La presente recherche doctorale en analyse numerique (et calcul scientifique) aborde le probleme du controle de la dissipation d'entropie numerique associee a une discretisation donnee. Cette problematique constitue un veritable challenge numerique non encore completement resolu a ce jour.<br /><br />Le travail se decompose en deux parties principales dont les caracteristiques sont reellement differentes.<br /><br />La premiere partie concerne l'approximation numerique des solutions (instationnaires en 1D et stationnaires en 2D) du systeme des equations de Navier-Stokes a plusieurs pressions independantes. Ce systeme est hyperbolique et possede des champs vraiment non lineaires sous des hypotheses classiques, mais s'ecrit naturellement sous forme non conservative.<br /><br />La deuxieme partie est dediee a l'approximation numerique des solutions instationnaires en 1D de quelques systemes de lois de conservation de type soit hyperbolique mais dont les champs possedent un defaut de vraiment non linearite, ou soit mixte hyperbolique-elliptique.<br /><br />Dans toutes ces situations motivees par des applications physiques concretes, le controle de la dissipation d'entropie joue un role déterminant dans la caracterisation des solutions recherchees. Les schemas numeriques proposes dans ce manuscrit sont obtenus par une analyse fine des bilans d'entropie associes.

Le procédé de refusion sous laitier électroconducteur (Electro Slag Remelting ou ESR) est aujourd’hui largement utilisé pour la production d’alliages métalliques à haute valeur ajoutée, comme les aciers spéciaux ou les superalliages base nickel. La modélisation mathématique et la simulation numérique du procédé ESR présentent un grand intérêt puisque les études expérimentales sur installations industrielles sont coûteuses et souvent difficiles à mettre en oeuvre. Ainsi, afin d’améliorer la compréhension et la maîtrise de la conduite d’une refusion, un modèle prédictif a été développé dans le cadre de cette étude. Il décrit les transferts couplés de chaleur et de quantité de mouvement lors de la croissance et de la solidification d’un lingot, en géométrie axisymétrique. La résolution des équations est basée sur une approche de type volumes finis. Le modèle tient compte de l’effet Joule dans le laitier résistif, des forces électromagnétiques et de la turbulence éventuelle de l’écoulement des phases liquides. La zone pâteuse est traitée comme un milieu poreux. Le modèle permet notamment de prédire la formation de la peau de laitier solide qui entoure le laitier et le lingot. Par ailleurs, il offre l’avantage de simuler le comportement du lingot et du laitier après la coupure finale du courant.Le développement s’est accompagné d’une importante étape de validation. Quatre refusions à l’échelle industrielle ont ainsi été réalisées à l’aciérie des Ancizes (Aubert&Duval). Les observations expérimentales ont ensuite été confrontées aux résultats du calcul. La comparaison a montré que le modèle peut être utilisé afin de prédire le comportement du procédé, à condition d’accorder une attention particulière à l’estimation des propriétés thermophysiques du métal, et surtout du laitier. Enfin, afin d’illustrer l’utilisation du modèle comme support à la compréhension du procédé, nous avons étudié l’influence de la variation de paramètres opératoires tels que la profondeur d’immersion de l’électrode, le taux de remplissage ou la pression de l’eau de refroidissement. / Electro Slag Remelting (ESR) is widely used for the production of high-value-added alloys such as special steels or nickel-based superalloys. Because of high trial costs and complexity of the process, trial-and-error based approaches are not well suitable for fundamental studies and optimization of the process.Consequently, a transient-state numerical model which accounts for electromagnetic phenomena and coupled heat and momentum transfers in an axisymmetrical geometry has been developed. The model simulates the continuous growth of the electroslag remelted ingot through a mesh-splitting method. In addition, solidification of the metal and slag is modelled by an enthalpy-based technique. A turbulence model is implemented to compute the motion of liquid phases (slag and metal), while the mushy zone is described as a porous medium whose permeability varies with the liquid fraction, thus enabling an accurate calculation of solid/liquid interaction. The coupled partial differential equations are solved using a finite-volume technique.Computed results are compared to experimental observation of 4 industrial remelted ingots fully dedicated to the model validation step. Pool depth and shape are particularly investigated in order to validate the model. Comparison shows that the model can be used as a predictive tool to analyse the process behavior. Nevertheless, it is necessary to pay a particular attention to the estimation of the thermophysical properties of metal and especially slag.These results provide valuable information about the process performance and influence of operating parameters. In this way, we present some examples of model use as a support to analyse the influence of operating parameters. We have studied the variation of electrode immersion depth, fill ratio and water pressure in the cooling circuit.

