoretical approaches, we show that a multi-scale approach offers novel prospects on ecological and evolutionary processes involved in cancer. At intratumor scale, we focus on interactions between cancer cells and on how these interactions structure tumor ecosystems. We notably find that frequent interactions yields lower clonal diversity during tumor expansion. At the population scale, we aim to explain the origins of highly frequent hereditary cancers. We thus hypothesize that pro-oncogenic alleles may neutrally evolve in certain contexts: anti-cancer defenses that are selected in carcinogenic environments may actually compensate cancer progression, and thus allow pro-oncogenic alleles to persist at mutation-drift equilibrium. We finally explore the reciprocal interactions between organism evolution and cancer evolution: especially, we use a nested approach to predict the evolution of resistance and tolerance to cancer, and then we suggest that cancer cells may evolve host manipulation strategies. We notably find that intra-individual evolution favors tolerance over resistance, whereas inter-individual evolution rather favors resistance.

La neuroplasticité (NP), définie comme la capacité du système nerveux à s’adapter aux changements environnementaux, est un phénomène intrinsèque au fonctionnement cérébral et essentiel à son homéostasie. La NP est par définition impliquée dans toutes les maladies du cerveau dont les troubles psychiatriques. Différents troubles psychiatriques peuvent être utilisés comme autant de modèles pour étudier les différentes facettes de la NP de façon translationnelle : du moléculaire au comportemental permettant alors d'améliorer la compréhension de la régulation de la NP et de son implication dans l'étiopathogénie des troubles psychiatriques et de leurs traitements.La neuroplasticité individu-dépendante−La NP individu-dépendante permet de concevoir les gènes impliqués dans les troubles psychiatriques comme des gènes de sensibilité à l’environnement plutôt que comme des gènes de vulnérabilité aux maladies. Ainsi, tous les sujets n’ont pas la même sensibilité à l’environnement. Si l'on considère les gènes de vulnérabilité aux maladies comme des gènes de sensibilité à l’environnement, également appelés gènes de plasticité, les individus qui les portent présentent logiquement une susceptibilité plus grande à l'environnement qu'il soit "négatif" (ex.: maltraitance infantile) ou "positif" (ex.: environnement enrichissant). Ce concept a été proposé dans un modèle intégratif d'un trouble psychiatrique très fréquent: le trouble de personnalité borderline.La neuroplasticité âge-dépendante−La NP opère tout au long de la vie mais est régulée différemment selon les périodes de développement. Ces modifications liées à l’âge sont non seulement quantitatives (nombre de neurones impliqués) mais également qualitatives (type de modification). La régulation neuroplastique est donc dépendante de l'âge et entraine des conséquences comportementales différentes selon l'âge de survenue d'un évènement ou d'une expérience. La dimension âge-dépendante de la NP permet d'apporter un nouveau regard sur l'étiopathogénie des troubles psychiatriques, notamment sur les liens entre le trouble de personnalité borderline (TPB) et l’état de stress post-traumatique. Nous avons réalisé une étude génétique d'association, avec réplication interne, sur des gènes impliqués dans la régulation de l'axe du stress dans le TPB d'après l'hypothèse que le TPB et le PTSD constitueraient une seule et même entité dont la principale différence étiologique serait l'âge de survenue du traumatisme.La neuroplasticité symptôme dépendante−Les modifications neuroplastiques chez des sujets adultes sains ont été mises en évidence dans plusieurs types de situations. L'aspect adaptatif de la NP peut également être impliqué dans la pathogenèse d'un trouble, on parle d'adaptation plastique à la pathologie. Cet aspect a été étudié dans un symptôme psychiatrique fréquent : l'hallucination, définie comme une perception sans objet et nous avons proposé la première étude de neuroimagerie multimodale chez des patients souffrant de schizophrénie présentant des hallucinations visuelles. L'objectif de cette étude était d'étudier la connectivité du complexe hippocampique (HC) selon la modalité hallucinatoire, i.e. auditive ou visuelle dans deux groupes de patients souffrant de schizophrénie: un groupe avec uniquement des hallucinations auditives (AH) et un groupe avec des hallucinations audio-visuelles. Des différences de connectivité ont été mises en évidence sur la voie mésolimbique et entre aires visuelles et complexe hippocampique. La présence d’hallucinations visuelles est également associée à des modifications plastiques du volume et de la forme de l’hippocampe et nos résultats sont compatibles avec des modifications symptômes-dépendantes de cette structure. [...] / The study of the neuroplasticity (NP) has been emphasized to improve the comprehension of pathophysiology of psychiatric disorders, including biomarkers for predicting and monitoring treatment response. NP can be defined as the ability of the nervous system to respond to intrinsic or extrinsic stimuli by reorganizing its structure, function and connections and can be described from a translational perspective at many levels, from molecular to cellular to systems to behaviour. Psychiatric disorders are characterized by a high degree of heterogeneity (pathophysiological, etiologic and clinical levels) which can be conceived as an advantage when examined from the perspective of the NP. In fact, psychiatric disorders can be used as models to study the