Ce travail de recherche vise à caractériser les propriétés hydrodynamiques des sols des Cévennes, une zone de moyenne montagne du sud de la France connue pour être sujette à des crues à cinétique rapide, appelées « crues éclair ». Il s'agit donc de déterminer les paramètres relatifs à la conductivité hydraulique et à la rétention en eau du modèle de Mualem-van Genuchten, leur variabilité spatiale à l'échelle du versant ou du petit bassin, et les facteurs qui expliquent cette variabilité spatiale. Il s'agit également d'évaluer la perméabilité du sous-sol constitué d'une roche plus ou moins altérée, et d'en déduire des informations sur les processus de saturation des sols pouvant être à l'origine de ruissellement.Les propriétés hydrodynamiques des sols et du sous-sol ont été estimées par modélisation inverse de la teneur en eau sols, à partir d'une station pilote sur le site de Sumène et d'un réseau de 50 stations de mesure répartis sur 4 versants granitiques (site de Valescure) et 2 versants schisteux (site de Tourgueille). La station pilote comprend 3 sondes de mesure installées à 20, 40, 60 cm de profondeur, et les stations installées sur les versants comprennent chacune 2 sondes de mesure installées à des profondeurs variables allant de 15 à 45 cm. Les teneurs en eau du sol ainsi que les précipitations ont été mesurées en continu au pas de temps 15 min sur les différents sites. La procédure de modélisation inverse est basée sur l'algorithme génétique multi-objectif NSGA-II. Cette procédure a été appliquée pour chaque station, en considérant que le sol d'épaisseur variable constitué de la superposition de 2 horizons, surmontant un troisième horizon figurant la roche altérée sous-jacente. Au total, quinze paramètres doivent être calibrés pour chaque station, et sont estimés à partir de périodes sélectionnées correspondant aux épisodes de pluie les plus importants. Les processus d'évapotranspiration ont été considérés comme négligeables au cours de ces épisodes. L'analyse des propriétés de rétention et de conductivité obtenues a mis en évidence la très forte conductivité hydraulique des sols étudiés, de l'ordre de 1000 à 2000 mm/h, et leur faible rétention en eau. Les teneurs en eau à saturation estimées s'échelonnent de 0.30 à 0.60 cm3.cm-3, traduisant une grande hétérogénéité locale. On retrouve cette forte variabilité pour l'estimation des profondeurs de sol qui varient de 31 à 120 cm. Pour l'horizon représentant le sous-sol, les perméabilités sont très contrastées, avec des valeurs de conductivités hydrauliques variant de quelques unités à plus d'une centaine de mm/h. Les stations présentant les sols les moins profondes et des sous-sols moins perméables génèrent des zones saturées qui se développent à la base du profil de sol, comme ça a été observé et simulé lors des épisodes pluvieux les plus intenses. Si les propriétés des sols apparaissent très variables d'une station à une autre et d'un versant à un autre, les résultats n'ont pas montré d'organisation particulière de cette variabilité spatiale. La position de la station sur le versant n'apparaît pas être déterminante pour les porosités, les profondeurs, les perméabilités et les rétentions en eau des sols ; les distributions de ces propriétés, calculées à l'échelle des différents versants, ne semblent pas reliées aux grands traits du paysage : géologie, orientation, végétation. / This research work aims to characterize soil hydrodynamic properties of the Cévennes area, a low mountain region known to be prone to flash floods. We thus chose to estimate hydraulic conductivity and water retention properties of the Mualem –van Genuchten model and their spatial variability at the hillslope scale and between multiple hillslope profiles. The objectives are also to evaluate the weathered bedrock permeability, and consequently to enhance our understanding of the soil saturation processes.The soil and bedrock hydrodynamic properties were estimated by inverse modelling of soil moisture from a pilot station and a network of 50 stations distributed on 4 granitic hillslope and 2 schist hillslope. The pilot station was instrumented with 3 soil moisture sensors located at 20, 40 and 60 cm deep whereas the hillslope stations were instrumented with 2 soil moisture sensors located variably from 15 to 45 cm deep. Both soil moisture and precipitation were recorded with a 15 min time step for every station. The inverse modelling procedure is based on the multi-objective genetic algorithm NSGA-II. This procedure was used for every station considering a variably deep soil composed by 2 layers surmounting a 100 cm deep third layer representing the weathered bedrock. Fifteen parameters were calibrated for every station, and were estimated from small selected rainfall periods of 1 to 15 days corresponding to the major rainfall events during the monitoring period. Evapotranspiration has been considered as negligible during those events. The analysis of those retention and conductivity properties shows a very important hydraulic conductivity for the studied soils, ranging from 1000 to 2000 mm/h, and their low retention capacity. The soil saturated water content varies from 0.30 to 0.60 cm3.cm-3, which is a consequence of the important soil heterogeneity at the hillslope scale. We also find that heterogeneity on the estimation of soil depth which varies from 31 to 120 cm. For the weathered bedrock layer, we also found contrasted permeability varying from a few units to a hundred of mm/h. Stations with the shallowest soils and the less permeable bedrock presenting a saturation process at the soil/bedrock contact, as monitored and simulated during the most intense rainfalls. If the estimated soil hydrodynamic properties exhibit important variations at the hillslope scale from a station to another, results showed no specific spatial organization of this variability. The station's position on the hillslope is not decisive to estimate saturated soil moisture, soil depth, soil permeability or water retention capacity. The distribution of those properties, calculated for the 6 studied hillslope is not either correlated to the landscape general characteristic: geology, orientation, land cover.

