Lorsqu’un liquide est soumis à de fortes dépressions, des bulles de gaz etde vapeur peuvent apparaître en son sein. Ce phénomène est appelé cavitation Ces bulles sont susceptibles d’imploser dans les zones de surpression etd’endommager les parois solides environnantes à travers la création d’écoulements violents. Dans les applications industrielles, ce phénomène d’érosionpar cavitation peut réduire la durée de vie des machines hydrauliques. Dans ledomaine biomédical, le phénomène d’érosion par onde de choc est utilisé pourl’ablation de tissus mous ou la destruction de calculs rénaux.Dans ce travail, à caractère numérique, nous nous intéressons à une bulled’air isolée implosant au voisinage d’une paroi déformable sous l’effet d’unesurpression générée par une onde de choc incidente. Le travail de thèse aconsisté à mettre en place un couplage fluide structure pour simuler le phénomène d’implosion de la bulle dans la partie fluide et la déformation plastiqueengendrée dans la partie solide. Pour cela, une stratégie en deux étapes a étémise en oeuvre. La première étape a consisté à construire un code fluide avecmaillage mobile pour gérer le déplacement de l’interface fluide/solide. Le codedéveloppé est dérivé du modèle numérique développé par Eric Johnsen et al.à University of Michigan dans lequel nous avons implémenté une méthodeALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) permettant de passer d’une descriptioneulérienne sur maillage fixe à une description eulérienne sur maillage mobile.La seconde étape a consisté à modéliser la déformation élasto-plastique de lapartie solide au cours de l’implosion de la bulle grâce à un couplage fort ducode fluide avec le logiciel CAST3M. La communication entre les deux codesutilise la bibliothèque MPI.A l’issue du couplage, nous avons été en mesure de simuler l’implosiond’une bulle d’air à proximité d’une paroi déformable. Nous avons pu calculerle niveau de déformation de la paroi solide ainsi que l’amortissement de la sur-pression en paroi pour plusieurs matériaux. L’outil numérique ainsi développépermettra à terme d’étudier le comportement de revêtements amortissants capables de protéger des structures industrielles de l’érosion de cavitation oud’optimiser les effets bénéfiques des traitements par onde de choc dans lesapplications biomédicales. / His numerical work focuses on the collapse of a single air bubble close to adeformable wall generated by the impact of an incident high-pressure wave. A CFD code was fully coupled to a FEM solid code in order to compute the bubble collapse and the subsequent plastic deformation in the material. The CFD code was developed from the numerical model of Johnsen et al. (University of Michigan). A mobile mesh capability was added in order to account for the displacement of the fluid-structure interface. An ALE (Arbitrary LagrangianEulerian) method was implemented to switch from an Eulerian description in a fixed mesh to an Eulerian description in a moving mesh. The solid response to bubble collapse was computed with the FEM software CAST3M (developed by CEA) assuming an elastic-plastic constitutive law for the material. The communication between the two codes is achieved through the MPI library.For the CFD code, bubble collapse dynamics was validated by comparison with two others codes: research software CaviFlow and commercial software Ansys Fluent. The coupling between the CFD and the FEM code was validated on the case of the impact of a wave on an elastic medium.The paper will present a detailed analysis in 2D of both the dynamics of bubble collapse and solid behaviour for various conditions. They were obtained by changing the amplitude of the incident shock wave, the standoff distance and the material properties. Special attention will be given to the shock wave that forms when the microjet hits the bubble interface and to the impact of this shock wave on the material surface. In particular, the damping of the impactpressure with respect to a perfectly rigid wall was computed as well as the plastic deformation of the material surface. These final data gave us crucial information about the requirement of taking account of fluid-structure interaction in numerical modeling of cavitation erosion.

