La résistance aux insecticides est un phénomène naturel d'adaptation des insectes. Lorsqu'elle apparaît dans une population de vecteur, elle compromet les interventions de lutte anti-vectorielle, et limite les possibilités de contrôle des agents pathogènes qu'ils transmettent. La résistance aux insecticides chez les Culicidae vecteurs est largement répandue de par le monde, et on la retrouve notamment dans les territoires insulaires. Cependant, l'isolement géographique des îles influe sur la présence et la distribution des allèles de résistance. En travaillant sur quatre espèces de moustiques dans plusieurs contextes insulaires, nous nous sommes attachés à (i) évaluer les niveaux de résistance et à caractériser les mécanismes impliqués, (ii) identifier les facteurs, contextuels et/ou évolutifs, expliquant la présence et la distribution des gènes de résistance chez certaines de ces espèces, et (iii) évaluer de nouveaux outils de lutte pouvant être mis en place dans le contexte insulaire particulier que représente Mayotte. Nos résultats montrent une forte résistance de Culex p. quinquefasciatus à toutes les familles d'insecticides utilisées jusqu'à présent dans l'Océan Indien. Cependant, la distribution de ces mécanismes de résistance a présenté une forte hétérogénéité régionale, les allèles de résistance n'étant pas présents dans toutes les îles et/ou pas aux mêmes fréquences. De plus, à une échelle plus locale sur l'île de Mayotte, il existe de fortes disparités entre les espèces étudiées en terme de résistance. Ces différences inter-espèces, intra-île et inter-îles sont discutées en fonction de l'influence des pressions de sélections locales et de leurs sources, et du coût génétique des différents allèles présents. Des propositions d'évolution des pratiques de lutte à Mayotte sont énoncées, intégrant les nouveaux outils que nous avons évalués sur le terrain. / Insecticide resistance is a natural adaptation phenomenon of insects. When it occurs in a vector population, it compromises vector control interventions, and therefore limits the ability to control the diseases they transmit. Insecticide resistance in Culicidae is widespread throughout the world, and is also found in islands. However, their geographic isolation influences the presence and distribution of resistance alleles. We have worked on four mosquito species in several islands, and we tried to (i) assess the resistance levels and characterize the mechanisms involved, (ii) identify contextual and/or evolutionary factors explaining the presence and distribution of resistance genes in some of these species, and (iii) evaluate new control tools that can be implemented in the specific context of Mayotte island. Our results showed a strong resistance of Culex p. quinquefasciatus to all insecticide families used so far in the Indian Ocean. However, the distribution of resistance mechanisms showed a strong spatial heterogeneity. Indeed, some resistance alleles were not present on all islands and/or not at the same frequencies. In addition, at a more local scale in Mayotte, there were strong differences of resistance status between species. These differences between species and islands are discussed in relation to the influence of local selection pressures and their origins, and to the fitness cost of different alleles. Proposals for modification in vector control practices are set to Mayotte, integrating new tools we have evaluated on the field.

Les éthers de cellulose (EC) sont des agents rétenteurs d'eau très utilisés dans les matériaux de construction: ils limitent fortement la perte d'eau due principalement à l'absorption dans le substrat pendant la cure, favorisant ainsi les réactions d'hydratation du ciment nécessaires à la prise qui assurent de bonnes propriétés mécaniques pour le matériau final. Cependant les causes exactes de ce phénomène de rétention d'eau restent encore incomprises à ce jour. Dans ce travail de thèse, afin d'analyser les mécanismes de la rétention, nous tentons de mieux comprendre pourquoi et comment les transferts hydriques sont modifiés en présence d'EC. Dans un premier temps, nous montrons, grâce à des tests de filtration et par les méthodes usuelles de caractérisation (microscopie, diffusion de la lumière) que les EC en solution forment des agrégats polydisperses de plusieurs dizaines de microns de diamètre. Nous montrons ensuite qu'une solution d'EC passant à travers un matériau poreux modèle (tamis) bouche progressivement ce tamis, même si la taille de maille est nettement supérieure à celle des agrégats, du fait d'un effet de blocage statistique. Cet effet de coincement se produit également lors de l'écoulement à travers un milieu poreux 3D (empilements de billes de verre), ce qui conduit à l'arrêt du fluide après une certaine hauteur de pénétration dans le milieu. Enfin, en revenant aux tests standards de rétention avec le matériau réel (mortier) puis en les comparant au test de filtration à travers un tamis nous montrons que ce dernier est un bon test alternatif qui permet de caractériser la capacité de rétention des EC / In building materials, such as mortars, cellulose ethers (CE) are used as water-retention agents. They prevent the loss of water due to absorption into the substrate during curing stage. They maintain wet