Les missions spatiales habitées de longue durée nécessitent des systèmes de support-vie efficaces recyclant l’air, l’eau et la nourriture avec un apport extérieur minimum en matière et énergie. L’air et l’eau peuvent être recyclés par des méthodes purement physico-chimiques, tandis que la production de nourriture ne peut être faite sans la présence d’organismes vivants. Le projet Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA, alternative de système de support-vie micro-écologique) de l’Agence Spatiale Européenne inclut des plantes supérieures cultivées dans une chambre close contrôlée, associée à d’autres compartiments microbiens. Le contrôle à long terme de la chambre de culture et du système de support-vie entier requiert des modèles prédictifs efficaces. Le bouclage du bilan massique et la prédiction de la réponse de la plante dans un environnement extraterrestre inhabituel mettent en avant l’importance de modèles mécanistes basés sur le principe des bilans de matière et d’énergie.Une étude bibliographique poussée a été réalisée afin de lister et analyser les modèles de croissance de plantes supérieures existants. De nombreux modèles existent, ils simulent la plupart des processus de la plante. Cependant aucun des modèles structurés globaux n’est suffisamment mécaniste ni équilibré en terme d’échange de masse pour une application dans un système de support-vie clos. Ainsi, une nouvelle structure est proposée afin de simuler tous les termes du bilan massique au niveau de la plante, en incluant les différentes échelles de l’étude : les processus généraux, l’échelle de l’organe et l’échelle de la molécule. Les résultats d’une première approche utilisant des lois physiques mécanistes simples pour les échanges de matière et d’énergie, une stoechiométrie unique pour la production de biomasse et quelques lois empiriques pour la prédiction des paramètres architecturaux sont illustrés et comparés avec des résultats expérimentaux obtenus dans un environnement contrôlé. Une analyse mathématique du modèle est réalisée et tous ces résultats sont discutés afin de proposer les prochaines étapes de développement. Ceci est décrit en détail pour l’inclusion de modèles de processus plus complexes dans les futures versions du modèle ; les expériences qui devraient être réalisées ainsi que les mesures nécessaires sont proposées. Ceci conduit à la description d’une nouvelle conception de chambre de culture expérimentale. / For long-term manned space missions, it is necessary to develop efficient life support systems recycling air, water and food with a minimum supply of matter and energy. Air and water can be recycled from purely physico-chemical systems; however food requires se presence of living organisms. The Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) project of the European Space Agency includes higher plants grown in a closed and controlled chamber associated with other microbial compartments. The long-term control of the growth chamber and entire life support system requires efficient predictive models. The mass balance closure and the prediction in uncommon extraterrestrial environments highlight the importance of mechanistic models based on the mass and energy balances principles.An extensive bibliographic study has been performed in order to list and analyse the existing models of higher plant growth. Many models already exist, simulating most of the plant processes. However none of the global, structured models is sufficiently mechanistic and balanced in terms of matter exchange for an application in closed life support systems. Then a new structure is proposed in order to simulate all the terms of the mass balance at the plant level, including the different scales of study: general processes, organ scale and molecular scale. The results of the first approach using simple mechanistic physical laws for mass and energy exchange, a unique stoichiometry for biomass production and few empirical laws for the prediction of architectural parameters are illustrated and compared with experimental results obtained in a controlled environment. A mathematical analysis of the model is performed and all these results are discussed in order to propose further developments. This is described in detail for the implementation of more complex models of processes in the future model versions; the experiments that should be performed including the main measurements are proposed. This leads to the description of a new design of experimental growth chamber.