Appliquer un champ électrique ou un gradient de température à une solution colloïdale implique la migration des particules (soluté) en suspension. Ce déplacement n’est pas la conséquence de forces de volume comme dans le cas de la sédimentation mais de forces interfaciales agissant sur la double couche électrique présente à la surface des particules colloïdales chargées. Ces forces induisent un écoulement de surface qui à son tour engendre un champ de vitesse du fluide en 1/r³ autour des particules dans la direction opposée à leurs déplacements, où r distance au centre des particules. Dans ce travail on considère une situation différente où la suspension est confinée dans un demi-espace infini limité par une paroi rigide. Un colloïde, sous l’action d’un champ extérieur, se dépose le long de la surface rigide. Bien qu’immobile le colloïde continue de pomper le fluide environnant. Il apparaît alors un écoulement latéral le long du mur et en direction du colloïde. D’autres colloïdes insérés dans un tel écoulement subissent une force hydrodynamique de trainée à l’origine de la formation d’agrégats. De tels agrégats ont été observés aussi bien lors de déposition électrophorétique que plus récemment lors de déposition thermophorétique pour des particules micrométriques en solution aqueuse. Le champ de vitesse confiné prend une forme plus complexe que dans le cas infini : il doit satisfaire à la fois la condition limite fixée à la surface de la particule et sur le mur. Deux méthodes perturbatives, la méthode des réflexions et la méthode d’Oseen, sont utilisées pour résoudre l’équation de Stokes et trouver une solution exacte pour l’écoulement autour du colloïde confiné en puissance de e = a/h rapport du rayon de la particule sur sa distance au mur. La solution usuelle à l’ordre zéro en e donne de pauvres résultats alors que les corrections suivantes donnent de meilleurs conclusions en accord avec les récentes mesures expérimentales de potentiel hydrodynamique de paire entre colloïdes sous champ confinés le long d’un mur. / Applying a steady electric field or a constant thermal gradient to a colloidal suspension induces a finite velocity of the dispersed particles. The motion of particles is not due to a net body force like in sedimentation but to interfacial forces acting on the electric double layer at their surface. These forces involve a surface flow, which, in turn, results in a velocity field of the surrounding fluid in 1/r³ in the opposite direction of the particle displacement, with r the distance from the centre of the particle. In this work we consider a somewhat different situation, where the suspension is confined to a semi-infinite half space. The particle, under the action of the applied field, is trapped against the solid interface. Still, the creep flow remains; more precisely the particle continues to pump the fluid in the opposite direction. As a consequence there arises a lateral flow along the solid surface towards the particle. Thus others particles inserting themselves in this flow undergo drag forces and form clusters. Particles aggregation has been observed in Electrophoresis deposition and more recently in Thermophoresis deposition for micron sized polystyrene beads in aqueous solution. The total velocity field takes a form significantly more complicated than in the above mentioned unbounded cases; it must satisfy boundary conditions both at the particle surface and at the confining wall. Using the perturbative method of reflections or Oseen method based on Fourier transform we resolve the Stokes equation and find an analytic solution for the drag flow along the interface in powers of the ratio e=a/h of particle radius and wall distance. The usual solution at the zero order induces poor approximation, when following corrections in e involves better results in agreement with experimental measurements of hydrodynamic pair potential between two particles along a wall.