Le phénomène de démouillage est caractérisé par la croissance d'un cristal sans contact avec la paroi du creuset due à l'existence d'un ménisque liquide au niveau de l'interface solide-liquide. Ceci crée un espace de quelques dizaines de micromètres entre le cristal et le creuset dans lequel il est élaboré et une des conséquences immédiates de ce phénomène est la nette amélioration de la qualité du cristal. Dans le cas du démouillage, la forme du ménisque est décrite par l'équation de Young-Laplace à partir de laquelle on a pu établir le système des équations différentielles non-linéaires qui décrivent l'évolution du rayon du cristal et de la hauteur du ménisque en fonction de diverses perturbations. L'intérêt réside dans la possibilité d'étudier numériquement, à partir de ces équations, les solutions stationnaires, leur stabilité, statique et dynamique, et d'effectuer une étude de la sensibilité des solutions vis-à-vis des paramètres du procédé et des conditions initiales. / The phenomenon of dewetting is characterized by the Vertical Bridgman growth of a crystal without contact with the crucible wall due to the existence of a liquid meniscus at the level of the solid-liquid interface which creates a gap between the grown crystal and the inner crucible wall. One of the immediate consequences of this phenomenon is the drastic improvement of the crystal quality. In order to bring crucial information concerning dewetted phenomenon, detailed theoretical results and numerical simulations are necessary, on the basis of the mathematical models able to reflect better the real phenomenon which should include all essential processes appearing during the growth. The main problem of the dewetting growth and the related improvements of the material quality is the stability of the growth process. In this context, the goal of the present work is to perform analytical and numerical studies for capillarity, heat transfer and stability problems of the dewetted Bridgman process.

Le travail réalisé dans cette thèse a consisté en le développement et l'utilisation des modèles numériques pour étudier les interactions multi-échelles entre une éolienne offshore et la dynamique locale océanique et sédimentaire. Dans une première partie, les interactions entre le système couplé océan-sédiment et le sillage atmosphérique généré par une turbine éolienne offshore sont étudiées à l'aide d'un modèle numérique 2D développé au cours de la thèse et écrit en fortran. Ce modèle résout les équations de Barré-De-Saint-Venant pour l'océan et l'équation d'Exner pour le sédiment. Dans un seconde partie, le phénomène d'affouillement 3D autour d'un cylindre vertical est étudié à l'aide d'un modèle diphasique eulérien-eulérien, sedFoam, implémenté dans la boîte à outils numériques OpenFOAM. L'approche diphasique permet de tenir compte des processus de petite échelle en s'affranchissant des hypothèses classiquement faites pour la modélisation du transport sédimentaire, notamment la corrélation locale entre le flux de sédiments et la contrainte de cisaillement fluide sur le fond.Concernant l'impact du sillage atmosphérique généré par une turbine, nous avons montré que celui-ci peut générer des allées tourbillonnaires dans l'océan. La dynamique turbulente océanique est alors contrôlée par le paramètre de sillage S=Cd D/H, où D est le diamètre du sillage au point d'impact sur la surface de l'océan, Cd est le coefficient de la loi de friction quadratique entre l'océan et le fond et H la profondeur de l'océan. Une paramétrisation des flux turbulents basée sur S est proposée pour modéliser la dynamique océanique dans des modèles à plus grande échelle de type RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes). Les résultats montrent que la dynamique océanique a une rétro-action sur la puissance du vent disponible. Les résultats montrent également que la dynamique sédimentaire instantanée est couplée à la dynamique océanique. Cependant, les variations de l'élévation du fond marin sont faibles (mm/mois) et l'impact morphodynamique du sillage est négligeable.Concernant la simulation diphasique de l'affouillement, après une validation du modèle sur des configurations 1D et 2D, des simulations tridimensionnelles autour d'une pile cylindrique sont présentées. Dans un premier temps, une configuration sans sédiments est réalisée afin de valider la capacité du modèle de turbulence URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) développé dans ce travail de thèse à reproduire les structures tourbillonnaires responsables de l'affouillement comme le tourbillon en fer à cheval et le lâché tourbillonnaire à l'aval du cylindre. Ensuite, les premières simulations diphasiques 3D de l'affouillement