L’objectif de cette thèse est d’étudier les apports et les limitations de deux méthodes d’origine particulaire, SPH et LBM, dans le cadre de la simulation des écoulements à bouchons dans des conduites. Dans l’industrie pétrolière, ce type d’écoulement, que l’on retrouve par exemple dans les pipelines qui acheminent le pétrole et le gaz jusqu’aux raffineries, est connu pour endommager les installations et pour réduire l’efficacité du transport des fluides. Il est donc important de bien comprendre leur formation. Nous avons donc implémenté ces deux méthodes, ainsi que leurs variantes polyphasiques, et avons mené une campagne de validation et de comparaison afin de sélectionner la méthode la plus adéquate, pour poursuivre ensuite avec des simulations de cas plus appliqués et réalistes. Les contributions présentées se concentrent principalement sur trois axes. Tout d’abord, il a fallu construire les codes de calcul nécéssaires, les valider puis comparer des différentes formulations polyphasiques disponibles pour SPH et LBM. Ensuite, nous avons développé des conditions aux limites d’entrée/sortie adaptées au contexte polyphasique pour être en mesure d’injecter les fluides avec des vitesses imposées et de ler évacuer du domaine avec un pression donnée. Enfin, nous avons simulé différents cas d’écoulements à bouchons académiques avec SPH et LBM, puis sur des cas appliqués avec des géométries réalistes et des ratios de densité et de viscosité de type air/eau avec SPH seulement. / The main objective of this thesis is to study the contributions and limitations of two particle- based methods, SPH and LBM, for the simulation of slug flows in pipes. In the petroleum industry, these flow regimes, found for example during the transportation of oil and gas from reservoirs to refinery facilities through pipelines, are highly undesirable because they are known to damage facilities and to reduce flow efficiency. Therefore, it is important to understand its formation. We have implemented both methods, as well as their multiphase variants, and have led a validation and comparison campaign in order to to select the most suited method and to continue with simulations of more applied and realistic cases. The main contributions of this work can summarized in 3 points. First, we had to write the necessary computation codes, validate them and compare the different multiphase formulations available for SPH and LBM. Then, we have developed inlet/outlet boundary conditions adapted to the multiphase context so that we are able to inject fluids with prescribed velocities and let them exit he domain with a given pressure. Finally, we have simulated different academic test cases of slug flows with SPH and LBM and then on applied cases with realistic geometries and air-water like density and viscosity ratios with SPH only.

Ce travail est consacré à l'étude expérimentale des écoulements diphasiques et triphasiques d'inclusions (bulles, gouttes, sphères) en milieux tant newtoniens que non newtoniens à l'échelle microscopique et mésoscopique, en utilisant la visualisation par une caméra rapide, la vélocimétrie par images des particules (PIV) ainsi que la micro-vélocimétrie par images des particules.<br /><br />Des bulles et des gouttes ont été étudiées expérimentalement depuis leur formation, en passant par leur déformation jusqu'à leur coalescence. La formation de bulles dans des micro-mélangeurs a été étudiée et caractérisée par l'obtention de champs de vitesses. Différents paramètres, tels que le cisaillement, la géométrie de la zone de formation, les débits ou encore les propriétés physiques ont été testés afin de développer des lois d'échelles. <br /><br />La traversée d'une interface liquide-liquide par une inclusion a été abordée par des expériences originales, permettant de décrire la dynamique du phénomène, de définir des nombres adimensionnels et de mettre en évidence des instabilités interfaciales. L'effet Weissenberg a également été étudié aux différentes échelles afin de comprendre les phénomènes conduisant à son amplification.<br /> <br />Enfin, en milieu viscoélastique et rhéofluidifiant, nous avons caractérisé l'écoulement autour d'une inclusion isolée solide par l'obtention de champs de vitesses. Ces résultats ont permis de confirmer l'origine viscoélastique du sillage négatif et de prédire ses caractéristiques.