Nous étudions les comportements dynamiques de solutions aqueuses de dioxyde de carbone, pures ou sous forme de boissons gazeuses. Nous observons les façons dont des solutions carbonatées, initialement à l'équilibre de Henry, répondent à une perturbation, qui peut être un changement brusque de pression ou une agitation mécanique. Ces questions sont examinées expérimentalement, à l'aide de dispositifs construits pour cette étude. Ceux ci permettent de visualiser les champs de vitesse et les fronts de dissolution dans le fluide, dans des conditions variées de pression, taille et forme de système. Une partie importante est consacrée à la chemi-convection provoquée par la déstabilisation d'une couche diffuse de CO2 dissout. Nous présentons une caractérisation complète du phénomène, et une interprétation basée sur une théorie de l'instabilité de Rayleigh-Taylor correspondante. L'autre partie de notre travail concerne des systèmes fermés, dont la bouteille de champagne est l'exemple type. Nous montrons que l'agitation de la bouteille provoque une légère baisse transitoire de la pression interne, et expliquons le phénomène à l'aide d'un modèle basé sur la théorie d'Epstein-Plesset de la dynamique des bulles. / This work is about dynamical phenomena of water-carbon dioxide solutions, either pure binary mixtures or carbonated beverages. We address the general problem of how such solutions, initially at Henry's equilibrium, respond to a perturbation. The latter may be a sudden change in pressure, or mechanical shaking. These problems are investigated with the help of especially designed experimental hardware that allows us to visualize the velocity field and the concentration front inside solutions, in diverse conditions of pressure, system size and shape. An important part of the work is dedicated to chemi-convection, i.e. the fluid motion induced by destabilisation of the diffuse layer of dissolved CO2. Both experimental characterization and interpretation through a theory of the corresponding Rayleigh-Taylor instability are presented. The other part of the work is related to closed systems, representative of a bottle of champagne and of sodas in general. A key observation is that shaking produces a small transient drop of the internal pressure, which we explain through a dedicated modelbuilt on Epstein-Plesset's theory of bubble dynamics.

Ce sujet concerne un travail pluridisciplinaire mathématique et astrophysique. Le but de cette thèse est l'étude des modèles d'hydrodynamique radiative dont l'application est bien évidemment très vaste en physique et astrophysique. Les modèles M1-multigroupes sont explorés pour décrire le transfert radiatif sans faire à priori d'hypothèse sur la profondeur optique du milieu. L'intérêt qui découle directement de ce travail est le développement du code d'hydrodynamique radiative HADES 2D permettant le calcul massivement parallèle. Il autorise des simulations dans des configurations astrophysiques réalistes en termes de nombre de Mach et de contraste de densité et de température entre les différents milieux. Nous nous sommes concentrés sur deux applications intéressantes : les jets d'étoiles jeunes et les chocs radiatifs dont les premières simulations seront présentées. / This topic is a multidisciplinary work between mathematics and astrophysics. The aim of this thesis is the study of radiation hydrodynamic models of which application is obviously very broad in physics and astrophysics. M1-multigroup models are explored to describe the radiative transfer without a priori assumption on the optical depth of the medium. The interest ensuing directly from this work is the development of a radiation hydrodynamic code, namely HADES 2D, for massively parallel computing. It allows simulations in realistic astrophysical configurations in terms of Mach number, density and temperature contrasts between different environments. We focused on two interesting applications: the jets from young stars and the radiative shocks of which first simulations will be presented.

