Dans les milieux géologiques hétérogènes, la délimitation des zones de protection autour de puits de captage repose sur la fiabilité des modèles hydrogéologiques utilisés. Celle-ci dépend essentiellement de notre capacité à décrire les propriétés du système aquifère. En raison des mécanismes géologiques complexes impliqués dans la formation des dépôts sédimentaires, les propriétés aquifères et en particulier la conductivité hydraulique (K) montrent une variabilité spatiale importante, qui gouverne l'étalement de soluté. Le manque de données empêche une caractérisation parfaite du champ de K et introduit dès lors une incertitude dans la délimitation des zones de protection. Divers types d'informations liées à cette propriété peuvent être récoltés sur le terrain mais sont, en pratique, peu utilisés en raison de la difficulté de les intégrer dans les modèles hydrogéologiques. Dans ce travail de recherche, l'accent a été mis sur la quantification et la réduction de l'incertitude associée à la localisation des zones de protection en proposant une méthode stochastique permettant de conditionner les champs de K par des mesures directes (données hard) et indirectes (données soft) de cette propriété et plus particulièrement des données de résistivité électrique (ρ) et de hauteur piézométrique (h). L'approche stochastique spatiale qui a été adoptée considère la propriété K comme une fonction spatiale aléatoire et permet, par l'utilisation de méthodes géostatistiques, de caractériser sa variabilité spatiale. Cette approche stochastique génère un ensemble de champs de K, tous statistiquement équiprobables et, par analyse de Monte Carlo, prend explicitement en compte l'incertitude sur les valeurs de K dans la réponse du système, contrairement aux approches déterministes classiques qui considèrent le champ de K calibré comme la meilleure représentation de la réalité et mènent à la définition d'une zone de protection unique dont l'incertitude n'est pas quantifiable. Afin d'évaluer la qualité des résultats obtenus, cette méthode a été appliquée à un cas d'étude virtuel (synthétique) représentant une situation de référence, aussi proche que possible des conditions réelles rencontrées dans les aquifères alluviaux, et dont les propriétés hydrogéologiques sont connues en tout point du domaine modélisé. Elle a également été appliquée au cas d'étude réel d'un aquifère alluvial ayant déjà fait l'objet d'une étude déterministe et dont le nombre de mesures de K est extrêmement faible, nécessitant l'intégration de données de ρ et de h. L'ensemble des résultats montre à quel point l'introduction des données soft, et surtout celle des données de ρ, est un atout qui améliore grandement la caractérisation des champs de K et permet donc non seulement de réduire l'incertitude sur la localisation des zones de protection, mais également d'approcher la forme du tracé des zones de protection réelles. ABSTRACT In heterogeneous geological media, delineation of time-related well capture zone is based on the reliability of the hydrogeological models. It depends strongly on our ability to describe the system aquifer properties. Due to the complex geological processes leading to the formation of natural sediments, aquifer properties and in particular hydraulic conductivity (K) exhibits a large degree of heterogeneity, which governs solute spreading. The lack of K data hampers the complete determination of the K field and introduces uncertainty in capture zone delineation. Several kinds of informations related to this parameter can be collected in the field but are most often not used in practice because of the difficulty to introduce them in hydrogeological models. In this research work, emphasis is given to quantification and reduction of the well capture zone uncertainty by developing a stochastic method integrating direct (hard data) and indirect (soft data) measures of K and particularly electrical resistivity (ρ) and piezometric heads (h). The spatial stochastic approach adopted here considers the property K as a spatial random function and describes its spatial variability by use of geostatistical methods. This approach generates a range of statistically equally likely K fields and takes explicitly into account the K values uncertainty in the system response by performing Monte Carlo analysis, unlike classical deterministic approaches that consider a calibrated K field as the best representation of reality and lead to the definition of a unique capture zone for which uncertainty is unquantified. In order to assess the reliability of the results, this method was applied to a virtual (synthetic) study representing a reference case, very similar to actual alluvial aquifer conditions and for which hydrogeological properties are perfectly known. The method was also applied to a real case of an alluvial aquifer that had already been studied in a determinist framework and for which the number of K measures is very scarce, requiring a conditioning by ρ and h data. The results show how introduction of soft data and especially ρ data greatly improves K field description and therefore allows both to reduce well capture zone uncertainty and to approach the shapes of actual protection zones.

