Cette thèse traite de la modélisation et des méthodes numériques pour la simulation d'écoulements de fluides non-Newtoniens, et particulièrement, de matériaux granulaires. Une application de ce travail concerne les poudres de couverture utilisées pour protéger thermiquement le métal de l'air dans le procédé de coulée en source d'alliages métalliques. Ces poudres sont conditionnées dans des sacs disposés dans la lingotière, qui brûlent suite aux fortes chaleurs engendrées, et permettant son écoulement sur la surface du métal. Ainsi, la simulation numérique apparaît comme un puissant outil pour l'optimisation du procédé, et notamment, de l'étalement de ces poudres.Dans ce travail, une formulation éléments finis a été proposée pour modéliser l'écoulement multiphasique des matériaux granulaires dans un formalisme de la mécanique des milieux continus. Les équations associées sont résolues via des schémas numériques stabilisés, couplés avec la méthode Level-Set pour capturer et suivre le profil du matériau granulaire au cours de la simulation. Dans un premier temps, les outils numériques ont été testés sur des cas d'écoulements de fluides de Bingham, où les fortes non-linéarités sont traitées par une méthode de régularisation. Puis la formulation est étendue aux écoulements de granulaires secs, dont le comportement piezzo-dépendent est traduit par la loi mu(I). Le modèle a été validé sur des cas d'effondrement de colonnes de grains, et une étude de sensibilité aux conditions aux limites et constantes physiques du modèle est proposée.Enfin, des cas industriels de chutes de poudres sur substrats solide et métal fondu ont été menés, amenant à des premières pistes pour l'optimisation du procédé de coulée en lingotière. / This thesis is devoted to the modeling and numerical methods for the simulation of non-Newtonian flows, and focuses particularly on granular materials flows. This work is applied to molten powders aiming to ensure metal thermal protection from the air in ingot casting process of metallic alloys. These powders are conditionned into bags disposed into the mold, which burn due to high temperatures, and allowing the powder spreading onto the metal surface. Thus, numerical simulation appears as a powerful tool for the process optimization, and especially, for the powder spreading.In this work, a finite element formulation has been proposed for the modeling of granular multiphase flows, by a continuum approach. The associated equations are solved using stabilized numerical schemes, coupled with the Level-Set method to capture and follow the granular profile during the simulation. First, the numerical tools have been implemented for Bingham flows, by using regularization a method. Then, the formulation was extended to dry granular flows, by the use of the mu(I) rheology constitutive model for describing its pressure-dependent behavior. The model has been validated on granular collapses, and a sensitivity analysis to boundary conditions and physical constants has been proposed.Finally, industrial cases of powder chutes ontoboth solid and liquid metla substrates have been conducted, leading to preliminary solutions for the optimization of ingot casting process.

Du fait de leurs propriétés physiques et chimiques exceptionnelles à haute température par rapport aux métaux, les composites de carbure de silicium (SiC) sont étudiés comme éventuel matériau de gainage du combustible nucléaire dans les réacteurs de fusion ou fission avancée futurs, ainsi que, depuis plus récemment, dans les réacteurs à eau légère existants. Les tubes composites SiC/SiC tressés en 2D, fabriqués par procédé d'infiltration chimique en phase vapeur (CVI), présentent un comportement mécanique anisotrope, faiblement déformable (~ 1%). La maîtrise des relations entre la microstructure, l’endommagement et le comportement macroscopique est essentielle pour optimiser précisément le dimensionnement structurel de ce matériau pour les applications envisagées. Un paramètre de fabrication important est l'angle de tressage, angle entre les torons de fibres et l'axe du tube. L'objectif de ce travail est de fournir une compréhension détaillée de la relation endommagement-microstructure, en particulier des effets de l'angle de tressage sur les mécanismes d’endommagement. Dans ce but, une étude combinant observations expérimentales à macro et micro-échelle et simulations numériques est menée. Les tubes composites sont d’abord étudiés par des essais de traction in situ sous tomographie par rayons X. Les expériences ont été réalisées sur la ligne PSICHE du synchrotron SOLEIL sous faisceau rose polychromatique. Les images tridimensionnelles sont analysées par la technique de corrélation d’image volumique (DVC), complétée par une série d'algorithmes de traitement d'image originaux, développés spécifiquement pour analyser les microstructures 3D, mesurer les déformations à travers l'épaisseur du tube, détecter et caractériser quantitativement le réseau de microfissures créées par le chargement mécanique. De plus, les microstructures réelles, décrites par les images de haute résolution issues des tests in situ, sont utilisées dans les simulations numériques multi-échelle. Les champs de contrainte à l’échelle microstructurale sont calculés en régime élastique par une technique utilisant la transformée de Fourier rapide (FFT). Ils permettent de mieux comprendre l'initiation des fissures et d’interpréter les observations expérimentales par une comparaison directe. Ces approches expérimentales et numériques sont appliquées à trois tubes présentant différents angles de tressage (30 °, 45 ° et 60 °). L’influence de l'angle de tressage sur l'initiation et l'évolution de l’endommagement à cœur des composites est ainsi mise en évidence / Because of their outstanding physical and chemical properties at high temperature, in comparison with metals, silicon carbide (SiC) composite materials are studied as possible nuclear fuel cladding materials either for future advanced fission/fusion reactors, or more recently, for the currently existing light water reactors. 