different aspects of the NP.Individual-dependent plasticity−The lack of susceptibility genes related to several psychiatric disorders may be due to tendency to look for genetic effects on disease rather than genetic effects on vulnerability to environmental causes of disease. In fact, \\\"vulnerability genes\\\" may function more like \\\"plasticity genes\\\", resulting in greater susceptibility of individuals to both positive (e.g., environmental support and enrichment) and negative (e.g., childhood maltreatment) facets of environmental experiences. This concept has been proposed in an integrative model of a frequent psychiatric disorder : the borderline personality disorder (BPD). Age-dependent plasticity−There are qualitatively and quantitatively different changes in the brain in re¬sponse to what appears to be the same experience at dif¬ferent ages. This aspect of NP has been studied by using the \\\"Borderline Personality or Complex Posttraumatic Stress Disorder controversy\\\" with a genetic association study, with independent replication, on genes associated with the physiological response to stress in the hypothalamic–pituitary–adrenal (HPA) axis. Symptom-dependent plasticity−Adaptative neuroplastic modifications in the structure and function of the human brain in response to environmental demands have been showed in numerous situations in healthy controls. Interestingly, NP have also been associated to adaptation to pathology in several psychiatric disorders. A recent example has been provided by the study of visual hallucinations in schizophrenia patients. Hallucinations can be defined as perceptions in the absence of external stimuli. In schizophrenia, hallucinations constitute the most typical and disabling symptoms of the disorder and may manifest in all sensory modalities. Several MRI findings support the hypothesis that distinct patterns of connectivity, particularly within networks involving the hippocampal complex (HC), could be associated with different hallucinatory modalities. The aim of our study was to investigate HC connectivity as a function of the hallucinatory modality, i.e., auditory or visual in two carefully selected subgroups of schizophrenia patients with only auditory hallucinations (AH) or with audio-visual hallucinations (A+VH). Hippocampal volume and shape analysis showed localized hippocampal hypertrophy in the A+VH group. These structural findings indicate that plastic changes are associated with hallucinations. Indeed, the hippocampus is capable of plastic deformation, and the present findings are consistent with experience-dependent shape modifications of the hippocampus that involve mechanical tension along the axon.This PhD thesis highlights several arguments that the NP perspective provide new insights to the pathophysiology, to improve and emphasize therapeutic innovation of psychiatric disorders.

Ce mémoire de thèse présente une méthodologie d'évaluation des profils multi-performances des produits de construction à des dates fixées de leurs vies en oeuvre, exploitant l'ensemble des données disponibles (durées, probabilités et niveaux de performances), multi-sources et multi-échelles (géométrique, phénoménologique, fonctionnelle et temporelle). Cette méthodologie comprend quatre étapes : - analyse qualitative : recherche des scénarii de dégradation, - analyse quantitative temporelle : évaluation des durées et des probabilités d'apparition des scénarii et gestion de leurs interactions, - analyse quantitative de la criticité : hiérarchisation des scénarii, - analyse quantitative des performances : obtention des profils multi-performances. Elle englobe des méthodes, des bases de données et des outils de représentation, applicables indépendamment les uns des autres. Elle est illustrée sur une fenêtre fixe, des murs en béton et en briques et un complexe mur en béton et fenêtre

Le polyéthylène haute densité (PEhd) est communément utilisé en génie civil en raison notamment de son faible coût, de sa facilité de mise en œuvre, de ses propriétés barrières ou encore de sa résistance à l'humidité et aux agents chimiques. Cependant, en environnement extérieur, plusieurs facteurs tels que le lessivage par l'eau de pluie, les rayonnements ultra-violets (UV) et les variations saisonnières de température peuvent entraîner une dégradation chimique du PEhd et conduire à sa fragilisation. L'objectif de cette thèse est d'une part, de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes gouvernant la durabilité des PEhd, et d'autre part, d'établir une méthodologie permettant de diagnostiquer l'état de dégradation des gaines industrielles vieillies sur site. Pour cela, dans une première partie, nous avons étudié le processus de perte des antioxydants au cours de vieillissements thermiques dans l'air ou dans l'eau, pour des films de PEhd modèles contenant des teneurs contrôlées en stabilisants phénoliques ou phosphites. La seconde partie a été consacrée à une étude approfondie des mécanismes de vieillissements thermiques et photo-oxydatifs de films de PEhd purs non stabilisés. A partir d'une approche multi-échelle et multi-technique, il a ainsi été possible d'évaluer l'impact de ces vieillissements accélérés sur la composition chimique, les structures macromoléculaire et cristalline ainsi que les propriétés d'usage du PEhd. Dans une dernière partie, le même type d'approche a été appliqué à des gaines PEhd industrielles vieillies sur ouvrages afin d'identifier les mécanismes prépondérants pouvant intervenir lors du vieillissement naturel, à la lumière des mécanismes thermique et photochimique précédemment étudiés pour les films modèles de PEhd.