Les émissions anthropiques de dioxyde de carbone, gaz à effet de serre, sont considérées comme les principales causes du réchauffement climatique. Le captage du dioxyde de carbone par l'oxyde de calcium, qui s'avère être une masse de captage appropriée, au cours de plusieurs cycles de carbonatation/décarbonatation est une solution à la diminution des émissions industrielles. Néanmoins, la capacité de captage du dioxyde de carbone par l'oxyde de calcium diminue au cours des cycles, soulevant ainsi des problèmes économiques majeurs. Actuellement, cette perte d'efficacité de captage est largement étudiée contrairement à la réaction même de carbonatation de CaO d'un point de vue fondamental.Dans l'optique de mieux comprendre la réaction de carbonatation de CaO, une étude cinétique a été menée par le biais d'expériences de thermogravimétrie sur poudre. L'approche cinétique a été basée sur des tests de cinétiques hétérogènes fondés sur les hypothèses de l'état pseudo-stationnaire et de l'étape limitante. Les courbes cinétiques expérimentales obtenues en conditions isothermes (450-650°C) et isobares (2-30 kPa) ont montré un temps de latence lié au processus de germination de la nouvelle phase, ainsi qu'un fort ralentissement de la réaction à partir d'un certain degré d'avancement. Ce temps de latence et le degré d'avancement correspondant au frein cinétique dépendent de la température et de la pression partielle de CO2. Afin d'en expliquer l'origine, des caractérisations texturales et morphologiques ont été effectuées à différents degrés d'avancement. Les modifications observées à l'échelle des agrégats ont suggéré une limitation de la vitesse de réaction par des phénomènes de transport de matière, susceptibles de bloquer l'accès du gaz au cœur des agrégats. Les décrochements en température réalisées en thermogravimétrie ont mis en évidence un comportement cinétique complexe. Trois domaines ont pu être distingués au cours de la réaction, quelles que soient la température et la pression partielle de CO2. L'interprétation de ces résultats a souligné le rôle de la porosité et de son évolution sur la cinétique, ainsi qu'un effet anti-Arrhenius dans le deuxième domaine.La modélisation cinétique a dû faire intervenir à la fois un modèle proche de la réalité physique à l'échelle des grains denses, mais également les processus de transport de matière et de chaleurs au sein de l'agrégat, afin de rendre compte des courbes expérimentales et de quantifier l'impact des différents paramètres expérimentaux sur la vitesse de réaction. Ce couplage échelle de la population des grains-échelle de l'agrégat a été réalisé à l'aide d'un logiciel de cinétique hétérogène, CIN4, développé au département PRESSIC, en collaboration avec la société ASTEK. Les simulations obtenues ont permis de décrire la réaction jusqu'au freinage cinétique.

Th.--Sci.--Bordeaux 1, 1983. N°: 767.

Th. doct.-ing.--Toulouse, I.N.P., 1977. N°: 1.

Th. doct.-ing.--Toulouse 3, 1977. N°: 583.

Cette étude porte sur les systèmes de stockage thermique régénératif dont le principe consiste à stocker de l’énergie sous forme de chaleur sensible dans un lit fixe. Le système est chargé et déchargé à l’aide d’un fluide caloporteur circulant à travers le lit fixe. Ce type de système est prometteur pour réduire le coût des infrastructures de stockage, par exemple dans les centrales solaires thermodynamiques. Cependant, le pilotage de ces systèmes est relativement complexe car leur fonctionnement est régi par divers phénomènes et met en jeux plusieurs modes de transfert de chaleur. Leur identification a permis de développer un modèle numérique monodimensionnel constitué d’une équation de continuité et de trois équations d’énergie : une pour le fluide caloporteur, une pour le solide du lit fixe et une pour les parois du réservoir. Les études expérimentales réalisées sur trois systèmes différents (un système huile/roches+sable, un système gaz/roches et un système gaz/céramique structuré en canaux), ainsi que des résultats issus de la littérature ont permis de valider le modèle proposé dans une large gamme de configurations. Le modèle s’avère notamment capable de traiter les fluides caloporteurs liquides ou gazeux et les lits fixes structurés en canaux ou constitués de milieux granulaires à granulométrie simple ou double. / This study deals with regenerative heat storage systems which aim to store sensible heat in a packed bed. The system is charged and discharged thanks to a heat transfer fluid which circulates through the packed bed. This kind of system is promising to reduce the cost of heat storage facilities, for example in concentrated solar power plants. However, the operation of these systems is relatively complex because their thermal behavior is governed by several phenomena and heat transfer modes. Thanks to the identification of these mechanisms, a one-dimensional numerical model consisting of one continuity equation and three energy conservation equations has been developed. There is one energy equation for the heat transfer fluid, one for the packed bed and one for the walls of the tank. The experimental studies carried out on three different systems (an oil/rock+sand system, a gas/rock system and a structured gas/ceramic system) and experimental results from the literature have enabled to validate the model in various configurations. The model is able to deal with liquid or gaseous heat transfer fluids and with structured packed beds with channels or granular packed beds with uniformly sized particles or particles of two different sizes.