autour du cylindre ont été réalisées en régime de transport de type lit-mobile. Ces simulations constitue un véritable challenge en terme calcul numérique à haute performance. La comparaison favorable des résultats de simulations avec les résultats expérimentaux de la littérature apporte la preuve de concept que l'approche diphasique est pertinente pour étudier des configurations d'écoulements complexes instationnaire et tridimensionnelle. Les résultats de simulation sont ensuite analysés pour étudier la relation entre le flux local de transport de sédiments, la valeur de la contrainte fluide sur le fond et la pente locale du lit sédimentaire. La déviation par rapport aux résultats obtenus en écoulement uniforme permet d'identifier les mécanismes prépondérant de transport associées au tourbillon en fer à cheval, à la pente de fond et aux tourbillons lâchés dans le sillage du cylindre. Les résultats obtenus montrent une sensibilité à la résolution numérique en particulier à l'aval du cylindre illustrant le besoin de réaliser des simulations des grandes échelles turbulentes diphasiques. / The work undertaken in this PhD thesis was to develop and use numerical models to investigate the multi-scale interactions between an offshore wind turbine and the local ocean and sediment dynamics. First, the interactions between the coupled ocean-sediment system and the atmospheric wake generated by an offshore wind turbine are investigated using an idealized two-dimensional model developed during this Phd thesis and written in fortran. The model integrates the shallow water equations for the ocean together with the Exner equation for the sediment bed. In a second part, the 3D scour phenomenon around a vertical cylinder in a steady current is studied using a two-phase flow eulerian-eulerian solver, sedFoam, written within the framework of the numerical toolbox OpenFOAM. The two-phase flow approach accounts for small-scale processes by avoiding the traditional assumptions made for sediment transport modeling, such as a local corre- lation between the sediment flux and the fluid bed shear stress.Regarding the atmospheric wake generated by a turbine, the results shows that its impact on the ocean’s surface can generate vortices. The resulting turbulent ocean dynamics is controlled by the wake parameter S = CdD/H, where D is the wake diameter at the impact location on the ocean surface, Cd is the quadratic friction coefficient between the ocean and the sediment and H is the oceanic layer depth. A turbulence parameterization based on S is proposed, allowing for upscaling simulations in larger scales Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) models. It is shown that the ocean dynamics has an effect on the available wind power. The results also show that the instantaneous sediment dynamics is strongly coupled with the ocean one but that the overall seabed elevation variations remain small (a few millimeters/month). The morphodynamic impact of the wake is thus negligible.Concerning the two-phase flow simulation of scour, sedFoam is first validated on 1D and 2D configurations. Then, 3D simulations around a vertical cylindrical pile are presented. At first, a validation of the Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) turbulence model developed in this work is performed on a configuration without sediment. The results show that the vortices structures responsible for scouring, the Horse Shoe Vortex (HSV) and the vortex-shedding in the lee of the cylinder are correctly reproduced. Then, 3D two-phase flow simulations of the scour around a cylindrical pile have been carried out in a live-bed configuration. This work is the first attempt to model 3D scour phenomenon using the two-phase flow approach. Such simulations represent a real challenge in terms of high performance computing. The good agreement between the numerical predictions and the literature experimental results provide the proof of concept that the two-phase flow approach can be used to study complex 3D and unsteady flow configurations. The relationship between the local bed shear stress, the sediment flux and the local sediment bed slope is further investigated. The deviation of the results from a uniform flow configuration is further analyzed to identify the relevant sediment transport mechanisms associated with the HSV, the slope in the scour mark and the vortex-shedding downstream of the cylinder. Finally, the numerical results show a grid sensitivity of the morphological predictions in the lee of the cylinder that are most probably related to small-scale resolved vortical structures. This highlights the need for two-phase flow Large Eddy Simulations on this configuration in the future.

