Les aérogels de silice sont des matériaux nanoporeux ayant des propriétés physiques remarquables. Leur performance thermique pourrait intéresser le domaine de la superisolation des bâtiments. Une étude approfondie des transferts conductifs dans ces milieux a été menée numériquement et expérimentalement.<br /><br />Sous forme monolithique, les aérogels de silice sont des matériaux autosimilaires constitués d'air piégé dans des nanopores et qui présentent une grande tortuosité du squelette solide. La modélisation des transferts conductifs à partir de l'équation de diffusion thermique en deux dimensions a été réalisée sur des géométries originales et représentatives de la structure interne. Plusieurs types de géométries ont été testés. Celles qui donnent le meilleur compromis sont des pavages périodiques dont l'élément générateur est un flocon de Von Koch, fractale déterministe.<br /><br />A partir des résultats obtenus sous forme monolithique à l'échelle du pore, les transferts conductifs d'empilements granulaires réguliers ont été étudiés à l'échelle macroscopique et en deux dimensions. L'approche originale vient de la prise en compte de la résistance de contact entre les grains dans le modèle numérique. Une analyse paramétrique est alors proposée en utilisant la méthode des plans d'expériences.<br /><br />Afin de confronter les résultats des modélisations numériques pour les matériaux sous forme monolithique et granulaire, un dispositif expérimental du film chaud, mince et gardé a été mis en place. Il permet de caractériser la conductivité thermique et d'analyser son comportement en fonction de la pression de l'air dans les pores et de la force exercée sur l'échantillon.

Cette étude de la compaction d’un empilement granulaire par vibrations horizontales a été réalisée dans le cadre d’un partenariat avec le groupe MERSEN pour une application au sable contenu dans ses fusibles. L’objectif scientifique est de développer la compréhension des mécanismes mis en jeu dans un milieu granulaire vibré horizontalement. Deux approches ont été utilisées en parallèle, l’une expérimentale, l’autre par simulation numérique. L’approche expérimentale a été réalisée sur des grains de silice de diamètre moyen 500 m. Un récipient de quelques centimètres est soumis à un mouvement sinusoïdal de fréquence comprise entre 20 et 200 Hz avec des accélérations allant jusqu’à 10 g. Le dispositif instrumenté permet la mesure instantanée de la force et de l’accélération, la vitesse des grains aux parois (PIV) ainsi que la densité globale du milieu. L’approche numérique est basée sur la méthode des éléments discrets (DEM). Des méthodes spécifiques d’analyse des résultats ont été développées pour assurer la comparaison avec l’expérience. Elles permettent d’obtenir des informations qui ne sont pas accessibles expérimentalement comme les densités, vitesses et contraintes locales dans l’ensemble de l’empilement. Dans le cas d’un récipient ouvert, la simulation permet de retrouver les résultats expérimentaux : rouleaux de convections, seuils de comportement, influence de l’accélération… Des résultats originaux ont été établis dans les expériences et les simulations comme une croissance de la vitesse des grains avec la longueur du récipient. La simulation a aussi permis d’obtenir des résultats spécifiques comme l’influence du coefficient de friction sur le sens des rouleaux et la caractérisation des contraintes au sein de l’empilement. L’écoulement des grains à travers des orifices circulaires de différentes dimensions a été également étudié. Le comportement du sable dans un récipient fermé (milieu confiné) a été étudié au cours d’un remplissage progressif. Des différences significatives ont été constatées lorsque le taux de remplissage devient élevé. Des mesures d’accélération et de force sur l’ensemble du dispositif ont permis de définir et de mesurer une masse apparente et l’énergie dissipée par le dispositif. Des modèles descriptifs ont permis de comprendre les comportements observés. Ces résultats sont à l’origine d’un brevet déposé par le groupe MERSEN sur le contrôle du remplissage. / This work on the densification of a granular medium under horizontal vibrations was realised in the context of an industrial study on sand in fuses, undertaken by the firm MERSEN. The scientific purpose is the understanding of the mechanisms involved in horizontally vibrated granular media. Both experiments and computer simulations were used. Experiments were conducted with 500 µm silica grains. Sinusoidal accelerations up to 10 g were applied to a container of a few centimetres using frequencies between 20 and 200 Hz. The experimental device enables instantaneous force, acceleration, grain velocity on the walls (PIV) and mean bulk density to be measured. Discrete element method (DEM) was used for the computer simulations. Specific techniques were developed to analyse the results and compare them with experiments. Computer simulations provided data which are not experimentally available such as local values of density, velocities and stress inside the particle packing. In the case of an open container, simulation results are in good agreement with experimental ones (convection rolls, thresholds, effect of acceleration...). Original results are obtained in both experiments and simulations, such as a grain velocity increase with the container length. Simulation provided specific results such as the effect of friction coefficients on the direction of rotation of convection rolls and the characterization of stress inside the particle packing. The flowability of grains across circular holes of various sizes was also studied. The behaviour of sand in a closed container (confined medium) was studied during a progressive filling. Significant differences were observed when the filling rate becomes high. The dissipated energy and the apparent mass of the vibrated device were defined and measured using acceleration and force measurements. Specific models were built to analyse and understand the observed behaviour. Some results on the filling control were patented by MERSEN.

