La caractérisation et l’étude de l’homogénéisation temps réel d’un mélange de produits liquides ou solides présente une opération clé pour de nombreux domaines industriels.Dans le présent travail, nous proposons un modèle de capteur acoustique sphérique miniaturisé et autonome, adapté à des fonctions de caractérisations en ligne des milieux hétérogènes de différentes natures. Ce capteur a la possibilité d’être dispersé dans un système dynamique en constituant un réseau de capteurs géo-localisables permettant une cartographie des propriétés recherchées du milieu. Sa forme sphérique creuse nous offre la possibilité de loger une électronique programmable pour gérer son fonctionnement par unité ou dans un réseau de capteurs identifiés par codage.D’un point de vu mécanique, le résonateur proposé est assemblé à partir de deux demi-sphères faites d'un matériau approprié (Plexiglas dans le cadre de notre étude), le capteur est mis en résonance à l’aide d’un élément piézo-électrique déposé entre les deux demi-sphères ayant la forme d'un anneau.Après une validation expérimentale du système en adoptant le principe de la trilatération, une étude sur l’atténuation et la vitesse de propagation de l’onde acoustique a été effectuée dans différentes solutions à 35 °C; eau, glucose, huile de colza, lait, gel laitier et grain de caillé en suspension (différente taille). / The characterization and the study of real-time homogenization of a mixture of liquid and solid products present a key operation for many industrial sectors.In this work, we propose a model of spherical acoustic sensor miniaturized and autonomous adapted to different functions of characterization online of heterogeneous media of various kinds. This sensor has the ability to be dispersed in a dynamic system by creating a network of geo-localization for mapping desired properties of the medium. Its spherical hollow shape gives us the opportunity to accommodate a programmable electronic for managing its function as a unit or in a sensor network identified by coding.From a mechanical point of view, the proposed resonator is assembled from two hemi-spheres made of a suitable material (Plexiglas in our study), the sensor is brought into resonance by using an element piezoelectric introduced between the two hemi-spheres having the shape of a ring.After an experimental validation of the system by adopting the principle of trilateration, a mitigation study and propagation velocity of the acoustic wave was performed in different solutions at 35 ° C; water, glucose, rapeseed oil, milk, dairy and grain curd gel suspension (different sizes).

Ce travail, qui associe analyse d'image, modélisation morphologique et calculs par transformées de Fourier, s'inscrit dans la thématique classique de l'homogénéisation de milieux hétérogènes, et dans le cadre notoirement problématique de l'optimisation multifonctionnelle de matériaux multiphasiques. Les matériaux qui font l'objet de cette thèse, collecteur de courant et anode, sont des éléments critiques des piles à combustibles (PAC). Ce dispositif convertit une énergie chimique en électricité grâce à l'oxydation d'un combustible, et ne rejette que de l'eau. Les PAC développées dans le cadre du projet européen Evolve sont d'un type nouveau, combinant des architectures préexistantes. Leur performance est déterminée par la conductivité ionique et électronique d'une part, par la perméabilité et les surfaces d'échange entre phases solides et pores d'autre part. Dans le cas d'un contraste de propriétés infini entre les phases (pores et solide, milieux isolant et conducteur), les propriétés effectives dépendent fortement de la répartition spatiale (morphologie) des phases en présence. On s'intéresse, dans un premier temps, à la segmentation, à la description et à la modélisation 3D de couches de piles à combustible, à partir d'images 2D acquises en microscopie électronique à balayage. Les microstructures sont segmentées puis caractérisées par des descripteurs morphologiques. On développe des modèles de milieux aléatoires 3D multiphasiques représentatifs des milieux réels. Ceux-ci reposent sur des modèles Booléens et de Gaussiennes seuillées et sont paramétrés par des caractéristiques géométriques simples du matériau (fractions volumiques, covariances, échelles caractéristiques). Ils sont validés visuellement et quantitativement, à l'aide de données morphologiques. Dans un second temps, on s'intéresse à la prédiction des propriétés de transport, à l'aide d'outils numériques par transformées de Fourier. Un algorithme