La minéralisation platinifère étudiée dans ce travail se situe dans le grand massif ultrabasique du sud de la Nouvelle-Calédonie, à l'embouchure de la Rivière des Pirogues. La transformation exogène qui affecte les roches émergées de la ceinture intertropicale, a édifié aux dépends des péridotites de Nouvelle-Calédonie, d'épais manteaux latéritiques enrichis en métaux. L'objectif de cette étude a été de caractériser les évolutions chimiques et minéralogiques qui affectent les phases porteuses d'Eléments du Groupe du Platine (EGP) dans cet environnement latéritique. L'étude pétrographique et pétrologique de trois profils d'altération dans la zone anomale en platine-palladium, a permis de mettre en évidence le rôle majeur de la serpentinisation hydrothermale dans l'évolution de la minéralisation platinifère. Cette altération pré-météorique a néoformé et formé des Minéraux du Groupe du Platine (MGP) par désulfuration de phases préexistantes et par précipitation de nouveaux minéraux. Au contact de l'atmosphère et de l'hydrosphère, les MGP évoluent différemment selon leur composition chimique. Les phases très riches en platine de type isoferroplatine (Pt3Fe) sont stables dans le manteau d'altération, alors que les phases plus riche en fer, cuivre et palladium, comme le tétraferroplatine (PtFe), la tulameenite (Pt2FeCu) ou les oxydes de Pt-Fe subissent une dissolution incongruente, avec une lixiviation sélective de leurs composants chimiques. La caractérisation géochimique à la microsonde électronique des cortex d'altération, révèle le gradient de mobilité suivant lors de la transformation latéritique des MGP : S > Cu > Pd > Fe > Pt. Quel que soit le minéral parental, la phase néoformée est relativement enrichie en Pt, et tend à acquérir la configuration chimique de l'isoferroplatine (Pt3Fe).

La dynamique long-terme (107 ans) des surfaces cratoniques, qui constituent la majorité des domaines continentaux, est étudiée dans cette thèse à partir de la spatialisation de paléo-surfaces préservées en Afrique de l'Ouest (4 x 106 km2) depuis l'Eocène. Il est montré que le drainage ouest africain (Niger, Volta) était établit il y a 24 Ma. Depuis, les profils longitudinaux des rivières ont peu évolué. Leurs knickzones majeures se sont stabilisées, influencées par la lithologie. La déformation de ces profils a permis de détecter des mouvements épirogéniques. Dans les zones les plus stables, la dissection du paysage montre l'augmentation du relief depuis 11 Ma malgré de faibles taux d'érosion (~ 2 m/Ma). Cette approche a été appliquée en prospection minière pour détecter des minéralisations masquées par les cuirasses latéritiques et/ou identifier la redistribution d'indices par érosion. Les bilans d'érosion ont été évalués depuis le pic d'effet de serre éocène. La distribution spatiale de la dénudation en carte semble traduire des mouvements verticaux. Les volumes ont été précisés en incluant la porosité et la densité du régolite dénudé. Une première mise en relation est faite entre volumes érodés et déposés pour le cas du Niger. Si une corrélation est montrée pour l'intervalle éocène-miocène supérieur, le volume déposé durant la période récente est bien supérieur à l'estimation du volume érodé. Malgré l'évolution du climat, le taux de dénudation moyen à l'échelle de l'Afrique de l'Ouest est resté constant depuis 45 Ma (~ 6,5 m/Ma). Le bilan ouest africain, appliqué aux zones non-orogéniques, impliquerait un flux global vers les océans d'environ 2 Gt/an pour ces zones.