L'oxydation hydrothermale est une méthode de traitement des effluents industriels aqueux. Elle consiste en une minéralisation totale de la matière organique en présence d'un oxydant dans de l'eau sous pression et sous haute température. Le travail de thèse a pour<br />objectif de construire des outils de simulation permettant le développement et le dimensionnement d'unités industrielles d'oxydation hydrothermale. Le premier chapitre s'est attaché à présenter, les propriétés physicochimiques spécifiques de l'eau supercritique. Puis, un état du marché potentiel de la biomasse, disponible et traitable par le procédé d'oxydation hydrothermale, est décris. Enfin, l'état de l'art des procédés générateurs d'énergie et des<br />travaux traitant de la valorisation de la biomasse par oxydation hydrothermale est dressé. Le second chapitre présente les résultats liés à la valorisation des déchets issus de la biomasse sous forme électrique pour le procédé d'oxydation hydrothermale. Dans ce chapitre, le<br />procédé d'oxydation hydrothermale est décrit, ses contraintes et les résultats d'optimisation<br />sont présentés. Le troisième chapitre est dédié à la modélisation d'un réacteur réservoir polyphasique et à la validation de ce modèle grâce aux résultats expérimentaux obtenus sur le pilote de I.C.M.C.B. L'originalité de ce modèle réside en la prédiction du comportement d'une population de particules dans un réacteur réservoir en conditions supercritiques.

La dispersion de particules solides par explosif et leur inflammation dans l'air, ainsi que des effets de souffle générés sur le milieu connexe ont été étudiés par voie expérimentale et numérique. La configuration retenue est l'explosion en champ libre de charges sphériques, constituées d'un noyau central d'explosif solide (booster), entouré de particules inertes (billes de verre) ou réactives (particules d'aluminium). Les diagrammes de marche sont tracés à partir des résultats fournis par des capteurs de pression piezo-électriques et des images obtenues par cinématographie rapide et traitées numériquement par méthode de "Background Oriented Schlieren" (BOS). Des échantillons de particules capturés dans le nuage fournissent des informations sur leur état après l'explosion. Les résultats expérimentaux sont confrontés aux simulations numériques effectuées à l'aide du code de calcul d'écoulements réactifs multiphasiques EFAE du LCD. La frontière du nuage formé présente un aspect caractéristique en forme de dendrites, due à la formation d'agglomérats de particules de quelques millimètres. Après 1m de propagation, une partie de ces agglomérats dépasse le choc incident par effet balistique. Les particules de verre sont brisées par le choc. Elles ralentissent l'onde de souffle et diminuent son amplitude. L'effet des particules d'aluminium dépend de leur taille : avec les plus fines, on observe, après une phase initiale de ralentissement de l'onde de souffle, la ré-accélération de celleci et une augmentation de l'impulsion de pression. Avec les plus grosses particules, le choc s'atténue, mais leur combustion se traduit par une augmentation de la pression dans l'écoulement en arrière du front et un faible accroissement de l'impulsion. Les agglomérats recueillis indiquent que, dans tous les cas, la combustion de l'aluminium est incomplète. Les simulations numériques sont en accord raisonnable avec les résultats expérimentaux dans le champ lointain.

Ce travail est consacré à l'étude expérimentale des écoulements diphasiques et triphasiques d'inclusions (bulles, gouttes, sphères) en milieux tant newtoniens que non newtoniens à l'échelle microscopique et mésoscopique, en utilisant la visualisation par une caméra rapide, la vélocimétrie par images des particules (PIV) ainsi que la micro-vélocimétrie par images des particules. Des bulles et des gouttes ont été étudiées expérimentalement depuis leur formation, en passant par leur déformation jusqu'à leur coalescence. La formation de bulles dans des micro-mélangeurs a été étudiée et caractérisée par l'obtention de champs de vitesses. Différents paramètres, tels que le cisaillement, la géométrie de la zone de formation, les débits ou encore les propriétés physiques ont été testés afin de développer des lois d'échelles. La traversée d'une interface liquide-liquide par une inclusion a été abordée par des expériences originales, permettant de décrire la dynamique du phénomène, de définir des nombres adimensionnels et de mettre en évidence des instabilités interfaciales. L'effet Weissenberg a également été étudié aux différentes échelles afin de comprendre les phénomènes conduisant à son amplification. Enfin, en