Depuis quelques décennies, les flavonoïdes sont de plus en plus utilisés dans différents domaines d’applications alimentaires et non alimentaires. Cet engouement est dû principalement à leurs activités antioxydantes. Cependant, la solubilisation, la dispersion et la stabilisation de ces molécules sont variables et constituent un frein à leur utilisation. L’objectif de ce travail est de pallier cet inconvénient en visant à comprendre les interactions entre ces composés et leur milieu en absence et en présence de polymères, par une double approche expérimentale et par modélisation et mésomodélisation moléculaire. Dans un premier temps les interactions entre 3 flavonoïdes la quercétine et ses deux formes glycosilées la rutine et l’isoquercétine dans différents solvants organiques ont été étudiées. Les résultats obtenus (paramètre de Flory Huggins et fonction de la distribution radiale) ont montré que la partie B2 commune aux trois flavonoïdes avec des valeurs de paramètres de Flory Huggins proche de 0.5 dans le M2B2 et plus importantes dans l’acétonitrile est la responsable du comportement des flavonoïdes dans le solvant. Les simulations par DDFT ont montré une agrégation de la quercétine dans le M2B2 contre une dispersion dans l’acétonitrile. Toutes ces observations ont été validées expérimentalement (étude de la solubilité et observations microscopiques). Dans un deuxième temps on a étudié la quercétine en présence d’un bioploymère le PLGA dans l’eau. Des nanoparticules ont été formées en variant la concentration des différents composés et le ratio acide lactique / acide glycolique du PLGA. Les méthodes de la modélisation moléculaire et de la mésomodélisation (calcul du paramètre de solubilité par dynamique moléculaire et observation de la dispersion ou de la séparation de phase par DDFT) ainsi que l’approche expérimentale (DSC, MET …) nous ont menées à la même constatation. En effet la taille des particules augmente avec la concentration du PLGA et le taux d’acide lactique dans le polymère. Aussi la concentration de l’émulsifiant dans le milieu joue un rôle important dans la formation d’agrégats PLGA-Q. Plus sa concentration est importante, plus la formation des particules est difficile comme il joue un rôle sur la viscosité du milieu et par conséquence la diffusivité des molécules dans l’eau. Tous les résultats obtenus par modélisation moléculaire et par mésomodélisation ont été validés expérimentalement. On peut donc conclure que la méthodologie adoptée en simulation peut constituer un outil d’aide à la prédiction du comportement des flavonoïdes / Over the past few decades, flavonoids have become increasingly used in different food and non-food applications due to their important antioxidant activities. However, the solubilization, dispersion and stabilization of these molecules are variable and constitute a brake on their use in different formulations. The objective of this work is to overcome those limitations by understanding the interactions between these compounds and their environment without and with the add of polymers, by a multi-scale approach approach (molecular modeling and mesoscale modeling and experimental study). Initially, interactions between 3 flavonoids (quercetin, rutin and isoquercetin) in various organic solvents, were studied. The obtained results (mainly Flory Huggins parameter and radial distribution function RDF) showed that the B2 part common to the three flavonoids (For example Flory Huggins parameter values were close to 0.5 in the M2B2 and much more important in acetonitrile) is responsible for the miscibility behavior of the flavonoids in the solvent. DDFT simulations showed aggregation of quercetin in M2B2 against dispersion in acetonitrile. All these observations were confirmed experimentally (study of solubility and microscopic