De nos jours, la sécurité des installations publiques, industrielles ou militaires est une problématique majeure. Les phénomènes de détonations en champ libre sont bien connus et documentés. Néanmoins les modèles et les lois mises en place ne s’appliquent pas dans le cas d’explosions confinées.Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse portent sur l’étude de la propagation des ondes de choc dans des géométries simples et fermées. Différents paramètres ont été étudiés tels que l’influence du volume, de la position d’amorçage ou encore de la taille de l’évent.Les essais réalisés à petite échelle, dans deux maquettes expérimentales ont permis de mettre en place des lois prédictives portant sur les principaux paramètres de l’onde de choc incidente et réfléchie que sont la surpression maximale, le temps d’arrivée ainsi que l’impulsion.Ces lois ont ensuite été implémentées dans un code de calculs permettant d’automatiser la recherche des réflexions et des différents paramètres associés dans des configurations géométriques simples. / Nowadays, the security of public, industrial or military area is a major concern. Free-field blast are well known and documented. Nevertheless, the models and laws developed do not apply in case of confined explosions. The study focuses on the propagation of shock waves in simple closed geometries. Various parameters have been studied such as the volume, the charge position or the size of vents. The small scales experiments carried out in two experimental models, made it possible to set up predictive laws on the main parameters of the incident and reflective shock wave, such as the maximum overpressure, the arrival time and the impulse.These laws were then implemented in a calculation program to automate the search of reflections and associated parameters in simple geometric setup.

Le but de ce travail expérimental est de caractériser de l’écoulement d’émulsions dans des dispositifs microfluidiques Grâce à une technique de vélocimétrie par suivi des particules, nous avons accès au comportement rhéologique local des émulsions étudiées. En faisant varier la largeur du canal microfluidique dans lequel s’écoule l’émulsion ainsi que la rugosité des parois qui confinent l’écoulement, nous avons mis en évidence des effets non locaux dans l’écoulement d’émulsions concentrées en milieux confiné. Nous avons proposé un modèle microscopique scalaire qui permet de rendre compte des résultats obtenus. La non localité est quantifiée par une longueur, caractéristique de la coopérativité de l’écoulement. Cette longueur est typiquement de quelles tailles de gouttes. Nous avons étudié plusieurs émulsions afin de mettre en évidence l’influence de la fraction volumique en gouttelette, leur taille ainsi que leur polydispersité sur la longueur caractéristique de la coopérativité de l’écoulement. / This work is an experimental study of the flow of emulsions in confined media. Here we use a microfluidic velocimetry technique to characterize the flow of thin layers of concentrated emulsions, confined in gaps of different thicknesses by surfaces of different roughnesses. We find evidence for finite-size effects in the flow behaviour and the absence of an intrinsic local flow rule. In contrast to the classical nonlinearities of the rheological behaviour of amorphous materials, we show that a rather simple nonlocal flow rule can account for all the velocity profiles. This nonlocality of the dynamics is quantified by a length, characteristic of cooperativity within the flow at these scales, that is unobservable in the liquid state (lower emulsion concentrations) and that increases with concentration in the jammed state

L’intérêt grandissant suscité par l’utilisation de l’hydrogène en tant que vecteur énergétique a mis en évidence un besoin de données fiables concernant les explosions de mélanges hydrogène-air dans des milieux obstrués et/ou confinés. C’est pourquoi, après une analyse poussée de la littérature, le travail de thèse présenté dans ce mémoire s’est focalisé sur l’accélération de flamme hydrogène-air dans de tels milieux. L’objectif est de proposer une base de données concernant la surpression maximale et la vitesse de flamme maximale dans le cas d’une déflagration de mélange hydrogène-air. Pour parvenir à cet objectif, différentes séries d’expériences menées à l’échelle du laboratoire ont été réalisées. Les séries d’essais entreprises se sont ainsi déroulées selon trois phases : i) validation du dispositif d’acquisition des mesures en utilisant une charge hémisphérique hydrogène-air, ii) essais en milieu obstrué et non confiné, et iii) essais en milieu confiné et obstrué. Les obstacles choisis pour cette étude se présentent sous la forme de couches de grillage ou de plaque. Dans les structures obstruées ainsi créées, la taille de maille, la forme de la maille, la position des différentes couches et l’espace entre couches varient. Ces essais ont notamment montré que des mailles carrées engendraient une surpression plus importante que des mailles rondes dans le cadre d’obstacles de type plaque. Une comparaison des résultats expérimentaux avec ceux obtenus par application des modèles de la littérature a été établie. Cette comparaison porte sur le calcul de la vitesse de flamme maximale en milieu obstrué et le calcul de la surpression maximale en milieu confiné. / The increasing interest created by the use of hydrogen as an energy carrier has underlined a need of reliable data concerning hydrogen-air explosions in obstructed and/or confined area. That’s why, after a detailed literature review, the study presented in this dissertation focused on hydrogen-air flame acceleration in obstructed and/or confined area. The aim of this study is to propose a data base concerning maximal overpressure and maximal flame speed in the case of hydrogen-air deflagration. To achieve this goal, different series of laboratory scale experiments have been realized. The experiments have been performed in three steps: i) validation of measurement set up with hemispherical hydrogen-air charge, ii) experiments in obstructed and unconfined area, and iii) experiments in confined area. The obstacles chosen in this study are layers of wire mesh or plate. In this obstructed structure, the mesh size, the mesh shape, the place of two consecutive layers and the pitch between two consecutive layers can vary. These experiments have notably shown that the square meshes generated more important overpressures than circular meshes in the case of plate obstacles. A comparison has been performed between experimental measurements and results given by the use of analytical models found in literature relations. The comparison was done for the maximal flame speed in obstructed area, and the maximal overpressures in confined area.