Ce travail porte sur la caractérisation, par une méthode acoustique, du comportement mécanique d’un milieu granulaire sous chargement cyclique. La propagation d’ondes ultrasonores, à travers le réseau des contacts supportant les efforts dans l’échantillon, permet de sonder les propriétés viscoélastiques de ces milieux hétérogènes. Dans une première partie, nous étudions le comportement visco-élasto-plastique d’un empilement de billes de verre lors d’un essai oedométrique. Nous examinons en particulier le tassement, ou la déformation résiduelle, et la dissipation hystérétique, en fonction du nombre de cycles, du taux de déformation et de l’état de surface des billes. Nous montrons que les modules déduits des donnés mécaniques (déformation e ~ 10?4-10?³) sont dix fois plus petits que ceux obtenus par les mesures acoustiques (e ~ 10?7) à cause de la réponse non linéaire du milieu. Dans une seconde partie, nous nous intéressons au fluage et à la relaxation de contrainte du milieu. L’originalité de cette étude est le suivi par la mesure de la vitesse du son, qui présente une augmentation de type logarithmique dans les deux types d’essais. Le modèle basé sur la mécanique des microcontacts entre grains rugueux décrit bien nos résultats expérimentaux / This work deals with the characterization, by an acoustical method, of the mechanical behaviour of a dry dense granular medium under cyclic loading using an acoustic technique. The sound propagation through the contact-force network supporting the external load offers a non-invasive probe of the viscoelastic properties of such heterogeneous media. First, we study the visco-elasto-plastic response of the glass bead packing during an oedometric test and investigate the settlement or residual deformation and the hysteretic dissipation as function of loading cycles, strain rate and the surface state of the grains. We show that the modulus deduced from mechanical results (strain e ~ 10?4-10?³)) are about tens time smaller than those from acoustic measurements (e ~ 10?7) due to the nonlinear response of the material. Next, we examine creep and relaxation phenomena of the granular medium. The novelty of our study lies in the simultaneous monitoring of the sample using acoustic measurements. We find quasi-logarithmic increase of sound velocities in both mechanical tests. The model based on the mechanics of micro-contact between rough grains describes fairly well our experimental results

