Cette thèse propose une étude de la propagation non linéaire des infrasons dans l’atmosphère par résolution temporelle des équations de la mécanique des fluides compressibles en s’appuyant sur des algorithmes développés pour l’aéroacoustique. L’étude se restreint aux ondes émises par les explosions de forte amplitude. Une étude bibliographique est d’abord réalisée pour identifier les phénomènes physiques influents et pour détailler un modèle d’atmosphère réaliste qui soit compatible avec une résolution numérique directe. Les équations de Navier-Stokes sont ensuite formulées pour intégrer les effets hors-équilibre de la relaxation de la vibration moléculaire. Cette étape est accompagnée de développements analytiques servant de base `a une discussion des effets dissipatifs et des effets de l’inhomogénéité atmosphérique de grande échelle. Les méthodes numériques optimisées retenues pou l’implémentation du solveur sont ensuite présentées. La stabilité et la précision sont étudiées analytiquement, puis le code de calcul est validé par des séries de simulations dans des configurations simples pour lesquelles des solutions analytiques sont disponibles. Une discrétisation adaptée pour la simulation des infrasons non linéaires se propageant dans l’atmosphère est alors proposée. Le solveur est ensuite validé dans la configuration complexe d’un modèle réaliste d’atmosphère, d’abord par une convergence de maillage, puis par confrontation avec des méthodes numériques préexistantes. L’influence des effets dissipatifs et des effets non linéaires est ensuite discutée sur la base des résultats numériques. L’influence générale des vents atmosphériques est par ailleurs présentée et des phénomènes spécifiques tels que les réflexions partielles ou les ondes rampantes sont évoqués. Enfin, une confrontation des simulations avec une expérience de référence est réalisée et les similitudes entre les enregistrements numériques et expérimentaux sont soulignées. / This thesis proposes a study of non linear infrasound propagation through the atmosphere by a time integration of compressible fluid mechanics equations using aeroacoustics algorithms. The survey is restricted to the case of infrasound emitted by high amplitude explosions. Existing literature is reviewed to identify influential physical phenomena and to detail a realistic atmosphere model compatible with direct numerical methods. Afterwards, the Navier-Stokes equations are formulated to take non-equilibrated vibrational relaxation effects into account. Acoustic absorption and effects of high-scale atmospheric in homogeneities are then discussed on the basis of analytical developments. Subsequently, the optimized numerical methods implemented in the solver are introduced. Numerical stability and accuracy are analyzed, then the method is validated by series of simple configuration simulations and an adapted discretization is proposed to simulate non linear infrasound propagating in the atmosphere. The solver is validated in the configuration of a complex realistic atmosphere, first by a grid convergence method and second by confronting the results to those of other numerical approaches. The influence of acoustic absorption and non linear effects are then discussed by analyzing numerical results. General influence of winds is also introduced and specific phenomena, such as partially reflected waves or creeping waves, are evoked. Finally, simulations are compared with a full-scale experience and similarities between both kind results are underlined.

Cette thèse est consacrée à la simulation des écoulements de paroi turbulents. L’approche numérique utilisée consiste à calculer directement les champs aérodynamiques et acoustiques de l’écoulement par simulation des grandes échelles (LES), à l’aide de schémas numériques peu dissipatifs et peu dispersifs. Cette approche repose généralement sur une intégration temporelle explicite qui se révèle fortement pénalisante dans le cas des écoulements de paroi, où le raffinement du maillage entraîne une forte diminution du pas de temps. Pour répondre à cette problématique, deux méthodes d’intégration temporelle semi-implicites d’ordre 4 à 6 étapes sont développées. Ces méthodes consistent à intégrer de manière implicite les termes contenant des dérivées spatiales normales à la paroi, et de manière explicite les autres termes, ce qui permet de relâcher la contrainte sur le pas de temps. Une analyse dans l’espace de Fourier et des cas test de propagation acoustique montrent que les méthodes développées ont une précision au moins égale à celle du schéma de Runge-Kutta standard d’ordre 4. Une technique de partitionnement semi-implicite/explicite du maillage est ensuite mise en œuvre afin de réduire le coût numérique. A l’aide de cette technique, les schémas semi-implicites permettent de réduire le temps CPU des simulations par rapport à des calculs s’appuyant uniquement sur un schéma explicite. Des LES de canal plan turbulent sont ensuite mises en œuvre pour un nombre de Mach de 0.5 et des nombres de Reynolds de friction de 350, 600 et 960, et pour un nombre de Mach de 0.1 et un nombre de Reynolds de 350. Les caractéristiques aérodynamiques de l’écoulement sont comparées avec succès à des simulations numériques directes de la littérature. Les résultats des simulations permettent ensuite d’analyser les effets du nombre de Reynolds sur les profils de vitesse moyenne et fluctuante, sur les spectres de pression pariétale, et sur les structures de la zone interne de la couche limite. Les dimensions de ces structures, estimées à l’aide des spectres de vitesse longitudinale, se révèlent peu dépendantes du nombre de Reynolds. Enfin, pour le calcul à nombre de Mach de 0.1, des composantes acoustiques sont détectées dans le spectre de pression pariétale. Ces composantes représentent l’empreinte du rayonnement acoustique de la couche limite, calculé directement par la simulation. / No abstract