amélioré, qui s'affranchit de l'effet de Gibbs est proposé en conductivité et la méthode de Wiegman (2007) est utilisée en perméabilité. La perméabilité de milieux booléens idéaux est calculée puis comparée à divers estimateurs analytiques. La borne de Berryman-Milton, connue précédemment dans le cadre du milieu Booléen de sphères, est calculée analytiquement pour un milieu Booléen de cylindres à l'aide d'une formule exacte pour le covariogramme de cylindres. Les propriétés de conductivité ionique et électronique de l'anode, et sa perméabilité, sont ensuite prédites à l'aide des modèles de milieux aléatoires précédemment développés et validés. La perméabilité, particulièrement sensible à la morphologie, est calculée pour divers paramètres du modèle, dont les surfaces spécifiques entre phases solides et pores. Plusieurs matériaux virtuels aux propriétés améliorées sont proposés. / This work, which combines image analysis, Fourier methods and morphological models, focuses on the prediction and optimization of the transport properties of fuel cell materials in the classical framework of the homogenization of random media. The materials under study are critical layers found in fuel cells.These devices produce clean electrical energy (and water) from chemical fuel oxidation.The materials studied here are novel types of fuel cells that combine several preexisting architectures. Their performance is determined by the ionic and electronic conductivity, on the one hand, and by permeability and specific surfaces exchange between the solid and porous phases. For materials with highly-contrasted properties (pores and solid, isolating and conducting media), the effective properties strongly depend on the spatial arrangement (morphology) of the various phases.Fuel cell layers are first described and modeled using 2D scanning electron microscopy images and image analysis.Microstructures are characterized by morphological descriptors and realistic random 3D media, based on Boolean and Gaussian fields, are developed to represent the materials. The latter are parametrized by simple geometrical characteristics including volume fractions and covariances.They are visually and quantitatively validated using morphological data.Second, the transport properties are predicted numerically using Fourier methods. In conductivity, a modified algorithm is proposed to suppress the Gibbs artifacts. For permeability, the scheme of Wiegman (2007) is used.The permeability of ideal Boolean models is computed and compared with various analytical estimates.The Berryman-Milton bound, previously known for the Boolean model of spheres, is computed for a Boolean model of flat cylinders, using an analytical expression for cylinder covariogramm. The ionic and electronic conductivity of anode layers, and their permeability are predicted using previously developed models. The permeability, which strongly depends on the morphology, is computed for various values of the models' parameters, including the specific surface area between solid and phases.Several virtual materials with improved properties are proposed.

Les Installations de Stockage des Déchets Non Dangereux modernes nécessitent pour satisfaire les enjeux environnementaux, sanitaire et / ou économiques une gestion contrôlée des effluents liquides et gazeux. Le travail réalisé dans cette thèse porte sur la compréhension et la modélisation numérique des phénomènes de transferts de fluides avec une attention particulière pour les différents procédés mis en oeuvre durant l'exploitation des sites (injection de liquide, récupération de liquide et gaz). Pour chacune des trois applications étudiées, les phénomènes physiques majeurs sont identifiés ainsi que les échelles de temps et d'espace associées de manière à pouvoir proposer des versions simplifiées d'un modèle général. Ceci permet en particulier de renseigner ces modèles par des données principalement expérimentales. Un attachement particulier est porté au caractère hétérogène et déformable du matériau déchet. La description fine de l'injection de lixiviat nécessite une description de type double milieu associée à un modèle d'écoulements préférentiels. Ce type d'écoulement est peu favorable à une augmentation de l'humidité du milieu en conditions gravitaires. Concernant le pompage, le milieu semble réagir comme un milieu homogène mais un comportement hystérétique spécifique au matériau est mis en évidence. Enfin, la prise en compte de la déformabilité du déchet conduit à la prédiction d'une structure d'écoulement originale