Les travaux réalisés durant la thèse s'inscrivent dans une problématique scientifique liée à l'étude des transferts radiatifs. Plus particulièrement, l'application de cette étude est la télédétection infrarouge d'un écoulement diphasique réactif et turbulent à haute température. Cette étude a pour objectif la modélisation et la simulation du rayonnement infrarouge émis par cet écoulement et re¸cu par un détecteur. Pour développer un outil de simulation numérique de la signature infrarouge d'un jet de gaz et de particules à haute température, les espèces majoritaires qui sont responsables de l'émission du rayonnement ont été identifiées lors d'expérimentations. Les campagnes expérimentales ont permis la construction de bases de données concernant les gaz (CO2-CO-H2O) et les particules (oxydes métalliques) présents dans le jet. Connaissant la nature des gaz et des particules, le calcul de leurs propriétés radiatives doit être réalisé. Cette étape est nécessaire puisque ces propriétés caractérisent l'émission de rayonnement par le jet et elles doivent être connues pour résoudre l'équation de transfert radiatif. Pour les gaz, un code de calcul raie par raie de spectres synthétiques a été développé. De plus, pour diminuer le temps de calcul d'une signature infrarouge, il est préférable d'utiliser des modèles spectraux de bandes étroites. Le modèle de télédétection infrarouge est un modèle spectral utilisant des k(coefficient d'absorption)-distributions sous l'hypothèse des k-corrélés avec l'approximation d'un gaz unique pour le mélange associée à l'hypothèse des gaz fictifs. Les paramètres de ce modèle (CKFG-SMG), ont été tabulés et validés dans l'étude. En ce qui concerne les propriétés radiatives des nuages de particules sphériques, le modèle de Mie est utilisé car il est valable pour les gammes de fractions volumiques rencontrées. Pour tester l'influence de la diffusion, une étude de sensibilité à la diffusion a été réalisée. En effet, nous avons quantifié l'erreur commise sur le flux émis par différentes couches si les processus de diffusion du rayonnement sont négligés. Cette étude a montré que l'influence de la diffusion peut être négligée dans le cadre de notre étude. La modélisation de la signature infrarouge du jet diphasique réactif issu de la combustion du matériau pyrotechnique, nécessite la connaissance des températures et des concentrations en gaz et particules, en tous les points du jet. Ce jet diphasique réactif a été simulé à l'aide du logiciel Fluent. De plus, une interface graphique a été développée qui recrée la scène optronique en se servant des profils aérothermochimiques du jet diphasique et des données concernant la position du détecteur. De cette fa¸con, un outil de simulation numérique de la signature infrarouge du jet (SIRJET) a été développé qui inclue un modèle de transfert radiatif (lancer de rayon) ainsi que les paramètres tabulés (gaz et particules) du modèle spectral de télédétection infrarouge (CK, CKFG, CK-SMG, CKFG-SMG). Enfin, une confrontation est présentée entre une mesure et le résultat d'une simulation de la signature infrarouge d'un jet diphasique à haute température.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La réalisation de céramiques transparentes de type Er:YAG pour application laser nécessite une transparence parfaite ce qui implique une grande qualité de la poudre utilisée et une parfaite maîtrise des procédés de fabrication. Afin d’obtenir une céramique transparente, la première partie de cette thèse a consisté à corriger le principal défaut de deux poudres de YAG expérimentales. Dans la première poudre, un taux de soufre élevé a été mesuré et l’objectif a été d’éliminer cette impureté par des traitements chimiques et thermiques, tout en gardant les caractéristiques structurales et granulométriques de la poudre de départ. La seconde poudre présentait un déficit en yttrium et le but a été de corriger ce déséquilibre par l’ajout d’yttrine. Dans un deuxième temps, afin de s’affranchir des problèmes de non-reproductibilité de la qualité des poudres commerciales de YAG, la possibilité d’obtenir des céramiques transparentes YAG par frittage réactif à partir de poudres d’alumine et d’yttrine a été étudiée. Lors de cette étude, le mélange, la stoechiométrie, la compaction, la densification et les transformations de phase ont été suivis dans le but de