milieu viscoélastique et rhéofluidifiant, nous avons caractérisé l'écoulement autour d'une inclusion isolée solide par l'obtention de champs de vitesses. Ces résultats ont permis de confirmer l'origine viscoélastique du sillage négatif et de prédire ses caractéristiques / The present work was devoted to the experimental study of the multiphase flow around inclusions in both Newtonian and non-Newtonian media at respectively microscopic and mesoscopic scales, by means of the Particle Image Velocimetry (both PIV and µ-PIV) and fast camera visualization. Bubbles and drops were experimentally studied starting from their formation, the rising and up to their coalescence and fragmentation. Bubble formation in micro-mixers was also investigated and characterized by measuring the liquid velocity fields. Different parameters, such as the shear rate, the geometry of the micro-mixer, the flow rates or the physical properties were tested to develop correlations of power-law kind. The deformation of a liquid-liquid interface due to the passage of an inclusion was investigated by original experiments in order to observe and describe the dynamics of the phenomenon, to define the reliable dimensionless numbers and also to highlight several interfacial instabilities. The Weissenberg effect was also studied at different scales in various non-Newtonian fluids in comparison with Newtonian fluids to understand the amplification phenomena under the combining effects of instability and normal forces. Finally, the flow around an isolated solid inclusion was characterized by performing the measurements of velocity fields in viscoelastic and shear-thinning fluids. These results were used to confirm the viscoelastic origin of the negative wake behind the solid sphere and to model its characteristics

Ce manuscrit s'intéresse au devenir de contaminants organiques dans le sol, et plus précisément celui des composés organo-halogénés volatils (COHV).Il propose des outils d'aide à la décision en utilisant la modélisation numérique appliquée à des problématiques environnementales portant sur le traitement de sites et sols pollués par des COHV. Il présente, à ma connaissance, la première modélisation numérique en 3D, grâce au simulateur TMVOC, d'une technique de dépollution physique, à savoir le pompage réussi au sein d'un aquifère d'un liquide en phase non-aqueuse plus dense que l'eau ou Dense Non-Aqueous Phase Liquid (DNAPL). Les très bons résultats de cette simulation permettent d’envisager l’optimisation d’un système de pompage asservi pour dépolluer un site contaminé aux COHV. Cette thèse s'intéresse aussi à une méthode de d'évaluation, à la fois qualitative et quantitative, de l'efficacité du pompage : un test de traçage utilisant des traceurs bisolubles à coefficients de partage variables (partitioning interwell tracer test – PITT). Ce PITT permet de connaître à la fois la répartition spatiale, au sein d’un aquifère, d’une bulle de DNAPL et aussi d’en évaluer sa saturation et donc son volume. Ce manuscrit met à disposition des outils élaborés et adaptés au traitement d'un DNAPL dans un aquifère. La combinaison des deux techniques présentées, à savoir la modélisation d'un pompage de DNAPL et un PITT, sont parfaitement reproductibles dans des environnements similaires et à l'échelle industrielle. Enfin, ces méthodes permettent de réduire considérablement les coûts de caractérisation (PITT) et d'exploitation par l'optimisation de systèmes de pompage / This manuscript deals with the fate of organic contaminants in soil, more precisely of volatile organo-chlorinated compounds (VOHC) and offers some decision making techniques and tools using numerical modelling applied to environmental issues about the treatment of soils contaminated by VOHC. It presents, to the best knowledge of the auhor, the first 3D numerical modelling, with the simulator TMVOC, of a physical treatment technique, namely the successful pumping within an aquifer, of a Dense Non-Aqueous Phase Liquid (DNAPL). The very good results of this simulation give the opportunity to design a controlled and automated pumping system to remediate a polluted site. This thesis also deols with a tracer test assessment method, both qualitative and quantitative, for the efficiency of this pumping : a partitioning interwell tracer test (PITT). The PITT allows us to determine the spatial repartion of the DNAPL and also to assess its saturation, hence its volume. This manuscript offers elaborated tools adapted to the remediation of a DNAPL in an aquifer. The combination of these two techniques, namely the DNAPL pumping and the PITT, are perfectly reproducible in similar environments up to an industrial scale. Finally, exploitation and characterisation costs for DNAPL remediation can be extremely reduced by numerical modelling and optimisation