conditions for proper hardening and final properties. However, the cause of retention remains unknown. First, we show through filtration tests and usual characterization methods (microscopy, light scattering) that CE solutions are composed of polydisperse aggregates of several tens of microns in diameter. We then show that a CE solution passing through a model porous medium (sieve) progressively block the sieve, even if the mesh size is much larger than the aggregates diameter, due to a statistical effect of blocking. This jamming effect also occurs during the flow through a 3D porous medium (stacks of glass beads), which led to the stopping of the fluid after a certain penetration depth of the medium. Finally, coming back to the retention standard tests with the real material (mortar) and comparing them to the filtration test we show that the latter is a good alternative test to characterize the CE retention capacity

Ces travaux de thèse ont pour but d'étudier l'état de dispersion de particules colloïdales dans des cristaux liquides nématiques lyotropes. Ces solvants organisés sont constitués de micelles nanométriques anisotropes. Dans un premier temps, nous montrons qu'il est possible de réaliser des suspensions cinétiquement stables en jouant notamment sur la forme des inclusions micrométriques. Un modèle, développé dans le cadre de cette étude, permet de rendre compte de nos observations. Dans un second temps, nous nous intéressons à l'influence de la diminution de taille de particules sur l'état de dispersion du système. A l'échelle nanométrique, le mouvement brownien, anisotrope dans ce type de milieu, semble gouverner les phénomènes observés. / The present PhD work aims at studying the dispersion state of colloidal particles in lyotropic nematic liquid crystals. These organized solvents are made of anisotropic nanometric micelles. Firstly, we show that kinetically stable suspensions may be achieved by playing on the shape of micrometric inclusions in particular. A model, which is developed for this study, can catch well our observations. Secondly, we are interested in the influence of a diminution of the particle size on the dispersion state of the system. At the nanometric scale, the Brownian motion, which is anisotropic in such media, seems to govern the observed phenomena.

Un écoulement fluide (air ou liquide) au-dessus d’un matériau granulaire induit, au-delà d’un seuil, un transport de grains qui peut conduire à la formation de dunes. Dans une première partie, nous étudions la morphodynamique des dunes éoliennes. Grâce à une modélisation simplifiée des transports de sédiment, la description de la dynamique d’une dune formée sur un fond plat non-érodable sous un écoulement unidirectionnel peut se réduire à un système d’équations différentielles couplées du premier ordre. Le modèle développé permet d’identifier les mécanismes qui influencent la stabilité linéaire d’une dune transverse rectiligne. Lorsque la diffusion latérale de sédiment sur la face amont est dominante devant celle sur la face aval, notre modèle prédit la stabilité de la dune transverse. Lorsque la dune transverse est instable, elle se fragmente en dunes en forme de croissant, appelées barkhanes. Grâce aux caractéristiques morphologiques des dunes éoliennes issues des données de terrain, les paramètres macroscopiques qui influencent la stabilité sont déterminés. Dans une seconde partie, nous analysons l’influence de la présence de formes sédimentaires aquatiques sur les modes de transport de sédiment (charriage ou suspension). Des expériences en chenal hydraulique permettent de suivre la déstabilisation d’un lit plat de sédiment par un écoulement unidirectionnel. Le suivi de la morphologie du fond ainsi que le piégeage différencié des modes de transport de sédiment permettent de mettre en avant que l’apparition et la croissance de dunes s’accompagnent d’une augmentation du transport de sédiment. / Above a threshold, a flow (of liquid or air) over a granular bed leads to grain transport that can induce dune formation. In the first part of this thesis, we study the morphodynamics of eolian dunes. With a simplified sediment transport model, the description of the dynamics of a dune formed on an non-erodible bed under unidirectional flow is reduced to a system of first order coupled differential equations. With this model, we identify the mechanisms that influence the linear stability of a rectilinear transverse dune. When lateral sediment diffusion on the upwind side of the dune prevails over the downwind side diffusion, our model predicts transverse dune stability. When the transverse dune is unstable, it breaks into crescent-shaped dunes called barchan dunes. With morphological characteristics of aeolian dunes taken from field data, macroscopic parameters influencing the dune stability are calculated. In the second part, we analyze the effect of aquatic bedforms on the mode of sediment transport (bedload or suspension). With flume experiments we follow the destabilization of a flat sediment bed under a unidirectionnal flow. Recorded bed morphology and differentiated trapping of sediment allow us to distinguish between bedload and suspension and to show that the dune formation and growth come along with an increase of sediment transport.