L'objectif de cette étude est de développer un procédé hybride qui combine à lacoagulation, la floculation et le procédé de flottation dans un hydroclone pour réaliser letraitement de l'eau. Le développement sert à déterminer la caractérisationhydrodynamique ainsi que les conditions optimales pour réaliser le traitement de l'eau.L'étude de caractérisation hydrodynamique est réalisée à l’aide d’une simulationnumérique (Computational Fluid Dynamics). Le travail expérimental a été réalisé à l’aidede la technique dite de l'échographie Doppler afin d’étudier l'hydrodynamique. Lesrésultats ont servi à valider la technique expérimentale « méthode de la goutte d’huile » et les connaissances de base expliquant les phénomènes du procédé hybride. La technique de diffraction du laser est utilisée pour déterminer la taille des micro-bulles ainsi que les paramètres qui affectent leur taille.Le travail expérimental sur le développement d'un pilot hybride est étudié avec del'eau synthèse et de l'eau naturelle. L'objectif de cette étude est d'appliquer ce procédéhybride pour le traitement de l'eau. Différents paramètres tels que les caractéristiques del'eau brute, le type et la concentration de coagulant et de floculant, la fraction de l'air et ledébit d'entrée, ont été modifiés à plusieurs reprises afin d'en déterminer les effets sur leprocédé hybride / The aim of this study is to develop a hybrid process which combines withcoagulation, floculation and flotation process in a hydroclone for water treatmentprocess. The development is for characterization the hydrodynamics of this process andto find the optimum condition for water treatment process.The hydrodynamics characterization study is carried out by the numericalsimulation (Computational Fluid Dynamics) and experimental work by Dopplerultrasound velocimetry technique to study the hydrodynamics for the further research.The results are used for validating the oil droplet experimental technique and to be thebasis knowledge to explain the phenomena in the hybrid process. Laser diffractiontechnique is involved for determining the micro bubbles size and also study on theparameter affects to the size. The experimental work of a developed hybrid pilot plant is studied with synthesisraw water and natural river water. The objective of this study is to apply this hybridprocess for the water treatment. The parameters have been varied in many operatingconditions to indicate the separation and the water treatment phenomena such as rawwater characteristic, coagulant - floculant type and concentration, air fraction and inletflow rate

Ces travaux de thèse, financés par la société TERREAL (convention CIFRE), ont pour objectif de modéliser l’étape de façonnage des tuiles en terre cuite. La mise en forme des tuiles est à l’origine d’un tiers du rebus. Les attentes industrielles autour de ce sujet sont doubles : comprendre les phénomènes générant les défauts et mettre en place un outil de simulation numérique permettant de prévoir l’influence des paramètres produits / procédés sur l’apparition des défauts. La démarche scientifique s’est orientée autour de trois axes : la modélisation du comportement rhéologique, l’identification du comportement aux interfaces, la détermination d’un critère de fissuration et des mécanismes générant les défauts. Le modèle rhéologique est déterminé par analyse inverse d’essais de compression libre. Des essais complémentaires (cisaillement, flexion,…) ont été réalisés pour étudier plus finement le comportement du matériau. Des mesures de champs de déformation par stéréo corrélation ont permis de valider les modèles numériques de ces essais. Des mesures effectuées avec un tribomètre rectiligne ont permis de déterminer des modèles de frottement aux différentes interfaces du procédé (argile/acier ; argile/caoutchouc ; caoutchouc/résine). Quatre critères de fissuration ont été étudiés. Un critère en cisaillement maximum s’est montré le plus pertinent pour modéliser l’initiation des fissures. Des essais de façonnage sur des géométries partielles de tuiles ont permis de valider les différents modèles de comportement identifiés et de comparer deux technologies d’outillage (rigide et déformable). La simulation numérique 3D a permis de prédire la majorité des défauts liés aux écoulements. / This PhD study was supported by the company TERREAL. The aim is to model the forming step of clay tiles. The industrial expectations around this topic were double: understand the phenomena leading to defect occurence and to put in place a numerical simulation tool which allows to predict the influence of the product / process variations. The scientific approach turned around three axes: the determination of the constitutive model of the clay paste, the identification of the behavior at the different interfaces, the determination of a damage criterion and the mechanisms which generate defects. The different parameters of the constitutive law were identified by an inverse analysis of compression tests. Some additional tests (shearing test, bending test,…) were performed to investigate more precisely the material behavior. Kinematic full-field measurements by 3D digital image correlation allowed to validate the numerical model of these tests. Measurements with a rectilinear tribometer were carried out to identify a model of friction for the different interfaces involved in the process (clay/steel; clay/rubber and rubber/resin). Four cracking criteria have been studied. A maximum shear stress criterion proved to be the most relevant to assess the initiation of cracks. Forming tests of partial geometries of tiles allowed to validate the different behavior models identified and to compare two dies technologies (rigid dies and deformable dies). 3D numerical simulation allowed to predict the most of the defects related to the clay paste flow.