Le but de ce travail expérimental est de caractériser l'écoulement d'émulsions dans différentes géométries. Grâce à deux dispositifs expérimentaux (une cellule de Couette d'entrefer de 1,8 cm et des canaux microfluidiques dont la dimension caractéristique varie de 250 à 56 Μm) associés à deux techniques de vélocimétrie résolues spatialement (l'imagerie par résonance magnétique et la vélocimétrie par suivi de particules), nous avons mis en évidence des phénomènes non locaux dans l'écoulement d'émulsions concentrées en milieu confiné. Nous avons étudié l'influence la rugosité des surfaces confinant l'écoulement et la largeur des canaux microfluidiques dans lequel s'écoule l'émulsion. Nous avons, au cours de ce travail, développé un modèle microscopique scalaire qui rend compte des phénomènes expérimentaux obtenus. La non localité est quantifiée par une longueur 6, caractéristique de la coopérativité de l'écoulement. Cette longueur est typiquement de quelles tailles de gouttes. Elle est nulle pour une émulsion diluée et augmente avec la fraction volumique en huile pour les émulsions concentrées. Nous avons étudié trois émulsions afin de mettre en évidence l'influence de la taille des gouttelettes et de leur polydispersité sur la longueur caractéristique de la coopérativité de l'écoulement.

Ce travail de thèse est consacré à l'exploration de la dynamique d'espèces moléculaires confinées dans des réseaux nano-méso poreux. Pour caractériser le mouvement de diffusion, on a utilisé la diffusion quasi-élastique des neutrons. La dynamique rotationelle des espèces confinées a été suivie par RNM du deutérium à l'état solide. Plusieurs systèmes ont été étudiés : (i) la dynamique de l'eau dans des adsorbants sélectifs basés sur du chlorure de calcium déposé dans de la silice., (ii) la dynamique d'alcanes linéaires confinés dans les pores de la zéolithe 5A, (iii), la dynamique du butane dans la zéolithe ZSM-5, (iv) la dynamique des cycles benzéniques dans les réseaux de la MIL-53 et de la MIL-47, (v) la dynamique de l'hydrogène dans les MOFs MIL-53 et MIL-47. Dans tous les cas, la nature et la dynamique en milieu confiné dévie fortement de la dynamique à l'état condensé.