Ce travail est dédié au calcul des propriétés de transfert thermique et de transport dans les milieux hétérogènes périodiques. Les résultats sont établis dans le cadre d'homogénéisation périodique pour lequel les propriétés macroscopiques sont obtenues par la résolution de problèmes élémentaires pour la cellule irréductible. Plusieurs contributions sont ainsi apportées, visant à établir de nouvelles estimations par des approches analytiques ou en développant des méthodes numériques adaptées. Ainsi dans une première partie, on s'intéresse à la modélisation des propriétés non linéaires de filtration dans les milieux poreux. A l'échelle microscopique l'écoulement est régi par l'équation de Navier-Stokes. En développant la solution en série, on obtient par homogénéisation, une loi de filtration polynomiale. Tous les coefficients constitutifs de cette loi sont alors obtenus en résolvant en cascade des problèmes élémentaires sur la cellule à l'aide de schémas itératifs utilisant sur la transformée de Fourier rapide. On propose ensuite de nouvelles expressions analytiques pour les propriétés de conductivité thermique de composites périodiques renforcés par des inclusions sphériques. On résout l'équation intégrale de Lippmann-Schwinger par des développements en série de Neumann et en choisissant une polarisation constante dans les inclusions. Des expressions analytiques sont alors obtenues pour diverses configurations spatiales : réseaux cubiques et répartitions aléatoires isotropes. Dans la dernière partie de ce travail, on détermine les propriétés de transfert thermique par conduction et convection dans les milieux poreux saturés par un fluide. A nouveau, on propose des schémas de résolution basés sur la transformée de Fourier rapide pour le calcul du tenseur de diffusivité de milieux poreux / In this work, we determine the macroscopic properties of thermal transfer and mass transport in periodic heterogeneous materials. All the results are established in the framework of periodic homogenization, for which, the macroscopic properties are deduced by solving elementary problems for the irreducible cell. Various contributions are provided, leading to the derivation of new closed-form expressions for the effective properties or by developing numerical tools. In the first part, we determine the nonlinear filtration properties of porous media. At the microscopic scale, the fluid flow obeys to the Navier-Stokes equation. By expanding the solution into power series, we obtain, after homogenization, a polynomial type macroscopic filtration law. All the constitutive coefficients of are determined by solving a hierarchy of cell problems by means of a numerical approach based on the Fast Fourier Transform algorithm. The problem of conductivity of periodic composites reinforced by spherical inclusions is thereafter considered by an analytic approach. We solve the Lippmann-Schwinger integral equation using Neumann series and a constant polarization in the inclusion. Closed-form estimate of the macroscopic conductivity are then obtain for different spatial configurations: cubic lattice and isotropic distribution of inclusions. In the last part, we determine the thermal transfer properties by conduction and convection of porous media fulfilled by a viscous fluid. Again, numerical tools based on FFT are considered to solve the unit cell problems and to compute the diffusivity tensor

La première partie de ce travail a porté sur la mesure du gradient de vitesse et la direction de l'écoulement local de liquide dans un empilement de sphères. Cette étude a été menée grâce à des micro-électrodes tri-segmentées implantées à la paroi de sphères supports. Ces expériences originales ont en particulier permis de caractériser les recirculations dans le pore suivant les conditions opératoires. La seconde partie a porté sur la simulation numérique de ce même écoulement local. Un écoulement monophasique dans une géométrie complexe représentant exactement le milieu poreux a été simulé. Ces simulations ont été confrontées aux expériences; l'accord est satisfaisant, surtout à faible vitesse. L'inadéquation des modèles de turbulence usuels a été montrée dans notre cas. Enfin, des mesures par Vélocimétrie Laser Doppler ont montré l'intérêt de cette technique, bien que des améliorations soient nécessaires pour obtenir des résultats exploitables sur l'ensemble du milieu / The first part of this work deals with local measurement of flow direction and velocity gradients in a structured packing of spheres. Tri-segmented micro-electrodes flush mounted at the wall of supporting spheres are used for the measurements. Among other results, these original experiments allowed to charatcerize the flow recirculation within the pore.In the second part, the local liquid flow in the packing was numerically computed. More specifically, the local flow of liquid in a complex geometry was modelled and simulated. Numerical results are in agreement with experiments, especially for low flow rates. Usual turbulence models were shown to be inappropriate for the present case. Finally, some Laser Doppler Velocimetry measurements were carried out and showed the interesting potential of this technique, but improvements are yet to be made to get velocities in the bulk of the bed