observations). Then, quercetin was studied in the presence of a biopolymer, PLGA in water. Nanoparticles were formed by varying the concentration of the various compounds and the lactic acid / glycolic acid ratio in the PLGA. The tools of molecular modeling and mesoscale modeling (calculation of the solubility parameter by molecular dynamics and observation of the dispersion or the phase separation by DDFT) as well as the experimental approach (DSC, MET ...) led us to the same conclusions. Indeed, the particle size increases with the concentration of PLGA and the rate of lactic acid in the polymer. Also the concentration of the emulsifier in the medium has an important role in the formation of PLGA-Q aggregates. The higher its concentration, the more difficult the formation of the particles as it affects the viscosity of the medium and consequently the diffusivity of the molecules in the water. All the results obtained by molecular modeling and by mesoscale modeling have been confirmed experimentally. We can therefore conclude that the methodology adopted in the simulations can be considered as a tool to help on predicting the behavior of flavonoids in different medium

Les flavonoïdes, molécules naturelles possédant des propriétés antiradicalaires et antioxydantes, sont produits au cours de cascades enzymatiques impliquant plusieurs enzymes. Il a récemment été proposé que certaines de ces enzymes s'assembleraient pour former un complexe multienzymatique transitoire, appelé métabolon, ancré à la membrane cellulaire. Cette structure rendrait possible des phénomènes de transfert direct de métabolites d'un site actif à l'autre (substrate channeling), réduisant ainsi les temps de diffusion et minimisant les effets de solvatation/désolvatation du substrat. L'objectif de ce travail est de proposer un premier modèle de ce type de complexe, impliquant trois enzymes de la biosynthèse des flavonoïdes : la dihydroflavonol-4-réductase (DFR), la flavonoïd-3'-hydroxylase (F3’H) et la leucoanthocyanidine réductase (LAR). L'étude de ces complexes moléculaires requiert la mise en œuvre d'une méthodologie multi-échelles basée sur l’utilisation i) de méthodes hybrides QM/MM pour l'étude de la réactivité enzymatique, ii) de simulations de dynamique moléculaire à résolution atomique se déroulant sur des échelles de temps de l'ordre de la microseconde pour estimer des propriétés thermodynamiques et cinétiques, iii) de calculs de docking protéine-protéine en résolution gros grain. L'application des différents niveaux de théorie nous a permis d'établir un premier modèle de métabolon à trois enzymes en interaction avec une membrane cellulaire. / Flavonoids, some natural compounds exhibiting antioxidant properties, are synthesized along enzymatic cascades involving several enzymes. It has been recently proposed that some of these enzymes are involved in the formation of large transient macromolecular edifices, called metabolon, interacting with cellular membrane. Such molecular complexes should allow direct metabolites transfer from one active site to the other (substrate channeling phenomenon), minimizing diffusion time and solvation effects. The present work aims to establish a first model of a metabolon involving 3 enzymes of the flavonoid biosynthesis: the dihydroflavonol 4-reductase (DFR), the flavonoid 3'-hydroxylase (F3'H) and the leucoanthocyanidin reductase (LAR). The study of such large molecular system requires a multiscale approach based on i) hybrid QM/MM methods to decipher enzymatic mechanism, ii) molecular dynamic simulations in microsecond timescale to estimate thermodynamic and kinetic properties and iii) protein-protein docking at coarse-grained resolution. These different levels of theory allow us to establish a first model of a three-enzymes-metabolon in interaction with a model of cellular membrane.