Pour faire face à des réglementations de plus en plus contraignantes, des procédés compacts et performants doivent être développés pour assurer un traitement des effluents efficace et pérenne. La technologie des boues granulaires aérobies permet de coupler productivité et compacité pour autant qu’elle soit maîtrisée. La formation des granules implique des conditions opératoires définies principalement dans des réacteurs discontinus. Afin d’améliorer la capacité de traitement, ce travail a pour objectif de proposer des conditions opératoires permettant l’utilisation des boues granulaires aérobies dans un réacteur en régime continu. Pour cela, la technique de granulation de l’écosystème est contrôlée par l’optimisation du fonctionnement d’un réacteur de laboratoire fonctionnant en discontinu (mode transitoire) puis la procédure obtenue est transposée à une taille de réacteur plus importante. Cette étude montre que la charge massique, le cisaillement et la pression de sélection des boues conditionnent la formation des granules et leurs propriétés. Le fonctionnement du réacteur en régime continu a ensuite été étudié. Il est montré que la structure granulaire a pu être maintenue tout en augmentant l’efficacité du procédé, tout paramètre équivalent par ailleurs (capacité de traitement doublée pour le réacteur continu). In fine, le système a été testé avec un effluent industriel. Un logiciel industriel a été utilisé afin de représenter pour l’optimiser le fonctionnement d’un réacteur fluidisé granulaire tel qu’obtenu expérimentalement. Si le module proposé dans ce logiciel a montré ses limites pour simuler un régime SBR, le modèle MBBR , bien que ne considérant pas la granule dans son ensemble, semble être adéquat pour représenter le fonctionnement en continu. L’utilisation des boues granulaires dans un réacteur continu est une technologie prometteuse mais nécessite des investigations sur son fonctionnement à long terme et sa modélisation. / Due to more stringent regulations, wastewater processes need to be more compact and effective. The utilization of aerobic granular sludge conjugates compactness and productivity with the control of the operational. Granulation, which need specific conditions, are mostly operated in batch reactors. To improve the capacity of treatment, this study investigates process conditions for an optimal operation for a continuous reactor working with aerobic granular sludge. First of all, granulation technique is optimized in a laboratory batch reactor (SBR) and results reveal that food to microorganism ratio, shear and selection pressure applied influence pellets’ formation and their properties. Then, this optimized method is successfully scaled-up. After that, the utilization of granules in continuous is studied and this mode increases the reactor capacity while the granular structure is maintained. The utilization of an industrial influent shows reserved results. A commercial software was used to simulate experimental results obtained for a fluidized reactor using pellets. The model, proposed by the software, shows inconsistencies in batch mode. The MBBR model seems more appropriate to simulate continuous mode although the whole pellet is not considered. So, the utilization of aerobic granular sludge in a continuous reactor is a promising technology but further research is needed in the long term operation and its modeling.

La transition vitreuse se caractérise par un ralentissement dramatique de la dynamique, soit lorsqu'on refroidit un liquide soit lorsque l'on compacifie une assemblée de particules dans un état amorphe. Dans cette thèse nous explorons deux situations distinctes liées à cette phénoménologie, principalement dans le cas de matériaux granulaires. Dans une première partie nous étudions la réponse fortement non-linéaire d'un système de particules frottantes vibrées à très haute densité soumis à une contrainte locale. Pour cela nous tirons une particule "intrus" à force constante dans le milieu en suivant le mouvement des particules alentour. Nous mettons en évidence deux transitions distinctes : la première est l'analogue d'une transition de fluidification et se manifeste par le passage d'un mouvement continu de l'intrus à un mouvement fortement intermittent ainsi que par l'apparition d'une contrainte seuil dans la réponse ; la deuxième est identifiée à la transition de blocage qui intervient de manière générique dans de nombreux systèmes. Nous montrons que les réorganisations induites par l'intrus ont un comportement critique à la transition, venant conforter le caractère critique de la transition de blocage mis en évidence en l'absence d'intrus, et établissant d'intéressantes connections avec des simulations récentes de systèmes athermiques de particules non-frottantes. Dans une deuxième partie nous étudions les relations entre la dynamique à très court terme - essentiellement vibratoire - et à plus longue échelle de temps, où de fortes hétérogénéités dynamiques sont responsables du ralentissement des relaxations structurales à l'approche de la transition vitreuse. La dynamique des états métastables est analysée dans plusieurs systèmes granulaires (cellule de cisaillement cyclique et lit fluidisé) ainsi que dans une simulation d'un liquide de Lennard-Jones répulsif ; nous mettons en évidence le rôle de mouvements coopératifs quasi-instantanés qui construisent à long terme par un mécanisme de facilitation de larges motifs de décorrélation intermittents. Ce mécanisme de facilitation diminue lorsque le matériau se densifie, menant à des évènements dynamiques de plus en plus séparés et concentrés dans l'espace et le temps. La dynamique vibratoire aboutissant aux mouvements coopératifs est elle aussi étudiée, et nous montrons que ces derniers sont déterminés pour une large part par la structure du matériau à un niveau mésoscopique.