2D-braided SiC/SiC composite tubes, manufactured by chemical vapor infiltration (CVI), exhibit an anisotropic, hardly deformable (~1%) mechanical behavior. Understanding the relations between the microstructure, the damage mechanisms and the macroscopic behavior is essential to optimize the structural design of this material for the considered applications. One important manufacturing parameter is the braiding angle, i.e. the angle between the fiber tows and the tube axis. The objective of this work is to provide a comprehensive understanding of the damage-microstructure relations, in particular of the effects of the braiding angle on the damage mechanisms. For this purpose, an investigation combining experimental observations at macro and micro-scale and numerical simulations is developed. The composite tubes are first studied through in situ tensile testing under X-ray computed tomography. Experiments were carried out on the PSICHE beamline at synchrotron SOLEIL using a pink polychromatic beam. The recorded 3D images are processed using the digital volume correlation (DVC) technique, extended by a series of advanced image processing algorithms specifically developed in order to analyze the 3D microstructures, to measure the deformations through the tube thickness, and to detect and quantitatively characterize the network of micro-cracks created by the mechanical loading. In addition, numerical simulations are performed on the real microstructures as observed in the high-resolution images recorded during the in situ tests. Stress fields are calculated at the microstructural scale in the elastic regime using a numerical tool based on the Fast Fourier Transform (FFT). They help to better understand crack initiation and interpret the experimental observations within one-to-one comparisons. Both the experimental and numerical approaches are applied to three tubes with different braiding angles (30°, 45° and 60°). The effect of the braiding angle on the initiation and evolution of damage in the bulk of the composite materials can thus be highlighted

Un plasma est défini comme un gaz partiellement ou totalement ionisé. Bien que très présent dans l'univers visible, les plasmas naturels sont rares sur Terre. Cependant, ils représentent un intérêt majeur pour les industries et les instituts de recherche (traitement de surface, propulsion spatiale). Toutefois, la compréhension du comportement d'un plasma est complexe et fait appel à de nombreux domaines de la physique. De plus, ces plasmas peuvent être magnétisé i.e. lorsqu'un champ magnétique extérieur ou induit influence significativement la trajectoire des particules : r/L<1 où r est le rayon de Larmor et L la longueur caractéristique du système. Ce travail de thèse s'intéresse à la modélisation du comportement du plasma présent dans deux dispositifs : l'accélérateur de l'Injecteur de Neutres (IdN) rapides d'ITER et le magnétron en régime DC ou HiPIMS. La réalisation de la fusion nucléaire sur Terre fait actuellement l'objet de nombreuses recherche dans le monde. Du fait de l'énergie nécessaire au franchissement de la barrière de répulsion coulombienne, le plasma doit être confiné. Dans le cas d'ITER, le confinement est réalisé par de puissant champ magnétique. Cependant, pour atteindre les conditions nécessaires aux réactions de fusion, notamment en température, un injecteur de particules neutres à haute énergie (1MeV) est nécessaire. L'accélération de ces particules est une phase critique dans la création du faisceau de neutres et elle représente un défi technologique qui fait l'objet d'une étude dans ce travail de thèse. Le magnétron est un procédé industriel permettant la réalisation de couches minces par pulvérisation cathodique. Les ions créés par un plasma de décharge arrachent les atomes de la cathode qui se déposent sur l'anode. Le champ magnétique créé par des aimants permanents piège les électrons à proximité de la cathode augmentant l'efficacité du dispositif. Le comportement du plasma magnétron est ainsi étudié en régime continu ou pulsé ainsi que l'apparition de structures auto-organisées en rotation autour de l'axe du magnétron dans certaines conditions. Afin d'étudier ces dispositifs, plusieurs programmes de simulation numérique ont été développés. La méthode Paticle-In-Cell a été choisie car elle permet de prendre en compte la charge d'espace des particules de manière auto-cohérente. Diverses techniques (technique de collision nulle, Monte Carlo Collision, a posteriori Monte Carlo) et améliorations (maillage non uniforme, projections de charges au troisième ordre) ont été développées et implémentées. De plus, une méthode originale, Pseudo 3D, permettant un traitement à trois dimension du