lors du captage de biogaz. / Modern Municipal Solid Waste landfills require, in order to satisfy the environmental, sanitary and / or economical stakes, a controlled management of liquid and gaseous flows. This thesis work concerns the understanding and numerical modelling of fluid transfers considering especially various processes used during landfill site exploitation (liquid injection, liquid and gas recovery). For each of the three studied operational procedures, the major physical phenomena are identified as well as the time and space scales in order to define a simplified version of a general model. These choices aim at reducing the number of fitting parameters and at using mostly experimental characteristics. Particular attention is drawn towards the heterogeneous and deformable nature of waste material. The fine description of leachate injection requires a double medium description associated with a preferential flow model. The resulting flow behaviour makes difficult the increase in moisture content under gravitary conditions. For the pumping operation, the medium seems to have a homogeneous response. However, a specific hysteretic behaviour of the material is demonstrated. Finally, the consideration of waste deformability leads to the prediction of an original flow structure during the recovery of biogas.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude du comportement poro-élastique linéaire et non linéaire des matériaux et géomatériaux poreux (notamment les calcaires oolithiques et le minerai de fer) par approche de changement d'échelle. A partir des observations microstructurales de ces matériaux, un modèle conceptuel a été proposé. Les roches poreuses étudiées sont constituées par un assemblage de grains (oolithes), à forte fraction volumique, cimentés par une matrice. La porosité, supposée connectée, est présente dans les oolithes (inter-oolithique) et dans la matrice (intra-oolithique). Un modèle d'homogénéisation à deux étapes est développé dans le cadre du modèle des sphères composites. L'importance des effets de liaison d'interface sur les propriétés poro-élastiques des sphères composites est étudiée en déterminant la solution exacte du modèle aux conditions d'interfaces parfaite ou/et imparfaite. Le modèle est tout d'abord appliqué pour estimer les propriétés effectives poro-élastiques linéaires des roches étudiées. Le comportement non linéaire de ces roches est étudié en attribuant à la matrice un comportement élastoplastique et en développant un comportement non linéaire pour les interfaces (oolithes - matrice). La comparaison entre résultats issus de la modélisation et ceux expérimentaux macroscopiques montre l'importance cruciale de la zone interfaciale de transition / This work is devoted to the modelling of the linear and non-linear hydro-mechanical behaviour of porous rocks (such as oolitic limestone, iron ore) by the multiscale modelling approach. Based on microstructure observations, a conceptual model was proposed. Porous rocks studied are constituted by an assemblage of grains (oolites), with high volume fraction, coated by a matrix. The overall porosity is supposed connected and decomposed into oolite porosity and matrix porosity. A two step homogenization method has been developed in the framework of CSA models (Composite Sphere Assemblage). The effect of interfacial bonding condition on poroelastic properties of composite sphere is investigated by determining the exact solution of the model in the case of perfect or/and imperfect interface. Micromechanical model is applied firstly to estimation of effective linear poroelastic properties of rocks studied. Their non-linear behaviour is studied by considering a elasto-plastic behavior for both the matrix and the interfaces (oolite-matrix). The comparison between numerical simulations and macroscopic experimental results underlined the crucial role of the interfacial transition zone