Cette thèse est consacrée à la simulation des écoulements de paroi turbulents. L'approche numérique utilisée consiste à calculer directement les champs aérodynamiques et acoustiques de l'écoulement par simulation des grandes échelles (LES), à l'aide de schémas numériques peu dissipatifs et peu dispersifs. Cette approche repose généralement sur une intégration temporelle explicite qui se révèle fortement pénalisante dans le cas des écoulements de paroi, où le raffinement du maillage entraîne une forte diminution du pas de temps. Pour répondre à cette problématique, deux méthodes d'intégration temporelle semi-implicites d'ordre 4 à 6 étapes sont développées. Ces méthodes consistent à intégrer de manière implicite les termes contenant des dérivées spatiales normales à la paroi, et de manière explicite les autres termes, ce qui permet de relâcher la contrainte sur le pas de temps. Une analyse dans l'espace de Fourier et des cas test de propagation acoustique montrent que les méthodes développées ont une précision au moins égale à celle du schéma de Runge-Kutta standard d'ordre 4. Une technique de partitionnement semi-implicite/explicite du maillage est ensuite mise en œuvre afin de réduire le coût numérique. A l'aide de cette technique, les schémas semi-implicites permettent de réduire le temps CPU des simulations par rapport à des calculs s'appuyant uniquement sur un schéma explicite. Des LES de canal plan turbulent sont ensuite mises en œuvre pour un nombre de Mach de 0.5 et des nombres de Reynolds de friction de 350, 600 et 960, et pour un nombre de Mach de 0.1 et un nombre de Reynolds de 350. Les caractéristiques aérodynamiques de l'écoulement sont comparées avec succès à des simulations numériques directes de la littérature. Les résultats des simulations permettent ensuite d'analyser les effets du nombre de Reynolds sur les profils de vitesse moyenne et fluctuante, sur les spectres de pression pariétale, et sur les structures de la zone interne de la couche limite. Les dimensions de ces structures, estimées à l'aide des spectres de vitesse longitudinale, se révèlent peu dépendantes du nombre de Reynolds. Enfin, pour le calcul à nombre de Mach de 0.1, des composantes acoustiques sont détectées dans le spectre de pression pariétale. Ces composantes représentent l'empreinte du rayonnement acoustique de la couche limite, calculé directement par la simulation.

Cette thèse propose une étude de la propagation non linéaire des infrasons dans l'atmosphère par résolution temporelle des équations de la mécanique des fluides compressibles en s'appuyant sur des algorithmes développés pour l'aéroacoustique. L'étude se restreint aux ondes émises par les explosions de forte amplitude. Une étude bibliographique est d'abord réalisée pour identifier les phénomènes physiques influents et pour détailler un modèle d'atmosphère réaliste qui soit compatible avec une résolution numérique directe. Les équations de Navier-Stokes sont ensuite formulées pour intégrer les effets hors-équilibre de la relaxation de la vibration moléculaire. Cette étape est accompagnée de développements analytiques servant de base 'a une discussion des effets dissipatifs et des effets de l'inhomogénéité atmosphérique de grande échelle. Les méthodes numériques optimisées retenues pou l'implémentation du solveur sont ensuite présentées. La stabilité et la précision sont étudiées analytiquement, puis le code de calcul est validé par des séries de simulations dans des configurations simples pour lesquelles des solutions analytiques sont disponibles. Une discrétisation adaptée pour la simulation des infrasons non linéaires se propageant dans l'atmosphère est alors proposée. Le solveur est ensuite validé dans la configuration complexe d'un modèle réaliste d'atmosphère, d'abord par une convergence de maillage, puis par confrontation avec des méthodes numériques préexistantes. L'influence des effets dissipatifs et des effets non linéaires est ensuite discutée sur la base des résultats numériques. L'influence générale des vents atmosphériques est par ailleurs présentée et des phénomènes spécifiques tels que les réflexions partielles ou les ondes rampantes sont évoqués. Enfin, une confrontation des simulations avec une expérience de référence est réalisée et les similitudes entre les enregistrements numériques et expérimentaux sont soulignées.

