Les émissions de gaz à effet de serre, du domaine du frid, sont à la fois d'origine directe et indirecte. Elles sont respectivement liées à la nature du fluide frigorigène et aux consommations énergétiques des systèmes. La recherche de nouvelles molécules de synthèse à faible potentiel de réchauffement global et l'emploi de fluides naturels dans des architectures de cycle adaptées constituent la base de ce travail. Concernant ce dernier point, la compression isotherme pallie efficacement les propriétés thermodynamiques du CO2, qui sont peu favorables aux systèmes à compression de vapeur. Cette transformation idéale permet l'obtention d'un COP équivalent à 92% du COPcarnot. L'injection d'huile dans la chambre de compression, sous la forme de fines gouttelettes, a été envisagée pour se rapprocher de cette compression isotherme. Son potentiel a tout d'abord été évalué par simulation numérique pour des copresseurs scroll et piston. Il est apparu qu'une taille de goutte de 0,025mm et un débit 3 fois plus important que celui de CO2, conduisent à un gain énergétique substentiel: +30% par rapport au cycle trans-critique conventionnel. La faisabilité d'obtention d'un spray, constitué de gouttelettes d'un diamètre moyen de 0,05 mm, a fait l'objet d'une première validation expérimentale. Cette solution qui peut être combinée avec d'autres innovations technologiques pourrait permettre d'avoir des équipements frigorifiques, au CO2 ayant un impact environnemental inférieur à celui des systèmes utilisant des fluides de synthèse.

Cette thèse en mathématiques appliquées à la nanoélectronique aborde le problème de la simulation mathématique et numérique du transport de gaz d'électrons confinés dans certaines directions de l'espace. A l'échelle de la nanoélectronique, les phénomènes ondulatoires liés au transport des électrons ne peuvent plus être négligés et la description classique du transport électronique doit laisser place à une approche quantique. La modélisation de tels phénomènes nécessite la résolution de systèmes couplés de type Schrödinger-Poisson, coûteux numériquement. Cette thèse s'appuie donc sur le confinement fortement anisotrope des électrons dans de telles structures pour obtenir des modèles asymptotiques à dimensionnalité réduite, via une analyse asymptotique "fort confinement". La principale difficulté mathématique provient ici des oscillations rapides dues au confinement. Des méthodes telles que la moyennisation en temps long sont décrites pour y remédier. On s'intéresse dans cette approche à plusieurs situations de confinement différentes. Ainsi, on présente deux modèles asymptotiques pour la modélisation du transport d'électrons confinés sur un plan, ainsi qu'un modèle de confinement sur un plan d'un gaz d'électrons soumis à un champ magnétique fort uniforme. Enfin, on propose un modèle asymptotique mathématique ainsi que des simulations numériques dans le cas du transport d'électrons confinés dans un nanofil quantique. Celles-ci sont obtenues par des méthodes numériques basées sur l'idée de la réduction de dimensionnalité qui font appel notamment à une méthode de décomposition en sous-bandes.

Ce travail de thèse, mené dans le cadre d'une convention CIFRE entre TURBOMECA et le CERFACS, s'inscrit dans un contexte d'amélioration des performances des turbines de type axial équipant les turboréacteurs d'hélicoptère. L'une des principales difficultés rencontrée dans cette démarche concerne la maîtrise de la température que voient les pales de ce composant, notamment la roue haute pression. Les travaux de cette thèse s'articulent autour de deux axes principaux: * Le premier traite l'analyse de la Simulations aux Grandes Echelles (SGE) autour de pales. Une approche numérique SGE sur des maillages non-structurés est comparée aux résultats Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) sur des maillages structurés, usuels dans ce type de configuration, ainsi qu'à une approche SGE sur maillages structurés. La SGE sur maillage non-structuré démontre sa capacité à prendre en compte les phénomènes qui ont un impact sur les flux de chaleur pariétaux. * Le second axe de recherche a pour objectif de développer un outil numérique de couplage pour assurer le transfert d'information entre un code SGE réactif sur maillage non-structuré, employé dans les chambres de combustion, et un code non-réactif en RANS, utilisé par les industriels pour modéliser l'étage turbine. Cet outil a été validé sur plusieurs cas tests qui montrent le potentiel de cette méthodologie pour le couplage multi-composant.