Cette thèse fait partie du projet " Bioclay ", s'inscrivant dans une démarche de développement durable visant à obtenir un matériau aux performances énergétiques les plus optimales tout en employant un procédé de fabrication le plus respectueux de l'environnement. L'idée principale de ce projet est d'alléger la brique grâce à des porogènes (matière végétale) de telle sorte que nous obtenions un optimum entre ses propriétés thermiques et mécaniques. De plus, le produit doit répondre aux spécifications de la norme NF EN 771 concernant les éléments en maçonnerie. A l'échelle du bâtiment et suivant la réglementation thermique RT2012, le produit devra contribuer à la baisse de la demande en énergie fixée actuellement à 50 kWhEP/m²/an. Le but de ce travail est, in fine de prévoir le comportement de briques biosourcées tant en termes hygrothermique que mécanique afin d'optimiser les formulations de compositions. Pour cela il est nécessaire de mettre en œuvre des modèles de comportements hygrothermiques et mécaniques. La démarche adoptée a été de réaliser dans un premier temps des éprouvettes type " laboratoire " à base de matière première identique aux briques industrielles du marché. Tous les paramètres nécessaires aux diverses modélisations ont été déterminé sur les matériaux de référence. Le modèle hygrothermique a été validé par comparaison du comportement numérique et expérimental de la brique de référence, il en a été de même pour la validation du modèle mécanique. La caractérisation physique et mécanique de toutes les formulations a été mise en œuvre en termes de nature des produits utilisés pour l'incorporation dans la matrice argileuse (biosourçage), mais aussi de ses proportions, de la quantité de sable et de la quantité d'eau pour la mise en forme. Ces éléments ont permis de prévoir aussi bien les résistances thermiques que mécaniques de la brique commerciale choisie dans ce travail. Finalement, des itérations autour de la conductivité thermique du tesson (phase solide) et de la géométrie de la brique ont pu donner un aperçu de l'impact des formulations du projet Bioclay sur la résistance thermique et le poids des briques. L'industriel disposera ainsi de champs de variations des différents paramètres qui présentent une pertinence performantielle. Ce travail a permis de mettre en évidence les domaines dans lesquels il est possible d'optimiser les performances thermiques et mécaniques qui ne varient pas dans le même sens lors du biosourçage. La validation des prévisions numériques a été concluante suite à la comparaison des résultats issus de la modélisation avec un produit biosourcé obtenu sur la chaîne pilote de l'industriel. / This thesis is part of a collaborative project named " Bioclay ". The aim of this work is to develop new materials and products that are high performance while being fabricated by the most ecofriendly manufacturing process. The scope of " Bioclay " is to develop a high-performance fired clay brick through the incorporation of agricultural by-products. The development of innovative building materials has to comply with the legislations and requirements in "RT2012" concerning environmental impacts by reducing the energy consumption to 50 kWhEP/m²/year through the building component. The goal of this project is to predict the hygrothermal and mechanical behavior of bio-based fired clay bricks by means of numerical simulations involving models corresponding to our materials. First of all, fired clay specimens are made at the laboratory scale, through the same process used for industrial bricks, and tested at various parameters in order to develop hygrothermal and mechanical numerical models based on the results. Furthermore, a battery of tests and experimental iterations (e.g., nature and grain size of agricultural by-products, water and sand quantity...) were carried out on bio-based samples to predict thermal and mechanical resistances of the new commercial bricks. Additionally, numerous simulations were conducted with varying thermal conductivity of solid phase and bricks geometries to provide large application ranges while highlighting the effects of " Bioclay " formulations. Moreover, this work has provided several physical and geometrical configurations for the end product, allowing the manufacturer to choose the most appropriate response for their design requirements.