Le transport des micro-organismes, comme par exemple les bactéries, par un fluide se retrouve au centre de thématiques de recherche dans des domaines aussi variés que de la biologie, l’écologie, l’ingénierie et la médecine.Ce manuscrit résume mon étude expérimentale du couplage entre le mouvement microscopique de la nage des bactéries et le mouvement advectif de l’écoulement.La première partie du manuscrit porte sur la rhéologie des suspensions d’E. coli sous faible taux de cisaillement. Pour cette condition, j’ai montré que les perturbations hydrodynamiques induites par la nage réduisent fortement la viscosité. Cet effet peut-être si important pour qu’il soit suffisant pour compenser entièrement la perte visqueuse due au cisaillement.La seconde partie traite des expériences d’écoulement réalisées dans un canal capillaire. Pour cette géométrie, j’ai examiné le couplage pour des écoulements caractérisés par un plus fort taux de cisaillement. Le suivi des trajectoires et le dénombrement des bactéries m’ont permis de mettre en évidence l’existence d’une composante de vitesse normal à la direction de l’écoulement. Cette dernière montre que les bactéries suivent des trajectoires hélicoïdales qui s’enroulent autour du centre du capillaire d’une façon antihoraires. Cette nouvelle composante est corrélée à la migration préférentielle des bactéries dans une couche de localisation proche de la paroi du canal.Les couplages rhéotactiques bactéries/fluide que j’ai étudiés doivent avoir des conséquences potentielles sur le transport en géométries plus complexes qui mériteraient une étude particulière. / The question of transfer and spreading of living microorganisms, such as motile bacteria, is of interest in biology and ecology, but also in engineering and medicine.The way in which the background flow affects the behavior of these bacteria and how it impacts the bacterial transport through complex systems and on the macroscopic properties of the fluid remains unclear and little studied.In this thesis, I present an experimental investigation of the coupling between the local bacteria-driven motion and the fluid advection.In a first part, I investigate the rheological response of E. coli suspensions when subjected to weak flows (low shear rates). I show that, in particular conditions, the microscopic perturbations caused by the bacteria highly impact on the macroscopic viscosity of the suspension, leading to a striking viscosity decrease and eventually overcoming the dissipative effects due to viscous loss. I also identify the relevant time scales defining this viscosity decrease.In a second part, I perform experiments in a capillary channel and analyze the coupling for stronger flows (higher shear rates), at which bacteria were found not to impact on the macroscopic viscosity. Instead, by analyzing the bacterial trajectories under flow, I evidence a breakage of the symmetry of this trajectories which, characterized by a preferential migration, causes the localization of the bacteria in a layer that extends over a significant distance from the surface, and thus potentially influencing the bacterial transport in complex systems

Les interactions hydrodynamiques sont souvent négligées dans le transport de particules à cause de leur complexité. Aux fortes concentrations, ces interactions se manifestent par une différence entre les cinématiques de ces particules et celle du fluide non perturbé contrairement aux hypothèses communément admises. Aujourd'hui, seuls de lourds calculs numériques (DNS) peuvent résoudre ces problèmes. Nous développons ici une méthode alternative, basée sur la matrice de résistance généralisée, appliquée au transport d'une particule cylindrique confinée. Pour la sédimentation, elle chute plus vite en position dissymétrique. En déterminant la cinématique de la particule en écoulement de Poiseuille nous montrons la non validité de l'hypothèse évoquée. Ensuite nous étudions les phénomènes de transferts sur le même cylindre. Selon la condition aux limites, on peut soit réduire, soit augmenter le flux sur le cylindre.

L'interaction entre des ondes d'inertie-gravité et un vortex en milieu stratifié tournant est étudiée expérimentalement, et numériquement au moyen de simulations basées sur la théorie WKB, ou théorie des rais. Cette étude est réalisée dans le cadre d'applications aux écoulements géophysiques. On considère l'interaction d'ondes planes avec un vortex cyclonique: des vortex forcés, plutôt baroclines, sont créés par la rotation d'un disque tournant; des vortex libres allongés, plutôt barotropes, sont créés par aspiration. Contrairement aux écoulements uni-directionnels, dans des écoulements axisymmétriques, les simulations WKB et les expériences confirment l'existence de 'couches' critiques, d'épaisseur finie, où certaines ondes sont piégées. Les simulations WKB reproduisent bien les expériences et sont mises à contribution pour expliquer le déclenchement du déferlement: on introduit un nombre de Reynolds d'interaction, Rewave, qui mesure la valeur relative du taux de décroissance de la longueur d'onde lors du piégeage par rapport au taux d'amortissement visqueux. Pour les vortex baroclines, les couches critiques sont inclinées et les ondes piégées ne déclenchent pas de déferlement, du fait de valeurs trop faibles du nombre de Reynolds. Pour les vortex barotropes, les couches critiques sont quasi-verticales, et la majeure partie des ondes se propageant face à l'écoulement y sontt piégées, provoquant un déferlement dans les expériences où le nombre de Reynolds est suffisamment élevé (Rewave >200). Ce déferlement est associé à une inversion locale du champ de densité, qui déclenche une instabilité convective, et conduit à un dépôt de vorticité négative dans la zone extérieure du vortex. Quant au mélange, il est associé à deux mécanismes distincts: la perturbation du vortex par le champ d'ondes forme des bandes de mélange chaotique; le déferlement génère des zones turbulentes, dont la pénétration vers le coeur du vortex dépend de l'énergie apportée par les ondes déferlentes.