réaliser une carte de frittage de ce mélange. La dernière étude concerne l’obtention de céramiques transparentes à gradient de dopage suivant trois approches ayant pour point commun l’emploi de la technique de frittage SPS. La première a consisté en l’assemblage de céramiques déjà totalement densifiées, la deuxième, de céramiques pré-frittées et enfin, la dernière, d’un empilement de lits de poudres. Les mesures de diffusion des ions Erbium à travers l’interface ont permis de comparer ces différentes approches. / The realization of transparent Er:YAG ceramics for laser application requires a perfect transparency that implies a high quality of the used powder and a perfect control of the manufacturing processes. However, the quality of the starting powder is sometimes insufficient and its characteristics are not suitable in terms of stoichiometry, impurities or particle morphology. In this case, a pre-treatment of the powder and the use of sintering aids are necessary to obtain transparency. In order to prepare transparent ceramics, the first part of this work consisted in correcting the main defects of two experimental YAG powders. In the first powder, a high level of sulfur was measured and the objective was to eliminate this impurity by chemical and thermal treatments, while keeping the structural characteristics and particle size of the starting powder. In the second powder, the measured stoichiometry showed an yttrium deficiency of 5.3 mol% and the purpose was to correct the Y/Al ratio by addition of yttria. In a second part, in order to overcome the problems of non-reproducibility of the quality of YAG commercial powders, the possibility of obtaining YAG transparent ceramics by reactive sintering from alumina and yttria powders was investigated. The last part of this study concerned the development of transparent ceramics with doping gradients by three approaches having in common the use of SPS sintering. The first involved the assembly of fully dense ceramics; the second, pre-sintered ceramics and finally, the last approach a stack of powder layers. The measurement of Erbium ion diffusion through the interface made it possible to compare these different approaches.

Nous étudions dans ce travail la modélisation de la cristallisation d'une chambre magmatique fermée. Le modèle physique et mathématique couple trois phénomènes élémentaires : solidification, sédimentation et réactions chimiques entre solide et liquide magmatique. L'adimensionnement des équations aux dérivées partielles permet de faire apparaître deux paramètres exprimant les ratios respectifs de la vitesse de solidification sur la vitesse de déplacement et de la cinétique d'échange chimique sur la vitesse de déplacement. La vitesse de déplacement relatif entre le solide et le liquide, la vitesse de solidification et la loi de partage à l'équilibre sont supposées connues ; la loi d'équilibre chimique peut être non linéaire et s'appliquer aux éléments majeurs. Le modèle est écrit pour un constituant chimique. Il est scindé en deux sous modèles, celui de la cristallisation/sédimentation et celui du transport réactif. Le premier est exprimé par une équation de nature hyperbolique et est résolu par un schéma à trois points, le second est résolu par des schémas décentrés. Le code de calcul est écrit en langage Fortran 90, il est ensuite validé par des méthodes théoriques telles que la méthode des courbes caractéristiques, par des calculs analytiques ou par des considérations qualitatives. Les simulations numériques montrent que, pour certaines valeurs des paramètres adimensionnés et pour certaines formes de la loi d'équilibre chimique, la composition chimique de la chambre peut présenter une répartition non uniforme des compositions, en particulier bimodale (deux valeurs des concentrations sont privilégiées), à partir de conditions initiales homogènes. Le degré de cette bimodalité dépend notamment de la forme de la loi de partage à l'équilibre. Ce modèle fournit un cadre intellectuel pour discuter les phénomènes responsables de la variété de compositions des roches magmatiques, notamment dans une même province. Il montre en particulier que le couplage entre trois phénomènes élémentaires suffit à rendre compte de la bimodalité ou plus généralement de l'apparition de discontinuités de composition, sans faire intervenir de phénomène additionnel.