L'objet de cette thèse est l'étude et la mise en œuvre d'une méthode d’éléments finis multi-échelles pour la simulation d'écoulements miscibles en milieux poreux. La définition des fonctions de base multi-échelles suit l'idée introduite par F. Ouaki. La nouveauté de ce travail consiste à combiner cette approche multi-échelle avec des éléments finis de type Galerkine Discontinus (DG) de façon à pouvoir utiliser ces nouveaux éléments sur des maillages non-conformes composés de mailles de formes diverses. Nous rappelons, dans un premier temps, le principe des méthodes DG et montrons comment ces méthodes peuvent être utilisées pour discrétiser une équation de convection-diffusion instationnaire identique à celle rencontrée dans le problème d'écoulement considéré dans ce travail. Après avoir vérifié l'existence et l'unicité d'une solution à ce problème, nous redémontrons la convergence des méthodes DG vers cette solution en établissant une estimation d'erreur a priori. Nous introduisons, ensuite, les éléments finis multi-échelles non conformes et détaillons leur mise en œuvre sur ce problème de convection-diffusion. En supposant les conditions aux limites et les paramètres du problème périodiques, nous montrons une nouvelle estimation d'erreur a priori pour cette méthode. Dans une seconde partie, nous considérons le problème d'écoulement complet où l'équation considérée dans la première partie est résolue de manière couplée avec l'équation de Darcy. Nous introduisons différents cas tests inspirés de modèles d'écoulements rencontrés en géosciences et comparons les solutions obtenues avec les deux méthodes DG, à savoir la méthode classique utilisant un seul maillage et la méthode étudiée ici. Nous proposons de nouvelles conditions aux limites pour la résolution des problèmes de cellule qui permettent, par rapport à des conditions aux limites linéaires plus classiquement utilisées, de mieux reproduire les variations des solutions le long des interfaces du maillage grossier. Les résultats de ces tests montrent que la méthode multi-échelle proposée permet de calculer des solutions proches de celles obtenues avec la méthode DG sur un seul maillage et de réduire, de façon significative, la taille du système linéaire à résoudre à chaque pas de temps. / This work deals with the study and the implementation of a multiscale finite element method for the simulation of miscible flows in porous media. The definition of the multiscale basis functions is based on the idea introduced by F. Ouaki. The novelty of this work lies in the combination of this multiscale approach with Discontinuous Galerkin methods (DG) so that these new finite elements can be used on nonconforming meshes composed of cells with various shapes. We first recall the basics of DG methods and their application to the discretisation of a convection-diffusion equation that arises in the flow problem considered in this work. After establishing the existence and uniqueness of a solution to the continuous problem, we prove again the convergence of DG methods towards this solution by establishing an a priori error estimate. We then introduce the nonconforming multiscale finite element method and explain how it can be implemented for this convection-diffusion problem. Assuming that the boundary conditions and the parameters of the problem are periodic, we prove a new a priori error estimate for this method. In a second part, we consider the whole flow problem where the equation, studied in the first part of that work, is coupled and simultaneously solved with Darcy equation. We introduce various synthetic test cases which are close to flow problems encountered in geosciences and compare the solutions obtained with both DG methods, namely the classical method based on the use of a single mesh and the one studied here. For the resolution of the cell problems, we propose new boundary conditions which, compared to classical linear conditions, allow us to better reproduce the variations of the solutions on the interfaces of the coarse mesh. The results of these tests show that the multiscale method enables us to calculate solutions which are close to the ones obtained withDG methods on a single mesh and also enables us to reduce significantly the size of the linear system that has to be solved at each time step.