L'une des façons de protéger une installation électrique d'une surintensité est d'utiliser un fusible. Les fusibles de la société Ferraz Shawmut contiennent du sable facilitant l'extinction de l'arc électrique créé par la surintensité. L'optimisation de l'arrangement des grains de sable grâce à une vibration permet d'améliorer les propriétés des fusibles. Des éprouvettes de sable, préparées par pluiviation, sont vibrées à différentes fréquences et accélérations. Le comportement dynamique des grains de sable et la compacité montrent une dépendance vis-à-vis de l'amplitude de vibration. Une modélisation énergétique des états vibratoires est réalisée. Une étude de dimensionnement des fusibles montre que dans le cas de vibrations verticales, l'effet de la hauteur de sable sur la compacité du milieu granulaire est prédominant. Tandis que le diamètre des récipients modifie le système convectif. La caractérisation d'empilements granulaires vibrés relaxés par tomographie X montre que les vibrations ne créent pas de ségrégation. Une étude de la compacité locale et des mesures d'intercepts dans les phases "grains" et "pores" permettent l'étude du tassement (dilatation). Des hétérogénéités de structures sont également détectées.

Cette thèse, de nature expérimentale, porte sur l'étude des écoulements de matériaux mous vitreux. Laissés au repos, ces matériaux présentent, à l'instar des verres, une dynamique extrêmement lente ou éventuellement bloquée suivant leur sensibilité à l'agitation thermique; au-delà d'un seuil, ces matériaux s'écoulent comme des liquides. Autour de trois expériences simples, nous nous proposons d'étudier d'une part l'influence d'un bruit modéré, i.e. d'une perturbation de faible amplitude, sur de tels systèmes. D'autre part, nous voulons montrer que les fluctuations d'observables simples (force, vitesse, position, etc.) générées par l'écoulement contiennent de l'information sur le système. Ainsi, dans une première expérience, nous étudions la mise en mouvement délicate d'un empilement de grains (système athermique) sous l'effet de variations de température contrôlées et de faible amplitude ( amplitude <40°C). Nous montrons notamment qu'un tel bruit thermique est suffisant pour provoquer le fluage de l'empilement qui présente alors des propriétés classiques des systèmes vitreux, comme du vieillissement. De plus, nous étudions quantitativement le rôle de l'amplitude des cycles de température, et plus qualitativement celui de leur fréquence. Nous mettons enfin en évidence les perspectives particulièrement prometteuses de cette méthode de sollicitation douce. <br />Dans une deuxième expérience, nous étudions un milieu granulaire immergé dans la limite des écoulements quasi-statiques. Cet écoulement est induit par cisaillement, à contrainte normale imposée, à l'aide d'un patin. Nous montrons tout d'abord que le nombre inertiel I, paramètre sans dimension introduit récemment pour décrire les écoulements denses, n'est plus tout-à-fait pertinent pour décrire la rhéologie de ces écoulements (I<10^-2). Nous soulignons notamment que le coefficient de friction effectif du milieu granulaire immergé ne dépend, dans la limite $I = 0$, ni de la taille des grains, ni de la viscosité du fluide. En revanche, celui-ci dépend des propriétés de surface des grains, de leur polydispersité et de la géométrie de l'écoulement. Ceci nous conduit à étudier la dilatance de l'empilement immergé en fonction des différents paramètres de l'expérience (taille des grains, viscosité du fluide, vitesse du patin, etc.) et à proposer une description simple permettant de rendre compte des dépendances rencontrées. Nous montrons ensuite que les fluctuations de force et d'altitude du patin, contrairement aux valeurs moyennes de ces mêmes quantités, sont les bonnes observables à même de décrire l'écoulement. Enfin, une dernière expérience nous permet de faire le lien entre la rhéologie non-linéaire d'un système thermique et les fluctuations de l'écoulement. L'expérience consiste à injecter de l'air à la base d'une colonne d'un fluide non-newtonien. Nous montrons que le gaz peut être relâche au travers du fluide soit sous forme de bulles, soit sous forme d'un canal connectant la buse émettrice de gaz au bas de la colonne à la surface libre du fluide. On observe que dans certaines conditions, le système oscille spontanément entre ces deux états. L'intermittence entre ces deux modes de dégazage est relié à la rhéologie non-linéaire du fluide et nous prenons le temps d'une mise en perspective de ces résultats dans le contexte de la géophysique.