Les travaux de cette thèse ont pour but de développer un prototype d’éco-pilote, nommé EcoNav, permettant d’optimiser la vitesse d’un bateau afin de réduire sa consommation de carburant. EcoNav est composé de plusieurs modules dont : un modèle hydraulique 2D simulant l’écoulement hydrodynamique (vitesse du courant et hauteur d’eau) le long du trajet du bateau; - un modèle de résistance à l’avancement servant à alimenter un modèle de prédiction de la consommation de carburant; - un algorithme d’optimisation permettant de trouver le profil optimal de vitesse. Afin de pouvoir estimer la consommation de carburant, un modèle numérique de la résistance à l’avancement en milieu confiné a été développé durant la première partie de cette thèse. Ce modèle numérique 3D simule l’écoulement du fluide autour du bateau et permet de calculer les forces agissant sur sa coque. La résolution des équations RANS est couplée avec un algorithme de quasi-Newton afin de trouver la position d’équilibre du bateau et calculer son enfoncement. Cette méthode est validée en comparant les résultats numériques avec des résultats expérimentaux issus d’essais en bassin de traction. L’influence de l’enfoncement sur la résistance à l’avancement et la précision de la méthode est étudiée en comparant les résultats numériques obtenus avec et sans enfoncement. La précision des modèles empiriques de prédiction de la résistance à l’avancement est également comparée à celle du modèle numérique. Enfin, le modèle numérique est utilisé afin de déterminer si le confinement en largeur ou en profondeur ont une influence identique sur l’augmentation de résistance à l’avancement. Les résultats de cette étude permettent d’établir si le confinement de la voie d’eau peut être caractérisé à l’aide d’un paramètre unique (coefficient de blocage par exemple) ou bien deux paramètres permettant de distinguer le confinement latéral et vertical. Dans la seconde partie de cette thèse, les méthodes numériques utilisées pour le modèle d’éco-pilote sont décrites et comparées afin de sélectionner celles qui sont le plus adaptées à chaque module. EcoNav est ensuite utilisé afin de modéliser un cas réel : celui du bateau automoteur Oural navigant sur la Seine entre Chatou et Poses (153 km). La consommation optimisée est comparée à la consommation non optimisée, calculée à partir des vitesses AIS observées sur le tronçon étudié. L’influence de la trajectoire du bateau et de son temps de parcours sur sa consommation sont également étudiés. Les résultats de ces investigations ont montré qu’optimiser la vitesse du bateau permet d’obtenir une réduction de la consommation de carburant de l’ordre de 8 % et qu’optimiser la trajectoire du bateau ainsi que prendre en compte des informations en temps réel (disponibilité des écluses, trafic sur le fleuve) peuvent permettre de réaliser des économies de carburant supplémentaires. / An eco-driving prototype, named EcoNav, is developed with the aim of optimizing a vessel speed in order to reduce fuel consumption for a given itinerary. EcoNav is organized in several modules : - a 2D hydraulic model simulating the flow conditions (current speed and water depth) along the itinerary; - a ship resistance model calculating the thrust necessary to counteract the hydrodynamic forces ; - a fuel consumption model calculating the fuel consumption corresponding to the thrust input; - a non linear optimization algorithm calculating the optimal speed profile. In order to evaluate the fuel consumption of an inland vessel, a ship resistance numerical model is developed in the first part of this PhD. This 3D numerical model simulates the flow around an inland self-propelled vessel and evaluates the hydrodynamic forces acting on the hull. A RANS solver is coupled with a quasi-Newton approach to find the equilibrium position and calculate ship sinkage. This method is validated by comparing the results of numerical simulations to towing tank tests. The numerical results with and without sinkage are also compared to study the influence of sinkage on ship resistance and on the accuracy of the method. Additionally, some empirical models are investigated and compared with the accuracy of the numerical method. Finally, the numerical model is used to determine if channel with and water depth restriction contribute to the same amount of ship resistance increase for the same level of restriction. The results of that investigation give insight to whether channel restriction can be characterized by a unique parameter (for instance the blockage ratio) or two parameters to distinguish water depth and channel with effects. In the second part of this PhD, the numerical methods used in the speed optimization model are described and validated. The speed optimization model is then used to simulate a real case: the itinerary of the self-propelled ship Oural on river Seine, between Chatou and Poses (153 km). The optimized fuel consumption is compared with the non-optimized fuel consumption, based on AIS speed profile retrieved on this itinerary. The effects of the ship trajectory and travel duration on fuel consumption are also investigated. The results of those investigations showed that optimizing the ship speed lead to an average fuel saving of 8 % and that using an optimal track and including real time information such as lock availability and river traffic can lead to additional fuel savings.

Ce travail est une contribution à l'étude de nouveaux matériaux composites graphite/sel pour le stockage de l'énergie thermique à haute température (>200°C), l'objectif étant d'analyser et de comprendre l'influence du graphite et de la microstructure des matériaux graphite/sel sur les propriétés de transition de phase des sels. Cette thèse a été effectuée dans le cadre de deux projets : DISTOR (Européen) et HTPSTOCK (Français). Les apports majeurs de ce travail sont triples : <br />1) Il apporte une base de données importante (propriétés de changement de phase solide-liquide) sur six sels et les composites correspondants grâce à l'analyse calorimétrique effectuée. <br />2) Des modélisations rigoureuses de la fusion de sels en milieu confiné dans plusieurs géométries ont été proposées pour comprendre pourquoi lors de la première fusion des composites mis en forme par compression, des problèmes de fuite de sel ont été observés. Ces modèles montrent que la morphologie de ces matériaux sont à l'origine de ces phénomènes : la matrice de graphite contraint l'expansion volumique du sel lors de la fusion : le sel fond sous pression ce qui aboutit à une fusion sur une large gamme de température et à une perte de densité énergétique. L'analyse de sensibilité aux divers paramètres (géométriques et physiques) montre que le module de rigidité de la matrice est le paramètre sur lequel il faut agir lors de l'élaboration des matériaux pour estomper ce phénomène. <br />3) Enfin ce travail propose une formulation thermodynamique des phénomènes de surface/interface et de présence d'impuretés dissoutes pouvant aboutir à un abaissement de la température de fusion. Il semble que les avancements de fusion observés (~5°C) soient essentiellement dus à la présence d'impuretés dissoutes (apportées par le graphite) dans le liquide, un effet Gibbs-Thomson pouvant aussi s'ajouter (~1°C, lié à la taille des amas de cristaux).