Les mécanismes d'interaction entre une interface fluide et une paroi solide en situation de mouillage sont encore des problèmes ouverts. Parmi les nombreuses interrogations traitées dans la littérature, le "problème de la ligne de contact en mouvement" est très étudié depuis les années 1970, lorsque le paradoxe lié au mouvement de la ligne de contact a été identifié. En quelques mots ce paradoxe est le suivant : les modèles hydrodynamiques macroscopiques utilisant une condition de non-glissement à la paroi prédisent un cisaillement infini au niveau de la ligne de contact. Des études prometteuses pour aborder ce problème se sont appuyées sur des résultats fournis par les simulations dynamiques moléculaires. Elles confirment la présence de glissement au niveau de la ligne de contact. Malheureusement, les simulations de type dynamique moléculaire sont limitées à de très petites échelles à la fois temporelles et spatiales de sorte que les modèles hydrodynamiques et les simulations numériques des équations de Navier-Stokes restent nécessaires. Dans ce type de simulation, la méthode Continuum Surface Force pour traiter le terme capillaire entraine une vitesse et un cisaillement au niveau de la ligne de contact dépendant de la résolution, problème qui est abordé dans ce travail. L'écoulement au voisinage de la ligne de contact est analysé théoriquement dans la limite des écoulements de Stokes et l'effet des conditions limites à la paroi est exploré. Une des conditions proposées dans la littérature permet de lever la divergence du cisaillement et rend possible l'observation de tourbillons de Moffatt au voisinage de la ligne de contact ce qui reste encore à observer que ce soit expérimentalement ou numériquement. Cette possibilité est explorée de manière théorique puis numérique à l'aide du code JADIM. Sur le plan numérique, la présence de courants parasites est apparue comme limitante si la méthode VoF est utilisée. Pour remédier à cet obstacle numérique, une version très prometteuse de la méthode front-tracking utilisant des markers Lagrangien a été implémentée et améliorée pour permettre de traiter des distributions nonuniformes de markers sans perdre les performance de réduction significative des courants parasites. De nombreux tests ont été réalisés pour valider la méthode développée et montre la réduction à la précision machine des courants parasites. La méthode est également validée pour la simulation des lignes de contact statiques et dynamiques avant d'être utilisée pour l'étude de tourbillons induits par la mise en mouvement d'une ligne de contact. Finalement, s'appuyant sur les développements théoriques de ce travail, un nouveau modèle de sous maille est proposé pour permettre la simulation de lignes de contact aux échelles macroscopiques. Il est implémenté dans la nouvelle méthode front-tracking introduite dans JADIM. Les premiers résultats montrent une amélioration partielle de l'effet du maillage sur la vitesse de la ligne de contact mais une maitrise totale du cisaillement. Les simulations de l'étalement de gouttes permet de retrouver de manière très satisfaisante les résultats théoriques et expérimentaux de référence. / The exact mechanism with which a fluid interface interacts dynamically with a solid surface during wetting is still open to research. Among the many subjects addressed in this field in the literature, the "moving contact line problem" is one that has been ubiquitous since at least the 1970s, where a paradox in the description of the contact line was found to exist. The paradox in a few words is the next: macroscopic hydrodynamic models using the no-slip boundary condition will predict infinite shear stress close to the contact line. The most promising studies to tackle the problem come from information provided by molecular dynamics simulations. They have confirmed that close to the contact line, the no-slip boundary condition is relaxed to some form of slip. Unfortunately, molecular simulations are still limited to very small scales in space and time, so hydrodynamic models and numerical simulations based on Navier-Stokes equations are still needed. In these simulations, the Continuum Surface Force model CSF for the calculation of the capillary contribution introduces a grid dependent contact line velocity and shear at the wall, which is a problem we proposed to solve here. In this work, we analyze the flow close to the moving contact line in the context of corner stokes-flow and explore the effects of the boundary conditions at the wall. One of these conditions offered in the literature, provides relief to the shear divergence and also opens the possibility to observe Moffatt vortices in the vicinity of the contact line, not yet seen in experiments or numerical simulations. We explore this possibility analytically and then numerically using the code JADIM. The latter task is constrained by the contamination of the velocity field by the so-called spurious velocities if the VOF method is used. To solved this inconvenient, a very promising version of the front-tracking method with lagrangian markers is implemented and enhanced to handle non-uniform distribution of markers without losing its spurious velocities elimination features. Numerical tests are conducted to validate the implementation, spurious velocities are reduce close to machine precision and comparison to benchmark data is performed obtaining good agreement. Tests including contact lines are then compared with exact solutions for shape analyzing the effect of the Bond number, showing remarkable results. Numerical experiments with this implementation close to a contact line show the existence of vortical patterns during of spreading. Finally, and based on the theoretical background developed in this work, a new sub-grid model method is proposed for macroscopic numerical simulations and implemented in the new front-tracking method of JADIM. Quantitative data is obtained and compared to numerical and experimental spreading cases revealing improvement of grid convergence and excellent agreement.