Cette thèse étudie le façonnage de champs électromagnétiques micro-ondes dans des cavités présentant des conditions aux limites reconfigurables. Le dispositif expérimental s'appuie sur une metasurface électroniquement reconfigurable qui couvre partialement les parois d'une cavité et qui permet ainsi de contrôler la façon dont les ondes y sont réfléchies. Le premier chapitre explore des aspects fondamentaux. D’abord, une étude paramétrique du façonnage d'un champ d'ondes électromagnétiques monochromatique et stationnaire en cavité est proposée en fonction d'un degré de contrôle introduit. Selon la valeur de ce paramètre, il est possible de concentrer de l'énergie en un endroit donné de la cavité de façon prédictible, de reconfigurer totalement cette cavité, ou bien de décider d'obtenir une résonance à une fréquence qui n'en supportait pas auparavant. Ensuite, l’imposition d’un comportement chaotique à une cavité de géométrie régulière est démontrée et une application au brassage des modes en chambre réverbérante est donnée. Dans la suite, la possibilité d’ajuster le couplage antenne-cavité est abordée, et une adaptation parfaite et dynamiquement configurable de l’impédance est proposée. Le reste du premier chapitre considère des champs transitoires. Dans un premier temps, la focalisation spatio-temporelle d’une impulsion fortement réverbérée dans une cavité en utilisant uniquement le contrôle spatial des ondes offert par la metasurface est démontrée, puis le lien avec le couplage entre les dégrées de liberté spatiaux et temporels du milieu de propagation est fait. Enfin, un dispositif permettant la reconfiguration répétée des conditions aux limites d'une cavité en un laps de temps inférieur au temps de vie des photons est réalisé, et des résultats préliminaires sont montrés. Dans le deuxième chapitre, des applications aux systèmes de communication sans fil multi-utilisateurs sont proposées. D’abord, dans la limite d’un bas facteur de qualité de la cavité, il est montré qu’un formalisme matriciel permet de décrire l’impact de la metasurface sur le champ. Cette matrice, mesurée sans information de phase, permet alors de focaliser le champ sur une ou plusieurs positions simultanément. Ensuite, la possibilité d’obtenir une diversité de canaux optimale (orthogonalité des canaux) en façonnant idéalement le désordre d’un milieu de propagation à l'aide de metasurfaces est établie. Finalement, le formalisme matriciel est utilisé afin d’introduire un concept de calcul analogique réalisé par le milieu désordonné en façonnant le front d’onde incident. Il est dès lors conclu qu’avec une infrastructure standard de Wi-Fi dans une maison, en combinaison avec une metasurface simple, cette idée peut être implémentée. Le concept est enfin transposé au domaine optique avec une fibre multimode. Au cours du troisième chapitre, quelques applications du façonnage d'ondes en milieux réverbérants aux capteurs des environnements connectés sont étudiées. D’abord, la possibilité de concentrer des champs électromagnétiques ambients sur des circuits redresseurs afin d’obtenir des tensions de sortie utiles est démontrée. De plus, grâce aux non-linéarités intrinsèques du redresseur, ceci est possible même sans avoir un retour direct du redresseur sur l’intensité du champ incident. Ensuite, un détecteur de mouvement hors ligne de vue et « intelligent » est proposé, qui profite d’un co-design de sa couche physique et du traitement de données. Enfin, il est démontré que même des objets non-coopératifs dans un environnement complexe peuvent être localisés grâce à leur contribution à la diffusion des ondes dans ledit milieu. L’équivalence d’utiliser la diversité fréquentielle ou bien le façonnage d’ondes dans ce contexte est établie. / In this thesis, the shaping of microwave fields in chaotic cavities with tunable boundary conditions is studied experimentally. The experiments leverage a metasurface reflect-array that partially covers the cavity walls to tune the reverberation of waves inside the cavity. The first chapter explores several fundamental aspects. First, the achievable degree of control over stationary monochromatic wave fields is thoroughly investigated, and various regimes are identified, ranging from partial control over the wave field up to the limiting case of discrete resonances that can be tuned at wish. Next, the possibility to convert a cavity of regular geometry into one displaying chaotic characteristics by modulating the boundary conditions is examined and an application to non-mechanical mode-stirring in reverberation chambers is given. Then, the ability to tune the coupling between an antenna inside a cavity and the cavity itself is studied, revealing the opportunity of achieving (dynamically tunable) perfect impedance matching. The chapter goes on to consider spatio-temporal wave fields, and the re-focusing of such transient fields at a desired instant with the purely spatial control of the metasurface is demonstrated; moreover, the interplay of spatial and temporal degrees of freedom is addressed. Finally, an experimental platform enabling the rapid modulation of cavity boundary conditions within the photon lifetime is presented. The second chapter considers applications to multi-user wireless communication systems. First, it is shown that a matrix formalism to capture the impact of the metasurface on the wave field can be formulated in the regime of low reverberation, and even without access to phase information focusing on a single as well as on multiple targets is demonstrated. Second, it is shown that the channel diversity, which dominates the achievable capacity of information transfer, can