La présence d'H2S dans un gisement est un important facteur de dévalorisation économique, c'est pourquoi connaitre sa concentration et sa distribution est capital pour optimiser toutes les étapes de l'exploration à la production d'un champ. Dans les conditions de pression et température des réservoirs, l'H2S est beaucoup plus soluble que les hydrocarbures et autres gaz. Le lessivage préférentiel de l'H2S par un aquifère actif pourrait ainsi entrainer la création d'hétérogénéités compositionnelles au cours du temps. L'objectif de la thèse est d'illustrer et quantifier ce processus à l'aide de simulations numériques réalisées avec Hytec, logiciel couplé géochimie-transport diphasique développé par MINES ParisTech. Le lessivage préférentiel de l'H2S est contrôlé par : la solubilité différentielle des gaz qui modifie les quantités relatives de chacun des gaz à proximité de l'aquifère ; le transport aqueux qui exporte les gaz dissous et améliore ainsi la dissolution des gaz sur le long terme ; le transport gazeux qui renouvelle les gaz dissous à l'interface et étend le lessivage du gaz à toute la structure ; les caractéristiques d'un réservoir (type d'aquifère, hétérogénéité des perméabilités).

Il est probable qu'à terme les émissions de nanoparticules soient réglementées et ce sont donc les concentrations en nombre qui seront considérées. Il convient donc d'adapter les modèles afin de pouvoir simuler correctement les concentrations en nombre, dans les ambiances confinées comme dans l'atmosphère. Un modèle de dynamique des particules capable de suivre avec autant de précision la concentration en nombre que la concentration en masse, avec un temps de calcul optimal, a été développé. La dynamique des particules dépend de divers processus, les plus importants étant la condensation/évaporation, suivie par la nucléation, la coagulation, et les phénomènes de dépôts. Ces processus sont bien connus pour les particules fines et grossières, mais dans le cas des nanoparticules, certains phénomènes additionnels doivent être pris en compte, notamment l'effet Kelvin pour la condensation/ évaporation et les forces de van der Waals pour la coagulation. Le travail a tout d'abord porté sur le processus de condensation/évaporation, qui s'avère être le plus compliqué numériquement. Les particules sont présumées sphériques. L'effet Kelvin est pris en compte car il devient considérable pour les particules de diamètre inférieur à 50 nm. Les schémas numériques utilisés reposent sur une approche sectionnelle : l'échelle granulométrique des particules est discrétisée en sections, caractérisées par un diamètre représentatif. Un algorithme de répartition des particules est utilisé, après condensation/évaporation, afin de conserver les diamètres représentatifs à l'intérieur de leurs sections respectives. Cette redistribution peut se faire en terme de masse ou de nombre. Un des points clé de l'algorithme est de savoir quelle quantité, de la masse ou du nombre, doit être redistribuée. Une approche hybride consistant à répartir la quantité dominante dans la section de taille considérée (le nombre pour les nanoparticules et la masse pour les particules fines et grossières) a été mise en place et a permis d'obtenir une amélioration de la précision du modèle par rapport aux algorithmes existants, pour un large choix de conditions. Le processus de coagulation pour les nanoparticules a aussi été résolu avec une approche sectionnelle. La coagulation est régie par le mouvement brownien des nanoparticules. Pour cette approche, il a été constaté qu'il est plus efficace de calculer le noyau de coagulation en utilisant le diamètre représentatif de la section plutôt que de l'intégrer sur la section entière. Les simulations ont aussi pu montrer que les interactions de van der Waals amplifient fortement le taux de coagulation pour les nanoparticules. La nucléation a été intégrée au modèle nouvellement développé en incorporant un terme source de nanoparticules dans la première section, commençant à un nanomètre. La formulation de ce taux de nucléation correspond à celle de l'acide sulfurique mais le traitement des interactions numériques entre nucléation, coagulation et condensation/évaporation est générique. Différentes stratégies de couplage visant à résoudre séparément ou en même temps les trois processus sont discutées. Afin de pouvoir proposer des recommandations, différentes méthodes numériques de couplage ont été développées puis évaluées par rapport au temps de calcul et à la précision obtenue en terme de concentration massique et numérique