Certains champignons, notamment des Ascomycètes, peuvent synthétiser des métabolites secondaires toxiques pour les hommes et les vertébrés, appelés mycotoxines. Étant donné que la présence de ces champignons dans les aliments de base constitue un risque potentiel pour la santé humaine et animale, les aliments de base sont éliminés lorsqu'ils sont contaminés. La section Flavi est un des groupes de champignons les plus importants du point de vue économique et sanitaire car il comprend des espèces productrices de mycotoxines. Parmi les mycotoxines produites par ce groupe se trouvent les aflatoxines (AF), considérées comme une préoccupation majeure en raison de leurs effets délétères chez les vertébrés. Les espèces de la section Flavi se développent principalement dans les régions tropicales et subtropicales car elles bénéficient de conditions environnementales optimales. De plus, les conditions de récolte et de stockage sont souvent inappropriées, favorisant ainsi leur développement. Dans les régions tempérées, ces espèces se rencontrent moins fréquemment. Cependant, le réchauffement climatique pourrait favoriser leur colonisation. L'identification des espèces d'Aspergillus de la section Flavi est un défi, en raison de l'inter- et intra-variabilité des caractères. Par conséquent, l'utilisation d'une seule méthode d'identification (caractérisation morphologique, moléculaire ou du profil des métabolites secondaires) est insuffisante. Inversement, le développement d'outils moléculaires a facilité la tâche. Le but de notre étude était de déterminer les relations entre les espèces d'Aspergillus de la section Flavi à partir de différents marqueurs moléculaires (ITS, benA, cmdA, amdS, préA, perB, ppgA, aflP, gènes Mat1), puis d'identifier ceux qui permettent une classification des espèces par inférence phylogénétique. L'utilisation de l'inférence phylogénétique dans cette étude a montré qu'il s'agit d'une approche robuste pour identifier les espèces d'Aspergillus de la section Flavi, notamment en confirmant certaines hypothèses déjà proposées pour les espèces de la section Flavi. En effet, l'ajout de marqueurs moléculaires a permis de confirmer le placement phylogénétique des espèces dans la section Flavi. De plus, une nouvelle espèce cryptique a pu être décrite : Aspergillus korhogoensis (appartenant au clade A. flavus). Notre étude a également pu mettre en évidence que les marqueurs moléculaires sélectionnés (benA, cmdA, mcm7, rpb1, preB, preA et ppgA) sont de bons candidats pour l'étude d'autres sections d'Aspergillus. L'utilisation de l'inférence phylogénétique est une méthode élégante permettant d'identifier de façon précise les espèces. Sur la base de nos résultats, il est recommandé d'utiliser des matrices concaténées pour effectuer une inférence phylogénétique dans cette section, et la meilleure combinaison inclut les gènes benA, cmdA, et l'inclusion d'un autre gène : mcm7, rpb1, preB, preA ou ppgA. A l'inverse, l'utilisation du gène ITS chez Aspergillus peut conduire à une sous-estimation de la diversité car le gène est très fortement conservé. L'étude des gènes du loci Mat1 dans la section est utile pour accroître les connaissances sur la reproduction sexuée chez les ascomycètes. De plus, plusieurs fonctions de la machinerie biologique fongique sont liées aux gènes du loci Mat1. La caractérisation du profil métabolique secondaire chez les souches d'Aspergillus de la section Flavi doit être utilisée, non seulement comme outil d'identification, mais également pour discriminer les souches toxinogènes et atoxinogènes. La section Flavi renferme des espèces capables de produire à la fois de mycotoxines et de composés bénéfiques. Parmi les mycotoxines qui devraient faire l'objet d'une attention particulière figurent les AF, l'acide cyclopiazonique, les versicolorines a et b, la stérigmatocystine. Une étude plus approfondie du métabolisme secondaire sera également utile pour la recherche de nouveaux composés bénéfiques. / Some fungi, mostly Ascomycota, are able to synthesize secondary metabolites that are toxic to humans and vertebrates, called mycotoxins. Since the presence of these fungi in staples represents a potential risk to human and livestock health, staples are eliminated when they are contaminated. The section Flavi is one most important group of fungi from an economic and public health point of view because it comprises several mycotoxin producer species. Amongst the mycotoxins produced by this group are