Cette thèse est une entreprise commune de VINCI Technologies et du laboratoire CNRS CORIA. De nombreux injecteurs comportent une zone de mélange interne dans laquelle les phases liquides et gazeuses sont toutes deux présentes dans une proportion significative. Par conséquent, cette zone appartient à la catégorie des écoulements diphasiques denses. Pour simuler la dispersion du liquide et caractériser le spray de ces injecteurs, des modèles appropriés sont nécessaires. Les points clés de cette approche sont la dispersion du liquide qui peut être associé au flux liquide turbulent et la quantité de surface liquide-gaz. En particulier, ce manuscrit rapporte, d’une part le développement théorique des modèles de la famille ELSA et, d’autre part, les approximations industrielles correspondantes. Le solveur proposé bascule dynamiquement du spray ICM au spray de sous- maille, à travers le concept ELSA et grâce à l’indicateur basé sur la résolution (IRQ). D’autre part, une fois la zone diluée se forme, l’approche ELSA est couplée à la méthode d’écoulement multiphase, qui vise à déterminer la distribution du spray à l’aide de l’équation WBE. Cette dernière équation est résolue avec une méthode hybride Euler-Lagrange. Le but est de résoudre l’équation WBE avec une approche stochastique Lagrangienne, tout en préservant la compatibilité avec la description Eulerienne de l’écoulement diphasique, basée sur ELSA, pour tirer parti des deux approches. Finalement, ces approches développées ont été utilisées pour des applications industrielles montrant leur robustesse et leur capacité à aider dans le processus de développement de nouveaux injecteurs. / This PhD is a joint venture between VINCI Technologies and the CNRS Laboratory CORIA. For its application, VINCI Technologies, developed mainly oil-related equipments and in particular injection/atomization systems. Some of these injectors are characterized by a very big geometrical dimensions (several meters long), that leads to very high Reynolds and Weber number. In addition, many injectors incorporate an internal mixing zone, in which liquid and gas phases are both present in a significant proportion. Consequently, this zone belongs to the dense two-phase flow category. To simulate the liquid dispersion and to characterize the spray formation special from these injectors, appropriate models are required. On its side, the CORIA team, has developed a suitable approach, so-called ELSA, based on the pioneering work of Borghi and Vallet [1, 2]. Key points of this approach are the liquid dispersion that can be associated to the turbulent liquid flux and the amount of liquid-gas surface that can be used to determine eventually the Sauter mean diameter (SMD) of the spray. During this PhD, the applications proposed by V INCI Technologies, have promoted a review of a large part of the multiphase flow approaches to find the more appropriate for each case. This has been the opportunity to clarify the range of application of each approach, and therefore stress the necessity to develop coupled approaches, in order to cover the proposed application in the most suitable way. In particular, this manuscript reports, in one hand, the theoretical development of the ELSA family models, and on the other hand, the corresponding industrial approximations. Since ELSA approaches are originally developed for RANS simulation of the dense zone, it has been extended to LES description. The link of this approach to the DNS¡ ICM approach, has been studied with a special care. The resulting proposed solver, switches dynamically from ICM to subgrid spray, through the ELSA concept, and thanks to resolution based indicator (IRQ). On the opposite side, once the dispersed spray is formed, the ELSA approach is coupled to multiphase flow method, that aims to determine the spray distribution through the WBE equation. This later equation, is solved with an original hybrid Euler-Lagrange method. The purpose is to solve the WBE equation with a Lagrange stochastic approach, and at the same time, preserving the compatibility to the Euler description of two-phase flow, based on ELSA, to benefit from both approaches. This coupled approach has been tested against academic experimental data coming from ECN research initiative, a combined DNS and experimental measurement of dispersed spray on a Diesel jet, and under an air-blast atomizer numerical test case, for which the mean liquid volume fraction has been measured. Eventually, these developed approaches have been applied to industrial application showing there robustness and their capacity to help in the process of design development of new injectors.