La source d'ions des injecteurs de neutres d'ITER devra produire un fort courant d'ions négatifs de deutérium qui seront accélérés puis neutralisés afin d'obtenir un faisceau d'atomes qui chauffera le plasma thermonucléaire. Un plasma froid d'hydrogène à basse pression et forte puissance est généré par induction dans la source et les ions négatifs sont produits par des réactions en volume et en surface et extraits à travers une série de grilles électrostatiques. Cette thèse est consacrée à la modélisation de ce plasma, afin d'étudier des phénomènes peu abordés à ce jour : aspect hors équilibre des espèces neutres, déplétion et chauffage du gaz, génération et transport des atomes, et génération des ions négatifs sur les parois. Un code fluide bidimensionnel de simulation plasma a pour cela été modifié afin de simuler la cinétique des espèces neutres au moyen d'un module Direct Simulation Monte-Carlo et a été utilisé pour simuler le plasma de manière auto-cohérente. / The ion source of the ITER neutral beam injectors will have to deliver a high current of negative deuterium ions which will be accelerated and neutralized, and the resulting atom beam will heat the thermonuclear plasma. A low pressure and high power cold hydrogen plasma is inductively generated in the source and negative ions are produced by volume and surface reactions and are extracted through a set of electrostatic grids. This thesis aims at modelling this plasma, and focuses on topics that haven't been studied much before : out of equilibrium neutral kinetics, gas heating and depletion, atoms production and transport, and negative ions generation on the walls. To this end, a two-dimensional fluid plasma code has been modified to simulate the neutrals kinetics with a Direct Simulation Monte Carlo module and has been used to perform self-consistent simulations of the plasma.

En rapport avec la transition énergétique, d’importantes capacités de stockage énergétique sont nécessaires pour intégrer la forte variation de la production énergétique au travers des centrales éoliennes et photovoltaïques. La transformation de l’énergie électrique en énergie chimique sous forme d’hydrogène est l’une des possibles techniques. La technologie de stockage de l’hydrogène souterrain, selon laquelle l’hydrogène est stocké dans les formations souterraines semblables au stockage du gaz naturel est actuellement un axe de recherche de plusieurs états européens. Par comparaison au stockage du gaz naturel dans les formations souterraines et qui est établie depuis de nombreuses années, l'hydrogène a montré des différences significatives dans son comportement hydrodynamique et biochimique. Ces aspects ont été étudiés dans la présente thèse en utilisant différentes approches analytiques et numériques / In the context of energy revolution large quantities of storage capacity are required for the integration of strongly fluctuating energy production from wind and solar power plants. The conversion of electrical energy into chemical energy in the form of hydrogen is one of the technical possibilities. The technology of underground hydrogen storage (UHS), where hydrogen is stored in subsurface formations similar to the storage of natural gas, is currently in the exploratory focus of several European countries. Compared to the storage of natural gas in subsurface formations, which is established since many years, hydrogen shown some significant differences in its hydrodynamic and bio-chemical behavior. These aspects were investigated in the present thesis by different analytical and numerical approaches

L'objectif de ce travail est d'approfondir et de mieux comprendre les mécanismes responsables de la formation et de la croissance de la structure des grains dans le silicium multicristallin pour des applications photovoltaïques. Lors de la solidification du silicium multicristallin, la sélection des grains, le contrôle de la distribution de leur taille et leur direction de croissance sont des paramètres importants pour obtenir un matériau de bonne qualité et homogène. Ces paramètres influencent directement le rendement de conversion des cellules photovoltaïques, au travers de la capture et de la recombinaison des porteurs de charges et des interactions avec les impuretés. La structure de grains dans le silicium photovoltaïque évolue au cours de la solidification : des grains vont disparaître, d'autres vont apparaître, d'autres vont grossir pour donner au final une structure composée de gros grains, de petits grains dénommés ‘grits', de joints de grains, et de macles. Il est donc important de comprendre les relations entre les différents paramètres du procédé industriel et leur influence sur les phénomènes physico-chimiques qui se produisent lors de la croissance afin de pouvoir influer sur la structure de grains dans