Cette thèse a pour objet l'étude expérimentale, théorique et numérique<br />de l'instabilité d'un lit granulaire cisaillé par un écoulement<br />fluide continu.<br />Nous avons caractérisé expérimentalement la longueur d'onde initiale des<br />rides, ainsi que l'évolution de leur amplitude et de leur longueur d'onde<br />moyenne. Par ailleurs, nous nous sommes intéressés à la transition morphologique<br />des rides perpendiculaires à l'écoulement vers des motifs 3D plus complexes.<br />Nous avons également développé une analyse de stabilité linéaire<br />du problème, dans le cas d'un écoulement laminaire, qui permet de prédire<br />correctement la longueur d'onde à l'initiation. D'autre part, une analyse<br />faiblement non-linéaire rend compte de l'apparition de motifs 3D.<br />Enfin, nous avons abordé la dynamique non-linéaire des rides: des<br />simulations numériques en 2D, basées sur l'étude théorique précédente,<br />ont permis de retrouver qualitativement l'évolution aux temps longs observée<br />expérimentalement.

Les travaux de cette thèse ont pour cadre l'approche modale de la propagation d'ondes en conduit. Deux aspects sont abordés : la propagation acoustique dans les guides d'ondes courbes, sans écoulement, et le problème d'une source dans un écoulement cisaillé, dans un conduit rectiligne.<br />Pour un guide courbe à deux ou trois dimensions, une formulation multimodale de la propagation acoustique est mise en place et validée, et des équations différentielles matricielles sont établies pour la pression et la vitesse longitudinale, ainsi qu'une équation de Riccati pour la matrice impédance. Si les caractéristiques du coude (section, admittance aux parois) sont constantes, un calcul algébrique de la matrice de diffusion est possible, qui permet l'étude des propriétés de diffusion de ce coude et de tout système complexe composé de conduits droits et courbes. Une comparaison de cette approche, ondulatoire, et d'une matrice de diffusion construite par la méthode des rayons montre une très grande similitude entre ces résultats à haute fréquence. L'atténuation dans un coude traité en parois par un matériau absorbant est enfin étudiée dans le cadre de l'approche multimodale et nous mettons en évidence plusieurs propriétés des conduits courbes traités.<br /><br />La seconde partie de ces travaux concerne le problème de la propagation acoustique dans un guide droit siège d'un écoulement parallèle cisaillé, en présence d'une source. La fonction de Green de l'équation de Pridmore-Brown est calculée dans un premier temps. Par transformée de Fourier spatiale inverse, les pôles de la fonction de Green font apparaître les modes acoustiques perturbés par l'écoulement, dont il est alors possible de calculer l'amplitude. La présence d'un spectre continu dû à la singularité de l'équation de Pridmore-Brown est également mise en évidence, et la contribution du continuum de modes hydrodynamiques correspondant est étudiée et décrite.

Filtration, récupération assistée du pétrole, flux sanguin... La compréhension des écoulements dans ces exemples repose sur la connaissance du transport de particules en milieu confiné. Plus généralement, dans ces situations se pose la question de l'influence des intéractions entre particules sur le comportement général de l'écoulement. Pour répondre à cela, une approche expérimentale originale est proposée, basée sur la création de nouveaux outils microfluidiques. Dans une première partie, nous étudions la dynamique du trafic de gouttes (suspension diluée) dans des réseaux d'obstacles microfluidiques. La présence des interactions hydrodynamiques entre particules rend cet écoulement non linéaire et il peut alors être parfaitement décrit par une équation dynamique de Burgers, rationalisant ainsi la présence des chocs de densité observés expérimentalement. Nous avons aussi fait ressortir de notre étude des paramètres généraux qui, non seulement sont utiles en microfluidique, mais s'avèrent pertinents à l'étude des différents domaines de trafic (voiture, piétons, ...). Ce travail est poursuivi par l'étude du transport d'une suspension concentrée 2D. Cet écoulement, gouverné par une dynamique intermittente, a été compris à travers une approche numérique, rendant compte de la phénoménologie d'avalanche constatée. Ce code s'avère ainsi efficace quant à l'interprétation de l'écoulement de particules dans des réseaux de tubes, modèle simple des milieux poreux.