be optimized by tweaking the environment’s disorder; perfectly orthogonal channels are obtained without any software or hardware efforts on the transmit or receive side, and the benefits of the implied minimal cross-talk are illustrated for the scenario of wirelessly transmitting a full-color image. Third, the matrix formalism is leveraged to propose a scheme of analog computation that counter-intuitively uses a disordered instead of a carefully tailored propagation medium, by appropriately shaping the incident wave front. A proof-of-concept demonstration suggests that combining ubiquitous Wi-Fi hardware in an indoor environment with a simple metasurface is sufficient to implement the concept. Finally, the concept is also implemented in the optical domain using a multimode fiber. The third chapter outlines a few applications for sensors in context-aware environments. First, it is shown that by shaping ambient wave fields, they may be concentrated on harvesting devices to increase the output voltage available for sensor powering; moreover, the non-linear nature of the harvesting device enables to do so without direct feedback from the target, using indirect feedback from the second harmonic. Second, a smart around-the-corner motion detector for complex environments is presented, enjoying a co-design of hardware and processing software by using a dynamic metasurface aperture; the latter is essentially a small (but still electrically large) disordered cavity with tunable boundaries that leaks tunable random radiation patterns that couple differently to the environment’s modes. Third, it is shown that objects may be precisely localized in complex environments even if they are non-cooperative by establishing signatures of their location that leverage their scattering contribution; this is demonstrated both with a frequency diverse and a wavefront shaping scheme, and the equivalence of the respective degrees of freedom is established.

L'écoulement d'un fluide au-dessus d'un lit granulaire peut provoquer son érosion lorsque la contrainte exercée dépasse une valeur seuil. La présence d'un obstacle immergé dans l'écoulement induit une perturbation, entraînant une survitesse locale du fluide et une plus grande contrainte. L'érosion est alors localement renforcée, phénomène également appelé affouillement. Dans ce travail, nous étudions expérimentalement cette situation d'érosion complexe à l'échelle du laboratoire. Nous nous intéressons en particulier à la question du seuil d'affouillement, c'est-à-dire la vitesse d'approche du fluide minimale nécessaire à l'apparition de l'érosion au voisinage de l'obstacle. Ce faisant, nous observons que deux motifs d'érosion différents peuvent se développer au voisinage d'un obstacle : si le classique affouillement en fer à cheval au pied de l’obstacle domine aux vitesses d'écoulement élevées, on observe pour des vitesses plus faibles un nouveau motif en aval, que nous appelons affouillement en oreilles de lapin. Les seuils d'apparition de ces deux motifs d'érosion sont mesurés visuellement pour différents grains et obstacles. En complément de ces observations, nous utilisons une technique de relevé topographique par profilométrie laser. Le suivi temporel de la topographie du lit au cours du processus d'affouillement nous permet de caractériser la morphologie des deux types de motifs, et de comprendre la compétition entre leurs dynamiques d'apparition par la mesure des temps caractéristiques de formation. L'affouillement en oreilles de lapin est dans la plupart des cas perturbé dans son développement par la formation plus rapide de l'affouillement en fer à cheval. L'étude de l'écoulement, s'appuyant notamment sur des mesures de vélocimétrie par image de particules (PIV), nous renseigne sur les contraintes exercées par le fluide sur les grains, avec ou sans obstacle. Nous pouvons ainsi expliquer les valeurs de seuil d'apparition mesurées pour les deux motifs d'affouillement, qui sont associés à différentes structures de l'écoulement. / Erosion occurs when a fluid flowing over a granular bed exerts a large enough shear stress. When the fluid encounters an obstacle, the modification of the flow leads to a local over speed, and thus on an increase of the shear stress in the vicinity of the obstacle. As a result, the erosion is locally enhanced and is called scouring. In this work, we investigate this complicated situation experimentally at the laboratory scale. In particular, we address the question of the scouring threshold, i.e., the minimum critical approach velocity of the fluid leading to erosion in the vicinity of the obstacle. We report the existence of two different scouring patterns: the traditional horseshoe scour at the base of the obstacle, which dominates at large flow velocities, and we also highlight another scouring pattern downstream, which is called rabbit ear scour, at moderate speeds. We determine the onset of both erosion patterns visually using different grains and obstacles. Besides, we measure the bed topography over time using a laser profilometer. By monitoring the bed topography during the scouring process, we characterize the morphology of both scouring patterns and rationalize their competitive dynamics by measuring their formation timescale. In most cases, the rabbit ear scour development is inhibited by the faster horseshoe scour growth. The characterization of the flow using Particles Image Velocimetry (PIV), provides information on the shear stress exerted by the fluid flow on the grains, with and without obstacle. We can thus rationalize the threshold values for both scouring patterns, associated with different flow structures.