La modélisation du comportement hydromécanique chimique des milieux poreux saturés et non saturés est abordée au niveau microscopique et mésoscopique. Au niveau microscopique la modélisation des écoulements diphasiques est basée sur une représentation du réseau poral comme un ensemble de tubes dont les orientations et les rayons sont choisis sur un principe d’équivalence avec les pores. L’algorithme régissant la génération des conduits et les écoulements d'eau et de gaz est développé en utilisant un langage propre au code 3FLO. En utilisant cette approche directe on étudie ensuite le problème de l’impact de l’endommagement sur les propriétés effectives hydriques en milieu saturé et non saturé. Sans expliciter l’origine et les mécanismes de la naissance et de la propagation des fissures, on simule le développement d’une fissuration au cours d’un essai de compression triaxiale en générant numériquement une fissuration orientée préférentiellement dans la direction de la contrainte maximale en compression. Les simulations réalisées en milieu saturé et non saturé mettent en évidence l’impact de la fissuration sur la conductivité hydraulique, la courbe de rétention et la perméabilité relative.Une dernière partie de la thèse est consacrée à la modélisation mésoscopique des couplages hydro-chimio-mécaniques par une approche de couplage indirecte ou dite de communication-passerelle. Selon cette méthodologie plusieurs codes spécialisés dans un domaine donné communiquent entre eux et sont capables de réaliser des calculs paramétrés par des champs externes. Un exemple est décrit ici par le couplage d’un code hydro-géochimie (HP1) et d'un code de calculs mécaniques développé sous Matlab. En utilisant cette méthodologie on traite d’abord le problème d’évolution du potentiel de gonflement d’une argile gonflante au cours d’une infiltration par une plume alcaline. Les simulations numériques mettent en évidence que pour la période étudiée la variation de la composition chimique est le mécanisme dominant en comparaison avec la dissolution des minéraux argileux. L’adaptation du modèle ELASGONF pour réaliser des calculs mécaniques paramétrés par des champs de concentration a permis de simuler la diminution de la pression de gonflement lors d’infiltration. En utilisant cette même approche, l’hypothèse de formation du gypse dans le tuffeau blanc par voie aérienne a été étudiée dans le cadre de la problématique de préservation des monuments historiques tels que les châteaux de la Loire. Dans les conditions de nos simulations, la formation du gypse par cette voie n’a pas été vérifiée. / Modelling of the behavior and the couplings HMC of the porous circles

Ce travail de thèse poursuit l’objectif d’une simulation numérique multiéchelle d’un assemblage de réacteur à neutrons rapides. Malgré la puissance croissante des ordinateurs, la CFD fine complète d’un tel système demeure extrêmement coûteuse dans un contexte de recherche et développement. Nous proposons alors, une fois déterminé le comportement thermohydraulique moyen de l’assemblage, de reconstruire localement l’information aux fines échelles, l’ensemble de la démarche requérant un temps de calcul bien moindre qu’une simulation de la totalité de la structure. La description à l’échelle moyenne est obtenue soit par le formalisme de prise de moyenne volumique en milieu poreux, soit via une approche alternative historiquement développée pour les assemblages de RNR-Na. Elle fournit des informations utilisées comme contraintes d’un sous-problème de raffinement d’échelle, par l’intermédiaire d’une technique de pénalisation des équations de conservation locales. Ce sous-problème exploite le caractère périodique de la structure en s’appuyant sur des conditions aux limites de périodicité des champs recherchés ou de leur déviation spatiale. Après validation des méthodologies sur des applications modèles, nous entreprenons leur mise en oeuvre sur des configurations « industrielles » qui démontrent la viabilité de cette approche multiéchelle. / The present work is devoted to a multiscale numerical simulation of an assembly of fast neutron reactor. In spite of the rapid growth of the computer power, the fine complete CFD of a such system remains out of reach in a context of research and development. After the determination of the thermalhydraulic behaviour of the assembly at the macroscopic scale, we propose to carry out a local reconstruction of the fine scale information. The complete approach will require a much lower CPU time than the CFD of the entire structure. The macroscale description is obtained using either the volume averaging formalism in porous media, or an alternative modeling historically developed for the study of fast neutron reactor assemblies. It provides some information used as constraint of a downscaling problem, through a penalization technique of the local conservation equations. This problem lean on the periodic nature of the structure by integrating periodic boundary conditions for the required microscale fields or their spatial deviation. After validating the methodologies on some model applications, we undertake to perform them on “industrial” configurations which demonstrate the viability of this multiscale approach.