La miniaturisation est une voie d'intensification pour la mise en oeuvre de procédés limités par les transferts thermique ou massique. La particularité des appareils micro-structurés vient en premier lieu de l'impact favorable de la réduction de taille des appareils sur les aires spécifiques d'échange. Dans notre étude, nous avons également montré que la miniaturisation conduisait à des écoulements présentant des structures hydrodynamiques favorables au transfert de matière liquide-liquide : le confinement des gouttes engendre des cinétiques de transfert plus rapides qu'en appareils conventionnels. Nous avons aussi étudié le couplage entre transfert et réaction en micro-canal. L'ensemble de ce travail a montré que les corrélations traditionnellement appliquées conduisaient à de mauvaises prédictions des flux transférés à l'échelle micrométrique en système réactionnel ou non. La manière d'appréhender et de modéliser le transfert doit donc tenir compte du degré de confinement des écoulements liquide-liquide.

Cette étude concerne le transport de particules colloïdales en milieu poreux. Les colloïdes (particules de taille caractéristique inférieure au micron) se rencontrent dans de nombreux domaines de la vie quotidienne (encre, cosmétiques, ...), de la biologie (bactéries, virus, protozoaires, ...) et de l’ingénierie (filtration, hydrologie, génie civil, génie pétrolier, ...). De par leur taille et leur nature, l’étude de ces systèmes nécessite de s’intéresser aux interactions qui peuvent exister entre les particules elles mêmes mais aussi avec le milieu environnant. On cite particulièrement le cas d’écoulements dans des aquifères qui concernent le transport de contaminants d’origine biologique (bactéries, virus), d’origine chimique (hydrocarbures, polluants) ou d’origine minérale (argiles, métaux, ...). Dans chacun des cas cités, il est nécessaire de s’intéresser au transport et dépôt/décollement des particules pour mieux comprendre et modéliser les mécanismes mis en jeu. Une première partie du travail est consacrée à la mise en place et à la résolution d’un modèle macroscopique de dépôt de particules. La comparaison des résultats numériques avec des données expérimentales de la littérature a permis d’établir les relations existantes entre le facteur de retard et la force ionique d’une part et le nombre de Péclet d’autre part. La seconde partie du travail concerne l’étude, à l’échelle microscopique, du transport de particules colloïdales en présence de rugosités de surface (obstacle ou cavité). Les résultats mettent en évidence le rôle joué par ces rugosités de surface sur l’adsorption et désorption de particules sous l’influence des forces hydrodynamiques et des interactions physico-chimiques. / This study deals with the transport of colloidal particles in porous media. Colloids (particles with a characteristic size smaller than one micron) are found in daily life (ink, cosmetics ...) and in many fields of science and technology such as biology (bacteria, viruses, protozoa ...) and engineering (filtration, hydrology, civil engineering, petroleum engineering ...). Because of their size and nature, the study of these systems needs to focus on interactions that may exist between the particles themselves but also with the surrounding environment. This is particularly true in the case of transport of colloids in porous media where the particles characteristic dimension size is close to that of the porous medium. We mention especially the case of flow in aquifers that may affect the transport of contaminants of a biological origin (bacteria, viruses), chemical origin (hydrocarbons, pollutants) or minerals (clay, metals ...). In each case cited above, it is necessary to consider particles transport in porous media and their deposition/release to better understand and model the involved mechanisms. The first part of this work is devoted to the development and resolution of a macroscopic model of particle deposition. Comparison of numerical results with experimental data in the literature has established the existing relationships between a delay factor and both ionic strength and the Peclet number. The second part of the study deals with the study, at the microscopic level, of a colloidal particle transport taking into account DLVO forces for smooth and rough pore surfaces. Our results highlight the role played by surface roughness on the adsorption and desorption of particles under the influence of ionic strength and flow rate.