Face au changement climatique global, il est de plus en plus important de prêter attention à la performance thermique-hydro-mécanique des constructions géotechniques sous l'effet des conditions atmosphériques. L'objectif principal de cette étude est d'étudier le comportement hydro-thermique des sols soumis au effets du changement climatique par la modélisation numérique.Un modèle hydro-thermique couplé est tout d'abord développé pour décrire le comportement du sol hydro-thermique. La théorie utilisée pour décrire l'interaction sol-atmosphère est présentée sous forme des bilans de masse et d'énergie. Ensuite, une approche numérique pour analyser le comportement hydro-thermique du sol est proposée en combinant le modèle hydro-thermique couplé avec un modèle d'interaction sol-atmosphère. La validation de cette approche est réalisée par la comparaison entre les résultats numériques obtenus en utilisant le code FreeFem++ et les données des essais de la colonne de séchage qui sont trouvées dans la littérature. Cette approche est d'abord utilisée pour la modélisation numérique des essais à la chambre environnementale, réalisés par Song en 2014. Des résultats de simulation satisfaisants sont obtenus en termes de variations de la température et de la teneur en eau volumétrique du sol. Ensuite, cette approche est appliquée à deux remblais, à Héricourt et à Rouen. Pour le remblai d’Héricourt, une étude numérique a été menée pour une durée de 20 jours. La bonne concordance obtenue entre les résultats de simulation et les mesures montre que l'approche proposée est pertinente pour l'analyse du comportement hydro-thermique du sol dans le cas de remblais bidimensionnels. Elle prouve également que les conditions aux limites et les paramètres du sol adoptés sont appropriés. Dans le cas du remblai de Rouen, deux périodes différentes, 187 jours et 387 jours, sont prises en considération. On vérifie également la bonne performance de l'approche proposée pour estimer le comportement hydro-thermique du remblai sous l'effet du climat. La comparaison entre les calculs et les mesures révèle également l'importance d'adopter correctement les conditions aux limites thermiques et hydrauliques ainsi que les paramètres du sol. De plus, à partir des simulations numériques, plusieurs suggestions sont faites pour collecter des données d'entrée dans l'application de cette approche pour prédire les variations de la température et de la teneur en eau du sol à plus long terme / Facing the global climate change, it is more and more important to pay attention to the thermal-hydro-mechanical performance of geotechnical constructions under the effect of atmospheric conditions. The main objective of this study is to investigate the hydro-thermal behavior of soil subjected to climate change through numerical modelling.A coupled hydro-thermal model is developed for describing the coupled hydro-thermal soil behavior. The soil-atmosphere interaction is studied through the mass and energy balances. Afterwards, a numerical approach to estimate soil hydro-thermal behavior by integrating the coupled hydro-thermal model with a soil-atmosphere interaction model is proposed. The validation of this approach is performed through the comparison between the numerical results using FreeFem++ code and the experimental data available from column drying tests reported in literature. This approach is firstly used for the numerical modelling of the environmental chamber tests carried out by Song in 2014. Satisfactory simulation results are obtained in terms of variations of soil temperature and soil volumetric water content. Afterwards, this approach is further applied to two cases of embankments, in Héricourt and in Rouen respectively. For Héricourt embankment, a numerical investigation was conducted for 20 days, and a good agreement between simulation results and filed measurements is obtained, showing that the proposed approach is suitable for analyzing the soil hydro-thermal behavior in the case of two-dimensional embankments. It proves also that the boundary conditions and the soil parameters adopted are appropriate. In the case of Rouen embankment, two different periods, 187 days and 387 days, are considered. The good performance of the proposed approach in estimating the embankment hydro-thermal behavior under the climate effect is also verified. The comparison between calculations and measurements also reveals the importance of appropriately adopting the thermal and hydraulic boundary conditions as well as the soil parameters. Based on the numerical simulations, several suggestions are made in terms of collection of input data for the application of this approach to predict soil temperature and volumetric water content variations in longer term