aflatoxins (AFs), considered a main concern because of their deleterious effects on humans and vertebrates. Species from section Flavi grow mainly in tropical and subtropical regions where environmental conditions are optimal, and harvest and storage conditions are not always appropriate to avoid production of mycotoxins, which enhance their growth. In temperate regions, these species are less frequent; however, climate changes can favor their colonization. Species identification in Aspergillus section Flavi is challenging because of inter- and intra- variability of traits. Therefore, the use of one identification method (morphological, molecular or secondary metabolite profile characterization) is futile. Conversely, the development of molecular tools has facilitated the task. The aim of this study was to screen the species relationships in Aspergillus section Flavi based on different molecular markers (ITS, benA, cmdA, amdS, preA, preB, ppgA, aflP, Mat1 genes), and subsequently identify which ones allow a fine species classification in the section Flavi by phylogenetic inference. The use of phylogenetic inference in the present study showed that it is a robust approach to identify Aspergillus section Flavi species. The use of this technique confirmed some of the hypotheses proposed in the Flavi section, since more genetic information was added, thus strengthening the placement of the species in the Flavi section. In addition, we described a new cryptic species in this section Aspergillus korhogoensis that is nested in A. flavus clade as the sister taxon of A. parvisclerotigenus. Likewise, the molecular markers (benA, cmdA, mcm7, rpb1, preB, preA or ppgA) were good candidates for studying other sections in Aspergillus. The use of phylogenetic inference is a good method for fine-scale species identification; however, it should be used carefully, and the morphological approach and characterization of secondary metabolites should also be carried out. Based on our results, concatenated matrices are recommended to perform phylogenetic inference in this section, and the best combination includes benA, cmdA, and the inclusion of at least one another gene (preB, mcm7, rpb1, preA or ppgA). Conversely, the use of ITS in Aspergillus may lead to an underestimation of the diversity because the gene is highly conserved. Studying mating type MAT1 loci in the section is helpful to increase the knowledge of sexual reproduction in ascomycetes. In addition, several functions of fungal biological machinery are linked to Mat1 loci genes. Secondary metabolic profile characterization of Aspergillus section Flavi strains should be performed, not only as an identification tool, but also to discriminate toxinogenic and atoxinogenic strains. Section Flavi encloses species able to produce a mixture of mycotoxins and beneficial compounds. Amongst mycotoxins that should be screened are AFs, cyclopiazonic acid, A and B versicolorin, sterigmatocystin, tenuazonic acid. An exhaustive study of the secondary metabolism can also be useful to investigate novel beneficial products.

L'étude des sols non saturés, et plus généralement des milieux granulaires multiphasiques, a été principalement traitée dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Le comportement de ces matériaux trouvant ses origines à l'échelle des particules, nous en proposons une analyse micromécanique, basée sur des simulations numériques utilisant la Méthode des Eléments Discrets. Pour les faibles teneurs en eau, l'eau se concentre sous la forme de ponts liquides intergranulaires dont les propriétés en terme de force et de volume de liquide peuvent être interprétées à travers la théorie de la capillarité. En partant de la description des effets microscopiques de la capillarité, un modèle discret tridimensionnel a été développé. Les propriétés macroscopiques des milieux granulaires faiblement saturés sont ainsi investiguées, aussi bien en terme de rétention d'eau, que de résistance au cisaillement, au travers d'essais réalisés sur des assemblages de grains numériques. En complément d'analyse, les techniques de l'homogénéisation sont mises en oeuvre. Les analyses permettent de mettre en évidence l'importance de la distribution du liquide au sein du milieu, ainsi que le caractère tensoriel des contraintes mécaniques associées aux forces capillaires. La texture du liquide est étudiée, et l'existence d'une contrainte effective est discutée sur des bases microstructurelles. Finalement, une approche est proposée pour simuler l'effondrement au remouillage, caractéristique de la transition d'un état partiellement saturé à un état complètement saturé.