Ce travail porte sur l’étude du transfert de chaleur entre un milieu poreux et un milieu libre en utilisant une approche multi-échelle. Dans un premier temps, nous dérivons les conditions limites à imposer à une interface libre-poreux dans le cas des transferts de chaleur à l’équilibre thermique local puis dans le cas du déséquilibre thermique local. Pour les transferts de chaleur turbulent, une simulation numérique directe est réalisée afin d’apporter une meilleur compréhension de la physique existant à l’interface libre poreux. Puis, nous déterminons un modèle turbulent avec des conditions de saut. Ces études répondent à des questions fondamentales liées à la compréhension physique des conditions de saut, des valeurs des paramètres des sauts et de la position de l’interface dans le cadre des transferts de chaleur. / This work deals with the study of heat transfer between a porous medium and a free medium, using multi scale approaches. First, we derive the boundary conditions that must be applied at a free-porous interface for laminar heat transfer at local thermal equilibrium and, then, at local thermal non-equilibrium. For turbulent heat transfer, a direct numerical simulation is performed supplying a better understanding of the physic at the free-porous interface. Then, we determine a turbulent model with associated jump conditions. These studies answer fundamental questions regarding the physical meaning of the jump conditions, the values of the jump parameters and the location of the interface for heat transfer.

Cette thèse aborde la question de la modélisation des transferts thermiques dans les milieux poreux soumis à de hautes températures. Un modèle macroscopique hors équilibre thermique local entre phases est obtenu par changement d’échelle. Cette procédure tient compte à l’échelle locale du couplage entre rayonnement et autres modes de transfert. Le modèle de rayonnement repose sur l’équation de transfert radiatif généralisée (GRTE) et, à la limite courante d’un milieu macroscopiquement optiquement épais, sur la loi de Fourier radiative. L’originalité de cette procédure réside dans l’application de la méthode de prise de moyenne volumique (VAM) aux équations de bilan local, dans lesquelles les transferts radiatifs sont inclus. Cette homogénéisation couplée soulève trois difficultés : - les différents transferts sont de natures différentes. Le système matériel (site de transferts conductifs et convectifs) coexiste avec le champ des photons qui est homogénéisé par une méthode statistique reposant sur la caractérisation des propriétés radiatives au moyen de fonctions de distribution continûment définies sur le volume du milieu poreux. - les échelles de longueur mises en jeu dans la procédure de changement d’échelle doivent être compatibles entre elles. On établit que la séparation des échelles, requise par la prise de moyenne volumique, est compatible avec l’échelle de longueur caractéristique de l’homogénéisation statistique radiative, seulement limitée par la résolution d’une tomographie du milieu. - le phénomène d’émission dépend de la température de la matière. Cette température spécifique au calcul radiatif est obtenue en appliquant un opérateur de prise de moyenne à la température de la matière sur une échelle locale représentative. En pratique, c’est la résolution de cette prise de moyenne qui définit l’échelle des couplages locaux avec la méthode VAM. Le modèle macroscopique résultant est appliqué à la résolution d’un problème unidimensionnel et stationnaire. Dans ce cas simple, le rôle du couplage avec le rayonnement à l’échelle locale est mis en évidence. / This thesis deals with the modeling of heat transfer in porous media subjected to high temperature. An upscaling procedure yields a macroscopic model based on local thermal non-equilibrium. This procedure accounts for local scale coupling effects between radiation and other transfer modes. Radiation modeling uses the generalized radiation transfer equation (GRTE) and, at the commonly encountered limit of a macroscopically optically thick medium, the radiative Fourier law. An original feature of this procedure is the application of the volume averaging method (VAM) to local conservation equations in which radiation transfer is included. This raises three major challenges: - the physical natures of the various transfer modes involved are different. The material system (in which conduction and convection occur) coexists alongside with the photon field, which is homogenized using a statistical method based on the characterization of the radiative properties through statistical distribution functions, continuously defined over the whole volume of the porous medium. - the length scales involved in the upscaling procedure must be compatible with each other. The compatibility of the scale separation constraint (required by the VAM) with the length scale of the radiative homogenization technique (which is limited by the resolution of a tomography of the medium) is established. - the emission phenomenon depends on the temperature of matter. This temperature, specific to the radiation calculation, is obtained by applying a dedicated averaging operator. This operator is associated with an averaging volume whose length scale has to be representative at the local scale. In practice, the resolution of this averaging procedure defines the scale of the coupling between the VAM and the radiation model. The resulting macroscopic model is applied to a one-dimensional, steady case. The solving of this simple case shows the influence of local coupling effects.