Pour ce travail, nous utilisons un micromodèle à haute complexité et à structure fixe pour faire une série d’expériences en variant la vitesse d’injection, la qualité de la mousse, les distributions de taille de bulles d’injection, et la méthode d’injection. Nous mettons en œuvre un suivi individuel de bulles pour associer les propriétés d’écoulement aux propriétés de taille de bulles ainsi que les caractéristiques structurelles du milieu poreux. Nous proposons de nouveaux outils pour décrire l’écoulement d’un point de vue global et local de différentes manières. Nous établissons des comportements spécifiques à chaque taille de bulle, en montrant que les bulles des mousses piégées sont plus probables d’être de taille inférieure aux tailles de bulles moyennes, alors que les mousses en mouvement accèdent elles-mêmes à différents chemins d’écoulement selon les tailles de bulles. Les bulles plus volumineuses s’écoulent en majorité dans des chemins préférentiels à haute vitesse, généralement parallèles au gradient de pression, mais les petites bulles sont transportées en supplément à l’intérieur de chemins transversaux liant les chemins préférentiels. Ailleurs, pour nos données nous démontrons l’importance supérieure de la fraction de mousse piégée vis-à-vis de la densité de bulles quant à l’explication microscopique de la viscosité apparente, malgré une contribution des deux. Nous caractérisons structurellement les zones piégées à répétition, comme étant soit des zones à faible coordination de pore, de faible taille de seuil d’entrée, d’orientation de seuil désavantageuse, ou une combinaison de ceux-ci. Les zones à fort écoulement échappent à une caractérisation en termes de paramètres de structure locale et nécessitent une considération de l’information des différents chemins traversant la totalité du modèle. À ce but, afin de décrire les zones à fort écoulement, nous développons un modèle générant des chemins, utilisant une représentation en graphe du milieux poreux, basé sur une décomposition initiale en pores et seuils, qui intègre seulement les notions de taille de seuil et d’orientation de seuil relatif au gradient de pression pour caractériser les chemins. / In this work, we use of a high-complexity micromodel of fixed structure on which we perform a series of experiments with varying injection rates, foam qualities, inlet bubble size distributions and injection methods. We perform individual bubble tracking and associate flow properties with bubble size properties and structural characteristics of the medium. We propose new tools describing the local and global flow in different ways. We establish specific behaviors for different bubble sizes, demonstrating that trapped foams are more likely to have smaller than average bubble sizes, while flowing bubbles also tend to segregate in different flow paths according to bubble size. Larger bubbles tend to flow in high-velocity preferential paths that are generally more aligned with pressure gradient, but smaller bubbles tend to access in supplement transversal paths linking the different preferential paths. Furthermore, for our data we establish the pre-eminence of the trapped foam fraction over bubble density within the microscopic explanation of apparent viscosity, although both contribute to some degree. We structurally characterize consistently trapped zones as areas with either low pore coordination, low entrance throat size, unfavorable throat orientation or a combination thereof. High-flow zones however cannot be characterized in terms of local structural parameters and necessitate integration of complete path information from the entire model. In this regard, in order to capture the high-flow zones, we develop a path-proposing model that makes use of a graph representation of the model, from an initial decomposition into pores and throats, that uses only local throat size and throat orientation relative to pressure gradient to characterize paths.