L'étude des sols non saturés, et plus généralement des milieux granulaires multiphasiques, a été principalement traitée dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Le comportement de ces matériaux trouvant ses origines à l'échelle des particules, nous en proposons une analyse micromécanique, basée sur des simulations numériques utilisant la Méthode des Eléments Discrets. Pour les faibles teneurs en eau, l'eau se concentre sous la forme de ponts liquides intergranulaires dont les propriétés en terme de force et de volume de liquide peuvent être interprétées à travers la théorie de la capillarité. En partant de la description des effets microscopiques de la capillarité, un modèle discret tridimensionnel a été développé. Les propriétés macroscopiques des milieux granulaires faiblement saturés sont ainsi investiguées, aussi bien en terme de rétention d'eau, que de résistance au cisaillement, au travers d'essais réalisés sur des assemblages de grains numériques. En complément d'analyse, les techniques de l'homogénéisation sont mises en oeuvre. Les analyses permettent de mettre en évidence l'importance de la distribution du liquide au sein du milieu, ainsi que le caractère tensoriel des contraintes mécaniques associées aux forces capillaires. La texture du liquide est étudiée, et l'existence d'une contrainte effective est discutée sur des bases microstructurelles. Finalement, une approche est proposée pour simuler l'effondrement au remouillage, caractéristique de la transition d'un état partiellement saturé à un état complètement saturé.

Ce travail de thèse porte sur la modélisation numérique et l'analyse du cisaillement dans les milieux granulaires cohésifs. Dans le cadre de la méthode de la Dynamique des Contacts, nous avons développé un modèle de cohésion qui cherche à imiter la cohésion par cimentation. Ce modèle fait intervenir trois paramètres de résistance au niveau des contacts (une résistance à la traction, un coefficient de frottement de glissement, et un coefficient de frottement de roulement) ainsi qu'un critère de création et de rupture des liens cohésifs. Les contacts sont cohésifs au début des simulations et leur rupture entraîne la perte irréversible de la résistance à la traction. Nous avons fait varier les trois paramètres microscopiques et nous avons étudié leur influence dans la résistance au cisaillement, la dilatance, et la microstructure du milieu. Nos résultats montrent que le frottement interne et l'adhésion macroscopiques ont des origines microscopiques différentes. Nous observons aussi que la microstructure du milieu cisaillé à l'état stationnaire (aussi connu comme ``l'état critique") est fortement affectée par l'angle de frottement et la résistance au roulement au niveau des contacts. En particulier, le rôle mécanique du réseau faible change avec ces deux paramètres microscopiques, ce qui résulte de la formation d'une nouvelle structure de transmission de forces. D'autre part, nous avons appliqué cette méthode de simulation numérique à l'étude d'un processus naturel : les glissements de terrain. Nous avons développé une méthodologie qui tient compte de la morphologie initiale du système, de la résistance des géomatériaux, et d'un mécanisme de déclanchement, ce qui permet d'intégrer dans le même modèle les phases d'initiation et de propagation du glissement. Pour illustrer cette méthodologie, nous l'avons appliquée à la modélisation d'un exemple hypothétique d'avalanche déclenchée par la montée progressive du niveau d'une nappe d'eau.

Ce travail de thèse concerne l'étude des effets de l'humidité sur la réponse au cisaillement d'un milieu granulaire. La contrainte de cisaillement évolue d'un comportement "bruité" en passant par un comportement de "stick-slip" pour revenir au comportement "bruité" lorsque le taux d'humidité augmente. Une étude des maxima et de l'amplitude des fluctuations de la contrainte de cisaillement a été faite à fin d'analyser les états statiques et dynamiques pendant le cisaillement. L'augmentation de la valeur moyenne des maxima de contrainte de cisaillement avec le taux d'humidité est rapprochée du modèle proposé par Halsey et Levine dans le cas statique. Dans le cas dynamique, l'étude de l'amplitude des fluctuations de la contrainte de cisaillement fait apparaître trois états correspondant à des quantités croissantes d'eau dans le système : un état granulaire, un état corrélé et un état viscoplastique pour reprendre une terminologie introduite par Tegzes. Un modèle de cohésion a été étudié numériquement par la méthode de la dynamique moléculaire sur un système à deux dimensions ; ce modèle permet de comprendre la dynamique de la bande de cisaillement. Nous avons aussi démontré expérimentalement que l'humidité ne conduit pas seulement à un effet spatial mais aussi à des effets temporels (vieillissement).