Le présent travail est consacré à l'étude du comportement thermo-hydro-mécanique linéaire et non linéaire des roches poreuses de type argilites par approche de changement d'échelle. A partir des observations microstructurales de ces matériaux, un modèle conceptuel a été proposé. Dans ce modèle, le volume élémentaire représentatif du milieu hétérogène est composé d'une phase matricielle argileuse contenant des inclusions sphériques de minéraux de quartz et de calcite et des inclusions ellipsoïdales aplaties représentant l'espace poreux. Dans un premier temps, le procédé de la modélisation a été exploité par la détermination des propriétés effectives isotropes et isotrope transverses des argilites : la conductivité thermique et les propriétés thermo-hydro-mécanique croisées. En outre, de nombreuses études numériques ont mis en évidence l'influence de la morphologie de l'espace poreux, de la minéralogie et des schémas d'estimation sur les résultats prédictifs. Dans un deuxième temps, nous avons modélisé le comportement mécanique non linéaire (élasto-plastique, élasto-viscoplastique) des roches argileuses. La comparaison entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux disponibles (essai de compression triaxiale, essai de fluage) a confirmé la validation du modèle développé / The present work deals with the linear and non-linear thermo-hydro-mechanical behaviour of porous rocks such as the argillite by the multiscale modelling approach. Based on microstructure observations, a conceptual model was proposed. In this model, the representative elementary volume of a heterogeneous medium is composed of an argillaceous matrix containing spherical inclusions of minerals quartz and calcite and ellipsoidal inclusions representing the pore space. In a first step, the process of modelling has been exploited by determining the isotropic and transversely isotropic effective properties of the argillite: thermal conductivity and thermo-hydro-mechanical properties. Furthermore, many numerical studies have highlighted the influence of the morphology of the pore space, of the mineralogy and of the estimate schemes to the predictive results. In a second step, we modelled the non linear mechanical behaviour (elasto-plastic, elasto-viscoplastic) of argillaceous rocks. The comparison between numerical simulations and available experimental results (triaxial compression test, creep test) confirmed the validation of the model developed

Parmi la multitude des données pétrophysiques utilisées pour décrire une formationgéologique, certaines permettent spécifiquement d'en prédire la capacité de production,à savoir : la porosité, la perméabilité intrinsèque et le coefficient de Klinkenberg.Dans le cas particulier des gas shales, ces trois propriétés essentielles sont extrêmementdifficiles à mesurer précisément, compte tenu de la complexité de cesroches. Cette thèse s'inscrit dans la continuité de travaux menés au laboratoire I2M départementTREFLE, sur l'analyse et l'amélioration de la méthode Pulse Decay, quiconstitue la méthode de mesure transitoire classiquement utilisée dans l'industriepétrolière pour identifier une ou plusieurs des propriétés d'intérêt. Les multiplespoints faibles de la méthode Pulse Decay sont ici présentés, de même que les pointsforts de la nouvelle méthode issue du perfectionnement de la méthode Pulse Decay,à savoir la méthode Step Decay, développée au laboratoire I2M et brevetée en partenariatavec TOTAL. Plus précisément, les performances de la méthode Step Decaysont ici étudiée aussi bien numériquement qu'expérimentalement, en condition homogène,comme en condition hétérogène. Ce manuscrit fournit également les résultatsd'une analyse portant sur la méthode Pulse Decay sur broyat, qui forme une alternativepossible à la méthode Pulse Decay sur carotte mais dont la fiabilité est fortementremise en question. / Among the multitude of petrophysical data used to describe a geological formation,some of them allow specifically to predict the production capacity, namely: the porosity,the intrinsic permeability and the Klinkenberg coefficient. In the particular case ofgas shales, these three essential properties are extremely difficult to measure precisely,because of the complexicity of these rocks. This thesis is the continuity ofworks led in I2M laboratory-TREFLE department, on the analysis and the improvementof the Pulse Decay method, which is the classical transient method of measurementused in the oil&gas industry to identify one or several of the properties ofinterest. The numerous weaknesses of the Pulse Decay method are here presented,as the strengths of the new method derived from the improvement of the Pulse Decaymethod, namely the Step Decay method, developed in I2M laboratory and patentedin partnership with TOTAL. More exactly, the performances of the Step Decaymethod are here studied numerically as well as experimentally, in homogeneouscondition, as in heterogeneous condition. This manuscript provides also the results ofan analysis dealing with the Pulse Decay method on cuttings, which forms a possiblealternative to the Pulse Decay method on plug but which reliability is highly questioned.