La dissolution de cavités karstiques appelle à une description multi-échelle. A partir d'une discussion des hypothèses les plus fréquemment utilisées, un modèle à l'échelle du pore (ou micro-échelle) est développé pour des schémas réactifs géochimiques simples. L'impact du choix de conditions aux limites réactives ou équilibre thermodynamique est discuté. Ce modèle à l'échelle du pore est ensuite utilisé pour le développement de modèles aux échelles supérieures. Le premier problème traité considère le transport sur une surface chimiquement hétérogène et rugueuse, caractérisée par une condition mixte pour le transfert de masse. Le modèle résultant est un modèle de surface effective (ESCM). Le concept de surface effective est développé à l'aide d'une méthode de décomposition de domaine. Dans ce contexte, vitesse, pression et concentration à la petite échelle près de la surface sont estimées par une méthode de développement asymptotique par rapport aux champs loin de la surface. Des problèmes de fermeture sont alors obtenus qui sont utilisés pour définir la position de la surface effective et les conditions aux limites effectives associées. L'effet sur les propriétés effectives de la position de la surface, des nombres sans dimension est étudié. Une comparaison entre des résultats numériques à petite échelle avec ceux obtenus par le modèle effectif montre un bon accord. Dans le cas du transport dans un milieu poreux, le deuxième problème de changement d'échelle étudié, une méthode de changement d'échelle basée sur la prise de moyenne spatiale est proposée (PMM) à partir du problème à l'échelle du pore avec des conditions aux limites d'équilibre thermodynamique ou réactives non-linéaires. Une expression générale du modèle macroscopique est obtenue impliquant plusieurs propriétés effectives qui sont données par la résolution de problèmes de fermeture à l'échelle du pore. Pour une cellule unitaire représentative stratifiée, les paramètres effectifs sont obtenus analytiquement ou numériquement, alors que les propriétés pour des cellules plus complexes 2D/3D sont obtenus numériquement. L'impact sur les paramètres effectifs des propriétés physiques à l'échelle du pore (en terme de nombre de Péclet, Damköhler et ordre de la réaction) est étudié pour des cellules unitaires 1D, 2D ou 3D. Un exemple d'application du modèle macroscopique est présentée en mettant l'accent sur l'apport potentiel des termes additionnels non-classiques sur la précision des prédictions. Le modèle macroscopique de dissolution de milieu poreux est aussi utilisé comme un modèle à interface diffuse (DIM) pour décrire la dissolution d'une cavité à grande échelle, une cavité de gypse dans l'illustration traitée dans la thèse. Le modèle est basé sur l'approximation de pseudo-constituant, avec une condition d'équilibre à l'échelle du pore sur l'interface fluide-solide. Une méthodologie numérique est proposée pour choisir correctement les paramètres effectifs du DIM de façon à reproduire avec suffisamment de précision les flux et la vitesse de récession de l'interface. Une étude spécifique est effectuée sur l'impact du choix du modèle de bilan de quantité de mouvement macroscopique. De manière intéressante, les résultats numériques ne suggèrent pas un impact très important de ce choix dans le cas des problèmes aux limites traités. Des calculs ont aussi été effectués, dans le cadre d'une approximation de Boussinesq, pour évaluer l'impact éventuel de mouvements de convection naturelle. Le potentiel de la méthode est illustré dans deux cas: un correspondant à une lentille de gypse dans un aquifère, l'autre au cas d'un pilier isolé dans une carrière souterraine. Les conséquences de la dissolution sur la stabilité mécanique sont étudiées à l'aide d'un modèle géomécanique simplifié. Enfin, un cas test est étudié montrant la possibilité d'utiliser le modèle dans le cas de dissolution d'une cavité saline, matériau plus soluble que le gypse. / The karstic cavity dissolution problems are often studied from a hierarchical point of view. Based on a discussion of the frequently adopted assumptions, a pore-scale model is first developed for a simple geochemistry scheme. The impact of implementing reactive or thermodynamic equilibrium boundary condition at the dissolving surface is discussed. Such a pore-scale model is subsequently used as a basis for developing models at higher scale levels. The first problem deals with transport from a heterogeneous and rough surface characterized by a mixed boundary condition. The resulting macro-scale model takes the form of an effective surface theory. In the homogenized model developed with the effective surface concept (denote ESCM), the original rough surface is replaced locally by a homogeneous and smooth surface, where effective boundary conditions are prescribed. To develop the concept of effective surface, a multi-domain decomposition approach is applied. In this framework the velocity, pressure and concentration are estimated at the micro-scale with an asymptotic expansion of deviation terms with respect to macro-scale velocity and concentration fields. Closure problems for the deviations are obtained and used to define the effective surface position and the corresponding boundary conditions. The evolution of some effective properties and the impact of surface geometry and some dimensionless numbers are investigated. A comparison between the numerical results obtained with this effective model and those from direct numerical simulations with the original rough surface shows good agreements. In the case corresponding to mass transport in porous media, upscaling is carried out with the method of volume averaging to develop a macro-scale porous medium model (denote PMM), starting from a pore-scale transport problem involving thermodynamic