Dans cette étude, nous avons réalisé des matériaux nanostructurés à partir de copolymères méthacryliques greffés par du polyamide 6. Le greffage s'effectue par mélangeage réactif en faisant réagir la terminaison amine du polyamide sur des fonctions réactives du squelette méthacrylique. En étudiant différentes architectures de squelette, nous avons remarqué que la distribution des sites réactifs jouait un rôle important. Dans le but de comprendre cet effet sur la structuration et les propriétés mécaniques de ces matériaux, nous avons synthétisé des copolymères modèles de méthacrylate de butyle par polymérisation radicalaire contrôlée (méthode ATRP). Pour bien contrôler l'architecture de ces copolymères, nous avons développé un système de suivi de la polymérisation, par spectroscopie en proche infrarouge, nous permettant de connaître en temps réel la longueur des chaînes formées. Nous avons ainsi obtenu une variété de copolymères bien contrôlés (masses molaires voisines, polymolécularités faibles) dont les sites réactifs (acide méthacrylique) sont répartis statistiquement sur toute la chaîne (architecture monobloc), sur une partie de la chaîne (dibloc) ou sur les deux extrémités de la chaîne (tribloc). Le greffage du polyamide sur ces squelettes a ensuite été réalisé à l'état fondu en extrudeuse, et nous avons étudié la structuration par microscopie électronique (TEM), les propriétés mécaniques par analyse dynamique (DMA), la cristallisation par analyse enthalpique différentielle (DSC) ainsi que la résistance aux solvants de ces matériaux. Tout d'abord, l'efficacité de greffage du polyamide sur les squelettes méthacryliques est très élevée (jusqu'à 90%) et augmente avec la densité de sites réactifs. Ensuite, la distribution des sites réactifs, donc des greffons polyamide, influence fortement la structuration des mélanges et leurs propriétés. Nous avons pu définir le type de squelette à utiliser pour obtenir une morphologie donnée. Finalement, les résultats de cette étude ont été utilisés pour réaliser des matériaux nanostructurés à partir de squelettes triblocs élastomériques PMMA-b-PABu-b-PMMA et PS-b-PABu-b-PS. Nous avons ainsi obtenu des élastomères thermoplastiques hautes performances transparents, résistants aux solvants et avec une tenue mécanique dépassant les 200°C.

La connaissance des réservoirs géologiques et de leur évolution est cruciale pour toutes les applications les mettant en jeu (prospection/extraction de pétrole ou de gaz, stockage de gaz ou de déchets, réhabilitation de sites industriels, dépollution des sols et des nappes phréatiques). La complexité des phénomènes couplés de réaction chimique et transport, la non-linéarité des équations en découlant et la diversité des échelles d'observation (en espace et en temps) amènent à avoir recours à la modélisation. Lors des injections de gaz acides dans des structures géologiques potentiellement capables de les stocker, les minéraux présents primaires) les plus réactifs se dissolvent, du fait de l'acidification de l'eau en place. En conséquence, le fluide se charge en éléments issus de ces réactions jusqu'à atteindre un état de sursaturation par rapport à d'autres minéraux primaires, mais aussi par rapport à des minéraux jusque là absents de l'assemblage (secondaires) qui peut les amener à précipiter. Dans ces configurations, la justesse des prédictions du comportement du système, qui permettent de s'assurer de la pérennité du stockage du gaz et de se prémunir contre les risques mécaniques éventuels, va dépendre de l'aptitude du programme à bien choisir les solides qui précipitent et à connaître précisément à la fois les cinétiques de croissance des minéraux primaires et les cinétiques de formation des minéraux secondaires.<br />Dans le code ARCHIMEDE (développé à l'E.N.S.M-S.E, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, en collaboration avec l'I.F.P, Institut Français du Pétrole), seule la partie géochimie est concernée. Outre quelques difficultés qui empêchaient de traiter les variations de volume occasionnées par les réactions et que nous nous sommes efforcés de résoudre en reprenant l'ensemble du programme, l'objectif principal de ce travail de thèse a été la conception et l'implémentation d'un modèle de germination/mûrissement/croissance pour les minéraux secondaires.<br />Notre démarche a consisté à analyser précisément l'apparition de nouveaux minéraux dans des assemblages naturels d'où ils sont absents initialement. Quelques simulations numériques ont permis de montrer les limites inhérentes à la représentation, inadaptée, de la précipitation de ce genre de minéraux par croissance cristalline. La mise en avant de ces faiblesses a défini alors le cadre pour un nouveau modèle de précipitation propre aux minéraux secondaires. Une étude détaillée de la phase de germination, à savoir l'apparition des premiers cristaux d'un minéral, a conduit à la construction d'un modèle pour sa cinétique. Par suite, la mise en compétition du processus de germination avec celui de croissance, destiné à prendre plus tard le relais de la production de volume du nouveau solide, a nécessité la prise en charge de cristaux de tailles variées et le recours au mûrissement d'Ostwald, via un calcul parallèle. Il en a résulté un algorithme élaboré pour gérer, pour chaque minéral secondaire, la phase initiale de germination/mûrissement et ensuite le passage à la phase de croissance cristalline. La sensibilité de ce nouveau modèle complet de germination/mûrissement/croissance vis-à-vis des différents paramètres qui le composent a pu être analysée moyennant de nouvelles simulations numériques. Son comportement, en terme d'acuité des prédictions, a également pu être mis à l'épreuve et finalement jugé satisfaisant.