magnétron a été utilisées avec succès. Enfin, ces programmes ont été parallélisés afin de réduire le temps de calcul. / A plasma is defined as a partially or completely ionized gas. Even though, they are very present in the visible universe, natural plasmas are rare on Earth. However, they are a major interest for industries and research institutes (surface treatment, spatial propulsion). Nevertheless, the understanding of plasma behavior is complicated because of the numerous physical fields involved. Moreover, theses plasmas can be magnetized, i.e., a magnetic field, external or induced, affects significantly the particle trajectories: r/L<1 where r is the Larmor radius and L the typical length of the system. This thesis is focused on the plasma modeling in two device: the accelerator of the ITER's neutral beam injector (NBI) and the magnetron in DC or HiPIMS regime. The feasibility of nuclear fusion on Earth is subject of numerous research around the world. Because of the energy necessary to get over the Coulomb barrier, the plasma must be confined. For ITER, the confinement is achieved by intense magnetic fields. However, to reach the required conditions of nuclear fusion reactions, especially in temperature, a high energy (1MeV) neutral beam injector is needed. The particle acceleration is a critical part in the creation of the neutral beam and it represents a technical challenge which is studied in this thesis work. The magnetron is an industrial process for creating thin film by physical sputtering. The ions created by a plasma discharge tear the atoms out of the cathode which are then deposited on the anode. The magnetic field created by permanent magnets trap the electrons near the cathode improving the process efficiency. The plasma behavior inside the magnetron is studied in direct and pulsed current as well as the appearance of self-organized structures in rotation around the magnetron axis. To study these devices, several program of numerical simulation have been developed. The Particle-In-Cell methode has been chosen because it takes into account, self-consistently, the space charge of the particules. Several techniques (null collision technique, Monte Carlo Collision, a posteriori Monte Carlo) and improvement (Non uniform mesh, third order charge projection) have been developed and implemented. Moreover, an original method, Pseudo 3D, allowing a three dimensional study of the magnetron, has been used with success. Finally, these programs have been parallelized to reduce the computation time.

L’étude effectuée au cours de cette thèse a permis de caractériser numériquement les instabilités d’origine aérodynamique rencontrées dans un compresseur centrifuge dessiné par Turbomeca. Ce compresseur est composé d’une roue directrice d’entrée, d’un rouet centrifuge, d’un diffuseur radial et de redresseurs axiaux. Le module expérimental, dénommé Turbocel, sera accueilli au LMFA courant 2016. Le contenu de cette étude repose donc exclusivement sur des résultats numériques dont certains sont cependant comparés à des résultats expérimentaux partiels obtenus par Turbomeca sur une configuration proche. _ Le fonctionnement du compresseur est analysé à différentes vitesses de rotation, à partir de simulations RANS et URANS menées avec le code elsA. Du point de vue de la méthodologie, deux points importants sont à retenir :- Du fait du caractère transsonique de l’écoulement dans le rouet et le diffuseur radial à haut régime de rotation, les simulations RANS stationnaires ne permettent pas d’accéder à une description satisfaisante des phénomènes physiques. Cela est dû à l’utilisation d’un plan de mélange aux différentes interfaces rotor-stator qui a pour effet d’empêcher les ondes de choc de remonter à l’amont, et qui affecte tant la physique de l’écoulement que l’étendue de la plage de fonctionnement stable.- En-dessous d’un certain débit, les calculs URANS sur période machine révèlent que le comportement de l’étage n’obéit plus à la périodicité spatio-temporelle mono-canal. Une plage instable est alors obtenue à toutes les iso-vitesses simulées. A bas régime de rotation, une autre plage stable existe lorsque le compresseur est suffisamment vanné. L’étage retrouve alors une périodicité spatio-temporelle, à condition d’étendre le domaine de calcul dans le stator à deux canaux inter-aubes. En ce qui concerne les limites de stabilité de Turbocel, différentes évolutions sont décrites selon la vitesse de rotation considérée :- A haut régime de rotation, une basse fréquence commence à émerger près du point de rendement maximal et son intensité ne fait qu’augmenter jusqu.au pompage.