equilibrium or nonlinear reactive boundary conditions. A general expression to describe the macro-scale mass transport is obtained involving several effective parameters which are given by specific closure problems. The impact on the effective parameters of the fluid properties, in terms of pore-scale Péclet number (Pe), and the process chemical properties, in terms of pore-scale Damköhler number (Da) and reaction order (n), is studied for periodic stratified, 2D and 3D unit cells. An example of the application of the macro-scale model is presented with the emphasis on the potential impact of additional, non-traditional effective parameters appearing in the theoretical development on the improvement of the accuracy of the macro-scale model. The above developed PMM is also used as a Diffuse Interface Model (DIM) to describe the evolution of a gypsum cavity formation induced by dissolution. The method is based upon the assumption of a pseudo-component dissolving with a thermodynamic equilibrium boundary condition. A methodology is proposed in order to choose suitable parameters for the DIM model and hence predict the correct dissolution fluxes and surface recession velocity. Additional simulations are performed to check which type of momentum balance equation should be used. Calculations with a variable density and Boussinesq approximation were also performed to evaluate the potential for natural convection. The results showed that the impact of density driven flows were negligible in the cases under investigation. The potential of the methodology is illustrated on two large-scale configurations: one corresponding to a gypsum lens contained within a porous rock layer and the other to an isolated pillar in a flooded gypsum quarry. Geomechanical consequences of the dissolution in terms of mechanical stability is evaluated with the help of a simplified geomechanical model. A final case is also studied in which gypsum is replaced by salt to show the applicability of the proposed methodology to a rapidly dissolving material

Ce travail porte sur la modélisation d'écoulements turbulents anisothermes dans des milieux macroporeux. Ce problème intéresse de nombreux domaines : échangeurs de chaleur, réacteurs nucléaires, canopées... Notre objectif est de modéliser des écoulements traversant une structure solide selon un approche multi-échelle. L'utilisation d'un opérateur de moyenne spatiale permet ainsi d'obtenir une description homogénéisée des écoulements, tandis que l'aspect turbulent est traité grâce à un opérateur de moyenne statistique. Au cours du processus de moyenne, une partie des informations sur l'état microscopique est perdue. Cela se traduit, à l'échelle macroscopique, par l'apparition de termes inconnus liés à la turbulence (contraintes de Reynolds) et à la présence de la matrice solide (dispersion). C'est sur ces termes de dispersion présents dans les équations macroscopiques de quantité de mouvement et de la température que porte notre travail. Nous proposons un modèle de dispersion thermique qui permet de prédire de façon satisfaisante l'évolution de la température moyenne du fluide pour des écoulements à l'équilibre hydraulique présentant de forts gradients de température ou de flux thermique à la paroi. De plus, un modèle macroscopique de température de paroi basé sur le modèle de température moyenne est dérivé. Il permet de prédire avec précision l'évolution de la température de paroi pour des écoulements hors équilibre thermique. Afin de pouvoir traiter aussi des cas hors équilibre hydraulique, un modèle macroscopique de turbulence est proposé. Une analyse physique détaillée des transferts énergétiques a montré que c'est l'énergie dispersive qui permet de caractériser le déséquilibre hydraulique. Un modèle de turbulence prenant en compte les déséquilibres d'énergie dispersive a donc été dérivé. Il permet de prédire de façon satisfaisante la dynamique d'établissement d'écoulements entrant dans des canaux et de fournir des conditions aux limites précises à la sortie des canaux. Enfin, nous proposons un modèle dynamique pour le tenseur de dispersion basé sur l'énergie dispersive et la dissipation associée. / This works deals with the modelling if anisothermal turbulent flows in macroporous media. This topic concerns many practical applications such as heat exchangers, nuclear reactors, canopies... Our aim is to model flows through porous matrices by means of a multi-scale approach. A macroscopic description of the flows is obtained thanks to a spatial average operator, while a statistical average operator is used to handle turbulence. The successive application of both filters leads to a loss of information. Therefore, at macroscopic scale, unknown contributions linked to turbulence (Reynolds stresses) and the presence of the solid matrix (dispersion) appear. We focus on dispersion terms. We propose a thermal dispersion model for hydrodynamically established flows. Mean temperature predictions obtained with this model are very accurate for channel flows with strong temperature and wall heat flux gradients. We also derive a wall temperature model based the mean temperature model. It gives good macroscopic results for thermally developping flows. In order to be able to simulate hydrodynamically developping flows, a turbulence model is needed. A two-scale analysis of energy transfers within the flow shows that the dynamic behaviour of unbalanced flows can be described using the dispersive kinetic energy. A turbulence model that accounts for dispersive energy is derived. It predicts very well the dynamics of a flows near a channel inlet and provides accurate boundary conditions for exit flows. Finally, a dynamic model based on the dispersive energy and its dissipation rate is proposed for the dispersion tensor.