Les interactions ondes de choc/couches limites qui se développent sur les parois des véhicules aéronautiques sont le siège d'instationnarités à des fréquences de l'ordre de la centaine de Hertz qui constituent une source d'excitation aérodynamique. Le projet ANR SPICEX, dans lequel s'inscrit la présente étude, s'attaque à la modélisation numérique de ces phénomènes basses fréquences. On s'intéresse à la dynamique instationnaire du cas d'interaction entre une onde de choc et une couche limite supersonique sur une plaque plane (IOCCL). Un outil numérique de Simulation des Grandes Échelles (SGE) est développé pour les écoulements en régime compressible. Une méthode de capture de choc et une condition d'entrée instationnaire peu coûteuses sont mises en place. Une attention particulière est portée sur la validation de la stratégie numérique adoptée, et notamment sur la modélisation SGE. Des simulations de couche limites turbulentes ainsi que du cas d'IOCCL sont réalisées et permettent d'asseoir les choix numériques adoptés. Une SGE de l'IOCCL instationnaire couvrant plusieurs dizaines de cycles de la dynamique à basses fréquences est également réalisée afin de caractériser cette dernière. Les résultats de l'étude suggèrent que les instationnarités basses fréquences sont liées à une synchronisation globale de l'écoulement, caractérisée par une respiration cyclique de la zone décollée associée à un mouvement de va-et-vient du choc réfléchi, ainsi qu'à une modulation de la couche de mélange. L'étude suggère que le couplage entre la force de rappel exercé par le choc incident et les perturbations issues de la turbulence amont et de la couche de mélange est à l'origine d'une modulation large bande de l'éjection des tourbillons en aval de l'écoulement qui correspond de manière statistique à la dynamique basse fréquence d'intérêt.

Deux méthodes de caractérisation des qualités d' émission) des instruments de musique à anche validées. Ces méthodes consistent, d' une part à simuler les auto-oscillations résultant du couplage acoustiques (justesse, timbre, facilité simple sont développées et partiellement étudier le résonateur seul, d' autre part à entre le résonateur (supposé linéaire) et l' excitateur (non-linéarité supposée localisée à l' entrée du bec). Nous nous limitons à évaluer la fréquence fondamentale et le spectre de la pression interne au bec des instruments étudiés. Dans tout le document, nous supposons ces grandeurs représentatives de la justesse et du timbre. Pour la validation, nous comparons, pour des instruments réels, ces grandeurs aux grandeurs mesurées sur l' instrument en situation de jeu. Pour obtenir de telles conditions, nous avons réalisé une bouche artificielle, reproduisant l' embouchure du musicien avec stabilité et reproductibilité. Nous présentons une revue bibliographique et isolons un modèle physique élémentaire. Par analyse de ses solutions, on vérifie que la fréquence fondamentale de l' oscillation se déduit des fréquences de résonances au seuil linéaire grâce à un terme correctif. Celui-ci est la correction de longueur. Il est représentatif de l' embouchure et indépendant du doigté. Nous calculons les solutions discrètes du modèle à l' aide de l' impédance d' entrée mesurée ainsi que des paramètres équivalents à l' embouchure. La valeur de la fréquence d' échantillonnage est fixée par les caractéristiques de l' impédance d' entrée du résonateur. Ceci permet de minimiser les erreurs numériques de la fonction de réflexion "discrète". Les valeurs de la fréquence d' échantillonnage s' avèrent faibles vis à vis de la fréquence propre de l' anche. La transformation bilinéaire corrigée est choisie pour obtenir une anche "discrète" aux caractéristiques proches celles de l' anche "analogique". Les impédances d' entrées et les fréquences fondamentales de la pression dans le bec sont mesurées pour tous les doigtés des deux premiers registres de la clarinette et du saxophone alto. Les fréquences de résonance et les fréquences fondamentales sont comparées pour chacun des doigtés, une correction de longueur caractéristique de l' embouchure est estimée pour chaque registre. La comparaison des pressions simulées et mesurées dans le bec montre que la simulation permet de détecter les "notes difficiles" pour les doigtés de gorge de la clarinette. Cette détection est satisfaisante si on applique de faibles pressions d' alimentation au modèle. Le phénomène d' enroulement de l' anche sur la table du bec, omis dans le modèle physique, serait ici une des causes principales de ce désaccord. Une première approche théorique de ce phénomène est proposée à l' annexe A.