Die Projektion und Prognose des zukünftigen Wasserhaushalts in den durch die Einstellung des Braunkohlebergbaus in der Lausitz entstehenden und der Nachsorge unterliegenden Tage-baufolgelandschaften, einschließlich der zeitlichen und räumlichen Verteilung der zugehörigen Wasserhaushaltselemente, sind Gegenstand sehr kontroverser Diskussionen, die oftmals ohne angemessenen fachlichen Bezug und mit hoher Emotionalität geführt werden. Besondere Uneinig-keit besteht in der Abschätzung der verdunstungsbedingten Wasserverluste über den entstehen-den Tagebaurestseen. Diese Gutachten enthält eine umfassende Darstellung aller für den Ver-dunstungsvorgang über großen Wasserflächen relevanten Prozesse sowie eine grundlegende Be-schreibung der zugehörigen Steuergrößen und Einflussfaktoren. Die notwenigen Begrifflichkeiten werden in Einklang mit den wissenschaftlichen Standards vorgestellt, definiert und erläutert. Ge-nauso werden die fundamentalen und zum Verständnis notwendigen physikalischen Vorgänge und Zusammenhänge benannt und beschrieben. In diesem Zusammenhang erfolgt auch eine kurze Darstellung gängiger Methoden zur Messung und Modellierung der Gewässerverdunstung. Die Unterschiede im Verdunstungsverhalten zwischen terrestrischen und aquatischen Standorten werden erörtert und in Bezug auf praktische Aspekte erläutern. Aufbauend diesen Erörterungen erfolgt eine Kurzdarstellung sich ableitende Handlungsempfehlungen. Das Gutachten fokussiert die Kausal- und Prozessbeschreibung. Direkte numerische Quantifikation der zu erwartenden Ver-dunstungsraten sind diesem Gutachtens nicht enthalten. Vielmehr wird an den betreffenden Stel-len auf die hohe Komplexität des Sachverhalts und der entsprechenden Notwenigkeit einzelfallbe-zogener Untersuchungen zur genauen Quantifizierung hingewiesen.:Präambel Gegenstand und Zielsetzung des Gutachtens Selbstauskunft und Expertise des Gutachtes Ehrenwörtliche Erklärung Bildnachweise Rechtsverbindlichkeit 1 Wichtige Begrifflichkeiten und Definitionen 1.1 Definition und Maßeinheiten 1.2 Verdunstungskomponenten in natürlichen Systemen 1.3 Physikalische Maxima durch Energie- und Wasserdargebot 1.4 Atmosphärische Steuergrößen und Einflussfaktoren 1.5 Kopplung von Wasser-, Energie und Strahlungshaushalt 1.6 Potentielle und reale Verdunstung 1.7 Grundlegende physikalische Steuerung des Verdunstungsprozesses 2 Messung und Modellierung der Gewässerverdunstung 2.1 Messung und Messmethoden 2.2 Modellkonzepte 2.3 Dalton-Ansatz 2.4 Widerstandsanalogiemodelle 2.5 Zwei- und Mehrschichtverdunstungsmodelle 2.6 Kombinationsmodelle 3 Evaluation der Gewässerverdunstung 3.1 Vergleich zwischen Land- und Gewässerverdunstung 3.1.1 Energetische Unterschiede 3.1.2 Strahlungsenergetische Besonderheiten 3.1.3 Rückkopplungen auf den atmosphärischen Verdunstungsantrieb 3.1.4 Taubildung und Kondensation an der Wasseroberfläche 3.1.5 Besonderheiten der Wärmespeicherung im Wasserkörper 3.1.6 Aerodynamische Unterschiede 3.1.7 Wasserverfügbarkeit und Bestandeswiderstand 3.2 Wechselwirkungen zwischen aquatischen und terrestrischen Flächen 3.2.1 Aerodynamische Effekte 3.2.2 Energetische Effekte 3.2.3 Verdunstung in Uferzonen und Flachwasserbereichen 3.2.4 Effekte lithoraler Vegetation 3.3 Empirische Studien 4 Weitere Aspekte 5 Abschließende Bewertung und Handlungsempfehlungen Verzeichnisse Abkürzungen Lateinische Großbuchstaben Lateinische Kleinbuchstaben Griechische Großbuchstaben Griechische Kleinbuchstaben Abbildungen Tabellen Gleichungen Fußnoten Quellen und Literatur

La logistique urbaine, et celle du dernier kilomètre notamment, est un sujet de préoccupation majeure pour les villes d’aujourd’hui. Pour répondre à cette préoccupation, nous avons établi dans le chapitre introductif un historique de la problématique de la logistique urbaine pour mieux comprendre son développement au fil des années, permettant ainsi de déduire qu’il est fondamental d’étudier la globalité de la chaîne de distribution dans ce travail de thèse pour mieux résoudre la problématique de la logistique urbaine. En revanche, nous étions confrontés à un sujet redoutable par sa complexité et l’absence de données complètes et fiables. De plus, nous assistons dans les dernières années, à une multiplication des schémas logistiques que ce soit pour la livraison des magasins à partir des entrepôts des fournisseurs ou pour l’approvisionnement des clients à partir des surfaces de vente.De ce fait, nous avons fixé comme objectif d’identifier toutes les organisations logistiques existantes et émergentes en France et ailleurs (deux séjours d’un an en Angleterre et en Suisse). Pour ce faire, nous avons déterminé dans le deuxième chapitre les