Les réseaux de neurones artificiels (RNA) suscitent toujours un vif intérêt dans la plupart des domaines d’ingénierie non seulement pour leur attirante « capacité d’apprentissage » mais aussi pour leur flexibilité et leur bonne performance, par rapport aux approches classiques. Les RNA sont capables «d’approximer» des relations complexes et non linéaires entre un vecteur de variables d’entrées x et une sortie y. Dans le contexte des réacteurs multiphasiques le potentiel des RNA est élevé car la modélisation via la résolution des équations d’écoulement est presque impossible pour les systèmes gaz-liquide-solide. L’utilisation des RNA dans les approches de régression et de classification rencontre cependant certaines difficultés. Un premier problème, général à tous les types de modélisation empirique, est celui de la sélection des variables explicatives qui consiste à décider quel sous-ensemble xs ⊂ x des variables indépendantes doit être retenu pour former les entrées du modèle. Les autres difficultés à surmonter, plus spécifiques aux RNA, sont : le sur-apprentissage, l’ambiguïté dans l’identification de l’architecture et des paramètres des RNA et le manque de compréhension phénoménologique du modèle résultant. Ce travail se concentre principalement sur trois problématiques dans l’utilisation des RNA: i) la sélection des variables, ii) l’utilisation de la connaissance apriori, et iii) le design du modèle. La sélection des variables, dans le contexte de la régression avec des groupes adimensionnels, a été menée avec les algorithmes génétiques. Dans le contexte de la classification, cette sélection a été faite avec des méthodes séquentielles. Les types de connaissance a priori que nous avons insérés dans le processus de construction des RNA sont : i) la monotonie et la concavité pour la régression, ii) la connectivité des classes et des coûts non égaux associés aux différentes erreurs, pour la classification. Les méthodologies développées dans ce travail ont permis de construire plusieurs modèles neuronaux fiables pour les prédictions de la rétention liquide et de la perte de charge dans les colonnes garnies à contre-courant ainsi que pour la prédiction des régimes d’écoulement dans les colonnes garnies à co-courant. / Artificial neural networks (ANN) have recently gained enormous popularity in many engineering fields, not only for their appealing “learning ability, ” but also for their versatility and superior performance with respect to classical approaches. Without supposing a particular equational form, ANNs mimic complex nonlinear relationships that might exist between an input feature vector x and a dependent (output) variable y. In the context of multiphase reactors the potential of neural networks is high as the modeling by resolution of first principle equations to forecast sought key hydrodynamics and transfer characteristics is intractable. The general-purpose applicability of neural networks in regression and classification, however, poses some subsidiary difficulties that can make their use inappropriate for certain modeling problems. Some of these problems are general to any empirical modeling technique, including the feature selection step, in which one has to decide which subset xs ⊂ x should constitute the inputs (regressors) of the model. Other weaknesses specific to the neural networks are overfitting, model design ambiguity (architecture and parameters identification), and the lack of interpretability of resulting models. This work addresses three issues in the application of neural networks: i) feature selection ii) prior knowledge matching within the models (to answer to some extent the overfitting and interpretability issues), and iii) the model design. Feature selection was conducted with genetic algorithms (yet another companion from artificial intelligence area), which allowed identification of good combinations of dimensionless inputs to use in regression ANNs, or with sequential methods in a classification context. The type of a priori knowledge we wanted the resulting ANN models to match was the monotonicity and/or concavity in regression or class connectivity and different misclassification costs in classification. Even the purpose of the study was rather methodological; some resulting ANN models might be considered contributions per se. These models-- direct proofs for the underlying methodologies-- are useful for predicting liquid hold-up and pressure drop in counter-current packed beds and flow regime type in trickle beds.

L'extraction et le traitement des combustibles fossiles off-shore s’intéressent aux problèmes liés aux écoulements multiphasiques inclinés. Dans ce projet, les effets de l'inclinaison du lit sur le comportement hydrodynamique des phases gaz et liquide écoulant à cocourant ascendant, ont été étudiés expérimentalement. La technique de la tomographie à capacitance électrique (ECT) a été mise en place pour observer les comportements locaux de la distribution axiale de la rétention en liquide. À l’aide de l’ECT, les coupes transversales de la saturation moyenne de liquide, les pertes de charge globale à travers le lit et la ségrégation gaz-liquide ont été mesurées ainsi que l'effet des conditions d'exploitation sur le profil axial de saturation de liquide. Les résultats indiquent que l'inclinaison du lit crée un court-circuit pour la phase gaz le long de la paroi supérieure où il peut s'écouler d'une manière séparée. Mots-clés: Hydrodynamique; colonne inclinée; saturation de liquide; tomographie à capacitance électrique (ECT).