La principale difficulté pour l'intégration de la biodégradation des éthènes chlorés dans la gestion des aquifères pollués reéls réside actuellement dans la disponibilité d'outils de quantification adaptés. Un modèle de transport réactif simplifié est développé pour évaluer la biodégradation des éthènes chlorés et sa pérennité grâce à la prise en compte du rôle majeur de la dynamique de l'environnement redox. Pour cela, il simule les contaminations organiques dans leur intégralité (les éthènes chlorés, mais aussi les composés organiques susceptibles d'influer significativement sur le milieu redox), et reste compatible avec le degré de reconnaissance d'un site réel grâce à l'introduction de variables globalisées adaptées. Le cas d'application, sur le site de Sermaise (Essonne, France), montre le caractère opérationnel du modèle et les apports concrets obtenus en matières de compréhension des phénomènes sur le site et d'aide à la décision.

Dans cette thèse, notre objectif est de présenter une nouvelle approche de résolution pour des problèmes d'ordonnancement de type job-shop. Les problèmes traités sont de grande taille, ce qui, du fait de la complexité du problème, ne permet d'envisager que l'utilisation d'heuristiques. Cette approche propose une alternative aux algorithmes basés sur des règles de priorité, généralement utilisés. Le principe de l'approche est de construire une succession d'ordonnancements partiels, en agrégeant les jobs les uns après les autres. L'agrégation consiste à insérer toutes les opérations du job à agréger sans changer l'ordre des opérations dans l'ordonnancement partiel précédent. Dans un premier temps, des méthodes issues de l'approche sont proposées pour résoudre le problème classique du job-shop. Ensuite, ces méthodes sont étendues pour traiter des problèmes de job-shop généralisé, ou l'affectation des opérations aux machines n'est pas fixée au départ. Pour finir, des problèmes de job-shop dynamiques et réactifs sont abordés. Dans ceux-ci, l'arrivée aléatoire de jobs et l'arrêt de machines sont pris en compte. Les méthodes agrégatives sont particulièrement bien adaptées à la résolution de ce type de problème.

Cette thèse est dédiée à la modélisation des réacteurs plasmas utilisant des décharges électriques de type couronne pour la décontamination des gaz. Ces réacteurs ont notamment la possibilité de traiter les agents polluants lorsqu'ils sont présents en très faible concentration (quelques centaines de ppm) dans un mélange gazeux. Cependant, chaque traitement demande des paramétrages spécifiques du réacteur qui est le plus souvent étudié en " boîte-noire " c'est-à-dire en bilan énergétique moyen et en taux de conversion entrée-sortie. En effet, les phénomènes in situ à l'origine de la transformation des polluants sont très localisés et fortement instationnaires. Ils sont donc quasiment inaccessibles à la mesure expérimentale. Ainsi, le but de cette thèse est la mise au point d'une simulation performante, capable d'expliquer les processus réactifs, énergétiques et hydrodynamiques qui prennent naissance dans les canaux filamentaires des décharges et qui s'étendent progressivement à l'ensemble du volume du réacteur. Ce type de modélisation permettra à l'avenir d'aider au design des réacteurs et de minimiser leurs coûts de développement. La thèse est découpée en 5 chapitres principaux en plus de l'introduction et de la conclusion générale. Le premier chapitre décrit les principales caractéristiques des décharges couronne de type streamer à la pression atmosphérique ainsi que l'ensemble des phénomènes énergétiques, hydrodynamiques et cinétiques qui sont activés par leur passage. Le second chapitre présente les équations des modèles de la décharge et de l'écoulement réactif. Ce dernier est modélisé par les équations fluides d'un mélange réactif couplé avec l'équation de conservation de l'énergie des états vibrationnels. Un état de