paramètres de différenciation des modes d’organisation en amont (de l’entrepôt du fournisseur à la surface de vente) et en aval de la chaîne (de la surface de vente au domicile du client). Or il n’existe pas aujourd’hui de bilan économique et environnemental complet permettant d’arbitrer entre différentes formes de distribution classiques et à distance en tenant compte des particularités des familles des produits (non alimentaires, secs, frais, surgelés) et de la diversité de leurs modes de livraison.Face à ces contraintes de taille, nous avons eu recours aux enquêtes de terrain dans ce travail de recherche, qui ont été l’occasion de nouer de très nombreux contacts avec les acteurs de la grande distribution, permettant ainsi de recueillir des données techniques et économiques de première main et inédites jusqu’ici. En plus de la résolution du verrou empirique dans le troisième chapitre, ce travail de thèse a permis également de lever des verrous méthodologiques relatifs à la reconstitution et à l’évaluation des coûts et des émissions logistiques (pour les entrepôts de stockage et les plateformes de transit en amont ; et pour les surfaces de vente et les plateforme de mutualisation en aval) et des coûts et des émissions des véhicules de transport (des articulés et des porteurs en amont ; et des VUL, voitures particulières, transports publics, deux roues, et marche à pied en aval). Enfin, ce travail de thèse a permis d’aboutir à la construction d’une base de données et la mise au point d’un outil d’aide à la décision permettant ainsi de déduire, dans le quatrième chapitre, les bilans économique et environnemental de la globalité de la chaîne depuis l’entrepôt du fournisseur jusqu’au domicile du ménage. Cet outil devrait se révéler très utile pour les politiques publiques, les stratégies futures des grands distributeurs et leurs prestataires logistiques afin de privilégier les modes d’organisation économes et durables, et même pour le client final afin d’estimer les coûts et les émissions de ses actes d’achat dans les différentes alternatives de vente classique et à distance. / Urban logistics and the last mile in particular, is a major concern for cities today. To address this concern, we have established in the introductory chapter a history of the problem of urban logistics. This allows a better understanding of its development over the years, and deducing that it’s essential to study the supply chain in its entirety to better solve the problem of urban logistics. However, we were faced with a daunting task: the lack of comprehensive and reliable data. In addition, there has been a multiplication of distribution channels in recent years. This includes the delivery from warehouses to stores and further to households from the retail space.Therefore, we intended to identify all existing and emerging logistics organizations in France and beyond (one year exchange stay in England and Switzerland for research purposes). To do this, we established in the second chapter certain parameters that differentiate the logistics modes of various organizations upstream (from manufacturers to retail stores) and downstream (from retail stores to households). Unfortunately, there does not exist any economic and environmental assessment to settle between different forms of traditional and modern electronic distribution, by taking into account the various characteristics of different products families (non-food, dry, fresh, frozen) and the diversity of their delivery modes.Faced with constraints of such size, we conducted surveys with different actors of distribution channels, which provided the opportunity to make contacts, thus collect firsthand and so far unpublished technical and economic data. In addition to the resolution of empirical inadequacy in the third chapter, this research also helped to develop a methodological approach related to the reconstruction and evaluation of logistics costs and emissions (in warehouses, transit platforms, retail stores and shared platforms) and also the costs and emissions of vehicles (trucks, delivery van, cars, public transport, bikes, motorbikes and walking).Finally, this research has lead to the construction of a database and the development of a decision support tool to infer, in the fourth chapter, the economic and environmental appraisal of the entire supply chain from the supplier's warehouse to the final customer. This tool can be useful for public policy, future strategies of retailers and Third-Party Logistics providers to focus on efficient and sustainable modes of organization, and even it will benefit the customer to estimate the costs and emissions of its acts of purchase in classic and e-grocery shopping.