le silicium, et de prévoir ses propriétés. Dans une première étape, nous avons établi un modèle de développement des grains basé sur le type de croissance (facettée, rugueuse ou mixte), la cinétique de ces divers types de croissances, le phénomène de maclage et la sélection des grains, dont nous montrons qu'ils sont, avec la germination initiale, à l'origine de la taille et de la structure des grains. Ensuite, nous proposons une approche de modélisation numérique de l'évolution de la structure des grains au cours de la solidification. Cette méthode se base sur l'analyse dynamique bidimensionnelle du joint de grains au niveau de la ligne triple grain-grain-liquide (rugueuse, facettée) tout en prenant en compte les phénomènes produits à l'échelle macroscopique (le champ de température local) et microscopique (la cinétique des grains). Le modèle résulte du couplage thermique et des mécanismes cinétiques de croissance. Nous avons donc développé un modèle numérique de croissance des grains en 2 dimensions et nous l'avons introduit dans le code 2D-MiMSiS qui se déroule en 2 étapes : Premièrement, le calcul en régime transitoire de la solidification macroscopique d'un lingot de silicium nous permet d'obtenir le champ thermique dans le lingot et la position précise de l'interface solide-liquide à différents instants ainsi que sa vitesse, son orientation (sa forme) et les gradients de température dans le liquide et le solide. Deuxièmement, la modélisation de la croissance est basée sur la description géométrique des joints de grains qui dépend de la cinétique des grains qui les bordent. Elle suit des critères dépendants de la morphologie (rugueuse ou facettée) de l'interface. Elle s‘appuie sur le réseau d'isothermes du calcul thermique sans l'influencer dans un premier temps. Un des objectifs de ce modèle est de faire varier différents paramètres du procédé et d'en mesurer l'impact sur la structure cristalline finale. Des résultats de calculs 2D sont présentés et discutés par rapport à l'expérience. / The objective of this work is to explore and better understand the mechanisms responsible for the formation and growth of the grain structure in polycrystalline silicon for photovoltaic applications. During the solidification of polycrystalline silicon for the selection of the grain, control the distribution of their size and direction of growth are important parameters to obtain a material of good quality and homogeneous. These parameters directly influence the conversion efficiency of solar cells, through the capture and recombination of charge carriers and interactions with impurities. Grain structure in silicon photovoltaic evolves during solidification: Grain will disappear, others will appear, others will grow to give the final structure composed of large grains, small grains called 'grits' grain boundaries and twins. It is therefore important to understand the relationship between the parameters of the industrial process, the physico-chemical phenomena that occur during the growth and structure of grains in the silicon to predict its properties. In a first step, we established a model of development based on the grain growth type (faceted, rough or mixed), the kinetics of the various growths, the phenomenon of twinning and the selection of grains, we show that they are, with the initial germination, originally of the size and structure of the grains. Then, we propose an approach to numerical modeling of the evolution of lala grain structure during solidification. This method is based on the two-dimensional dynamic analysis of the grain boundary at the triple line grain-grain-liquid (rough, faceted) taking into account the phenomena produced at the macroscopic scale (the local temperature field) and microscopic (kinetic grain). The resulting model of the thermal coupling mechanisms and growth kinetics. We have developed a numerical model of grain growth in two dimensions, and we have introduced in the 2D-code MiMSiS which takes place in two steps: First, the calculation of transient macroscopic solidification of an ingot of silicon allows us to obtain the temperature field in the ingot and the precise position of the solid-liquid interface at different times as well as its speed, direction ( form) and the thermal gradients in the liquid and the solid. Second, the growth model is based on the geometrical description of grain boundary which depends on the kinetics of grain that border. It follows dependent criteria of the rough morphology or faceted interface. It relies on a network of insulated thermal calculation without influence in the first place. One objective of this model is to vary the process parameters and to measure their impact on the final crystalline structure. 2D calculation results are presented and discussed in relation to the experience.