l'art de la modélisation des réacteurs corona est présenté suivi de la description du logiciel FLUENT choisi pour résoudre le système d'équations du modèle développé. Le chapitre 3 est dédié à la validation du modèle et des couplages décharge-gaz dans une configuration géométrique 2D. Les conditions de simulation sont celles d'une configuration expérimentale d'un réacteur mono-pointe plan développé dans le groupe et fonctionnant avec de l'air synthétique dans les conditions ambiantes de température et de pression. Les termes sources permettant de prendre en compte le passage périodique des décharges sont estimés à partir d'une simulation validée du développement des primary et secondary streamers. La simulation de l'écoulement prend en compte 10 espèces chimiques (dont les états métastables de la molécule d'azote et d'oxygène) réagissant selon 23 réactions. Les résultats ont permis de valider la procédure d'intégration des termes sources et de suivre en détail les variations de la température du gaz et des espèces chimiques en fonction du type d'écoulement (laminaire ou turbulent), de son orientation et du nombre de décharge traversant le gaz. Le chapitre 4 concerne la simulation 2D d'un réacteur multi-pointes-plan (jusqu'à 10 pointes) sur des durées allant jusqu'à 10ms avec une fréquence de répétition des décharges de 10kHz. Les simulations réalisées permettent de suivre et d'expliquer en détail la formation d'ozone puis la transformation d'un polluant test (de l'oxyde d'azote NO) en fonction du nombre de pointes en activité et des propriétés de l'écoulement. Enfin, le dernier chapitre montre les premiers résultats obtenus en 3D dans un cas mono-pointe et multi-pointe-plan.

L'objectif de ce travail est de déterminer les paramètres opératoires du procédé de rechargement brasage-diffusion en vue de réparer ou de recharger des pièces massives en alliages intermétalliques gamma-TiAl. Ces alliages intermétalliques à base de TiAl présentent une faible densité et constituent une nouvelle classe de matériaux structuraux qui allie à température élevée résistance et ductilité. Le rechargement brasage-diffusion (RBD) est un procédé tout désigné pour la réparation de fissures, de criques, mais aussi pour la reconstruction de zones usées ou endommagées de ces aluminiures en cours de fonctionnement. La particularité du procédé RBD réside dans le fait que le métal d'apport est constitué d'un mélange de poudres préfritté ou non. Ce mélange de poudres est constitué d'une poudre appelée métal de base, de composition proche de celle de la pièce à réparer, soit Ti-48AL-2Cr-2Nb (%at.) et d'une autre poudre dénommée fondant ou métal d'apport, Ti-15Cu-15Ni (%mass.), dont la température de fusion est inférieure à la température de frittage ou de brasage.<br />La première partie de la thèse a consisté dans l'étude de la réalisation de préformes frittées à partir de<br />mélanges de poudres TiAl/TiCuNi. Ces mélanges subissent un frittage-réactif en présence de phase<br />liquide et sont appelés "préfrittés" ou "préformes". Il s'agissait d'une part de comprendre et d'expliquer la formation de la microstructure de ces préformes en fonction de la température, du temps de palier isotherme et de la composition du mélange, et d'autre part de déterminer les paramètres opératoires qui<br />mènent à des mélanges homogènes et denses avec un retrait contrôlé.<br />La deuxième partie de l'étude consistait à utiliser les préformes réalisées dans les conditions optimales,<br />afin d'assembler par brasage-diffusion des pièces massives en TiAl. Les joints obtenus, formés d'une zone<br />de réaction à l'interface avec le TiAl, ont fait l'objet de caractérisations microstructurales et mécaniques. Les résultats indiquent que les joints denses avec moins de 2% de porosité et dont la microstructure est homogène, atteignent des résistances en traction à 750°C de l'ordre de 80% de celle du TiAl massif.