Afin d'augmenter leur productivité, certains industriels de la découpe mécanique s'intéressent à un procédé émergeant : le cisaillage grande vitesse. Pour ce procédé, la vitesse du poinçon atteint 10m/s alors que cette vitesse ne dépasse pas 0,1 m/s pour le cisaillage conventionnel. Cependant, même si la qualité des découpes obtenues se rapproche celle du cisaillage fin, l'apparition de phénomènes dynamiques mal compris rend aujourd'hui délicat le déploiement du cisaillage grande vitesse. Dans ce travail de thèse nous proposons d'aller vers une meilleure maîtrise de ce procédé en utilisant aussi bien des moyens expérimentaux que numériques. Ainsi un dispositif expérimental instrumenté a été mis au point afin d'observer finement les phénomènes présents lors de la découpe. Ce dispositif conserve des similitudes avec les moyens industriels et comprend notamment un poinçon dont la section varie et une matrice solidaire d'un tube de Hopkinson pour la mesure des efforts de cisaillage. Cette mesure a comprend un traitement spécifique afin de corriger des effets dynamiques présents dans la matrice. Ce traitement, qui nécessite une calibration du banc, a été validé grâce à une modélisation numérique unidimensionnelle. Des observations du faciès de rupture ont permis de mettre en évidence la présence de bandes de cisaillement adiabatiques, signature d'une augmentation localisée importante de la température. Par ailleurs, une modélisation thermomécanique du comportement de l'acier C40 (loi de Johnson-Cook) a été réalisée et utilisée dans un code de simulation utilisant une approche C-NEM (Constrained Natural Element Method) pour reproduire les cisaillages observés sur le banc. Une étude comparative simulation/expérimentation a ainsi pu être effectuée.

Un emballage de transport et de stockage de matières radioactives comporte un polymère vinylester chargé assurant le blindage neutronique. Ce rôle de blindage repose sur la teneur en atomes d'hydrogène et de bore de ce matériau. En effet, les atomes d'hydrogène ralentissent les neutrons, ces derniers sont ensuite captés majoritairement par les atomes de bore. Pendant sa mise en service, ce matériau est soumis à trois types de vieillissement : le vieillissement hygrothermique, la thermo-oxydation ainsi que l'irradiation aux neutrons. Le but de ce travail est d'étudier les effets de ces vieillissements sur les propriétés et la composition chimique d'un matériau composite à base de matrice vinylester et de charges minérales. Les essais accélérés de vieillissement hygrothermique sont réalisés à des températures comprises entre 80°C et 140°C dans un milieu saturé en humidité. L'étude physico-chimique montre essentiellement l'extraction de prépolymère, durcisseur et oligomères non réagis ainsi que la poursuite de la réticulation. La résistance à l'hydrolyse bien connue des matrices vinylester a été confirmée. A 120°C et 140°C, la principale conséquence est la chute initiale importante des propriétés mécaniques induite par le déchaussement des charges minérales. Les essais accélérés de thermo-oxydation sont effectués à 120°C, 140°C et 160°C à la pression atmosphérique ou à une pression de 2 bars d'oxygène. Ce vieillissement induit une perte de masse et la formation d'une couche oxydée superficielle. Un modèle cinétique fondé sur le couplage réaction d'oxydation/diffusion d'oxygène a permis de calculer à long terme, le profil de concentration des produits d'oxydation, la perte de masse et la perte en atomes d'hydrogène. Quelques essais d'irradiation aux neutrons n'indiquent pas d'effet significatif sur l'état physico-chimique et le comportement mécanique du blindage neutronique.

Les fabricants de papier disposent de sources de matières premières fibreuses très diversifiées parmi lesquelles ils font leur choix en fonction de critères économiques et de potentiel papetier. L'art du papetier consiste à choisir les matières premières et leur faire subir les traitements adaptés.<br />En vue de mieux comprendre l'influence de la morphologie des fibres sur les caractéristiques du papier, nous avons développé un outil de simulation qui permet de générer, manipuler et visualiser un réseau fibreux dont la structure ressemble à celle d'un papier de laboratoire. Les principales propriétés de contexture ainsi que la résistance à la rupture en traction du réseau sont déterminées. Une méthode de Lattice-Boltzmann a été appliquée pour estimer la perméabilité du réseau. Toutes les étapes ont été validées par un travail expérimental.