La sécurité des biens et des personnes est, de nos jours, une préoccupation première, en particulier lorsqu'elle concerne l'usage des explosifs. Afin de répondre à ces exigences de sécurité, il est nécessaire de pouvoir prédire le comportement des ondes de pression issues d'une explosion, que ce soit à l'intérieur ou à l'extérieur du bâtiment, et leur interaction avec leur environnement. Une importante quantité d'informations sur les ondes de choc se propageant en champ libre est disponible dans la littérature, de sorte que leur comportement est maintenant bien connu. Toutefois, il y a très peu de données disponibles en littérature ouverte sur les explosions en milieu confiné. Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s'inscrivent dans le cadre de l'étude du comportement des ondes de choc en milieu confiné multi-chambres et de l'effet de différents paramètres tels que le volume des cellules ou la largeur du couloir sur les profils de pression à l'intérieur d'un bâtiment. La propagation de l'onde de choc est analysée par l'évolution de certains paramètres du choc (temps d'arrivée, surpression maximale et impulsion positive).Plusieurs essais à échelle réduite ont été réalisés à l'aide d'une maquette modulable, représentative d'un bâtiment pyrotechnique de plein pied, composé de quatre pièces alignées et reliées entre elles par un couloir.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s'inscrivent dans le cadre des études liées aux dégâts sur les structures et les blessures subies par les personnes à la suite d'explosions de charges explosives en milieu confiné et semi-confiné. Afin de mener cette étude, des expériences sont réalisées à petite échelle en laboratoire et sont complétées par des simulations numériques. Les ondes de choc sont obtenues grâce à la détonation d'une charge explosive gazeuse composée de propane-oxygène en proportion stoechiométrique. L'étude consiste donc à réaliser des expériences à petite échelle en laboratoire afin d'apprécier les champs de pression obtenus à la suite de la détonation d'une charge explosive au sein de deux configurations différentes. La première représente un atelier pyrotechnique et la seconde met en jeu un entrepôt de stockage de bouteilles de gaz. Les résultats expérimentaux sont ensuite confrontés à des résultats obtenus par simulations numériques réalisées grâce au logiciel AUTODYN. En complément de ces deux configuration principales, une étude est menée sur l'identification des pics de surpressions réfléchis grâce à une approche expérimentale appelée paroi par paroi. Une étude est également menée sur la détermination d'une équivalence massique entre le TNT et le mélange gazeux utilisé pour les expériences.

La sécurité des biens et des personnes est, de nos jours, une préoccupation première, en particulier lorsqu'elle concerne l'usage des explosifs. Afin de répondre à ces exigences de sécurité, il est nécessaire de pouvoir prédire le comportement des ondes de pression issues d'une explosion, que ce soit à l'intérieur ou à l'extérieur du bâtiment, et leur interaction avec leur environnement. Une importante quantité d'informations sur les ondes de choc se propageant en champ libre est disponible dans la littérature, de sorte que leur comportement est maintenant bien connu. Toutefois, il y a très peu de données disponibles en littérature ouverte sur les explosions en milieu confiné. Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s'inscrivent dans le cadre de l'étude du comportement des ondes de choc en milieu confiné multi-chambres et de l'effet de différents paramètres tels que le volume des cellules ou la largeur du couloir sur les profils de pression à l'intérieur d'un bâtiment. La propagation de l'onde de choc est analysée par l'évolution de certains paramètres du choc (temps d'arrivée, surpression maximale et impulsion positive).Plusieurs essais à échelle réduite ont été réalisés à l'aide d'une maquette modulable, représentative d'un bâtiment pyrotechnique de plein pied, composé de quatre pièces alignées et reliées entre elles par un couloir. / Security is nowadays a real and major concern, especially when explosives are involved. To address this security issue, an accurate prediction of the behavior of shock waves caused by a detonation propagating inside or outside a building and interacting with the surrounding environment is required. Extensive knowledge regarding shock waves in free field can be found in the literature so that their behavior is now well known. However, there is very few information available in the open literature for confined configuration. This study focuses on the behavior of a shock wave within a confined multi-chamber system and on the impact of different parameters such as the size of the rooms and the width of the corridor on the pressure history inside the building. The shock wave propagation is analyzed through the evolution of some of the shock parameters (arrival time, maximum overpressure and positive impulse). Several small-scale experiments have been carried out using an adjustable model of a four-roomed single-story building. The rooms are connected to a single corridor and all on the same side. This model is representative of a pyrotechnic workshop.