- A bas régime, une signature basse fréquence comparable se manifeste près du point de rendement maximal mais disparaît passé un certain vannage, et n’est donc présente que sur une plage de débit délimitée. La seconde zone stable peut alors être numériquement parcourue jusqu.au pompage proprement dit. La signature basse fréquence est imputée à l’instauration d’une recirculation dans l’inducteur qui une fois établie est quasi-stationnaire. Les résultats numériques mettent en évidence que la source d’instabilité sévère sur Turbocel provient du diffuseur aubé. En fonction du point de fonctionnement, ce composant adopte des comportements différents, entre lesquels une certaine continuité existe, et ses performances chutent progressivement lorsque le débit diminue. Au final, les domaines de stabilité de l’étage de compression peuvent être reliés au type d’écoulement qui se développe dans le diffuseur radial, et apparaissent dictés par le diffuseur semi-lisse à haut régime de rotation. Enfin, afin d’étendre les plages de fonctionnement stable, une stratégie de contrôle basée sur l’aspiration de couche limite dans le diffuseur aubé a également été déterminée dans le cadre de cette thèse. Son évaluation fera l’objet d’études ultérieures sur Turbocel. / The present study aims at characterizing the aerodynamic instabilities involved in a centrifugal compressor designed by Turbomeca, by means of numerical simulation. This compressor is composed of inlet guide vanes, a centrifugal impeller, a radial vaned diffuser and axial outlet guide vanes. The test module, named Turbocel, will be delivered to the LMFA in 2016. Thus, the results presented in this manuscript are only based on CFD, although some of them are compared to experimental results obtained by Turbomeca on a close configuration.RANS and URANS simulations are performed for several rotational speeds, using the elsA software.Two methodological key points are to be emphasized:- As the flow in both the impeller and the radial diffuser is transonic at high rotational speed, steady RANS simulations cannot provide a satisfactory description of the physical phenomena taking place. This can be explained by the use of the mixing plane approach which prevents shock waves to extend upstream the rotor-stator interfaces, and which impacts the flow field predicted as well as the prediction of the stable operating range.- Below a given massflow rate, URANS simulations covering the spatial period of the compressor prove that the stage behavior does not obey to the single passage spatio-temporal periodicity anymore. An unstable operating range then appears at all the simulated rotational speeds. At low rotational speed, another stable range is however obtained if the compressor is further throttled’ A new periodicity arises on this massflow range, provided that the stator domain is extended to two neighboring blade passages. Concerning the stability domains of Turbocel, different evolutions are obtained depending on the rotational speed:- At high rotational speed, a low frequency phenomenon starts to develop near the peak efficiency point and its intensity keeps increasing until surge happens.- At low rotational speed, a low frequency signature also appears near the peak efficiency point, but it then vanishes when the compressor is further throttled, so that only a restricted operating range exhibits this instability. It then gives rise to a second stable operating range which can be described numerically, ending with surge itself. The low frequency signature is attributed to the enhancement of a flow recirculation in the inducer which, once fully established, is quasi-steady. The numerical results underline that the source of severe instability in the compressor comes from the vaned diffuser. Depending on the operating point, this component can adopt different behaviors, between which a relative continuity exists, and its performances decrease when the massflow rate decresases. The overall stage performances prove that at high rotational speed, the global stability is driven by the semi-vaneless diffuser and depends on the flow developing in the radial diffuser. Finally, in order to extend the stable operating range of the compressor, a flow control strategy based on boundary layer suction has also been determined in the diffuser. Its impact on the performances of Turbocel will be deeply studied later on.

La mousse métallique a des propriétés mécaniques et thermodynamiques uniques qui pourraient s'avérer utiles dans de nombreux domaines, tels que la construction légère et ingénierie automobile. Cependant, la mousse métallique n'est pas encore établie en génie.Une des raisons sont les difficultés et les prix élevés dans le processus de fabrication. Causée par drainage gravitaire en état liquide, peuvent se produire des distributions de matériel non homogènes. En outre, dépassant le drainage peut provoquer rupture de bulle et la génération de soufflures. Ces effets négatifs potentiellement peuvent être évités en ajoutant magnétique ou champs électromagnétiques au cours du processus de génération.Dans cette thèse, l'influence de ces champs est donc étudié en réalisant la phase de résolution des simulations. Ces simulations sont effectuées avec le code interne premier. Une modification de la modélisation de la collision était nécessaire pour enquêter sur l'agglomération de bulles dans le métal liquide.Calcul d'une configuration statique-drainage, les mécanismes de l'agglomération sont étudiés sans la présence de champs électriques ou magnétiques. Aux vitesses élevées de drainage, les bulles flottent. À des vitesses inférieures de drainage, les bulles s'agglomèrent dans la partie supérieure du domaine, formant des structures cristallines compacte.La préférence expérimentalement bien connue de commande cubes axés sur le visage, plus hexagonale compacte vous passez votre commande de volume égal bulles est reproduit numériquement. Appliquant davantage des simulations et expériences, un mécanisme de l'instabilité de la commande de façon hexagonale compacte est identifié, ayant pour résultat la préférence de commande de cubes axés sur le visage.Afin de déterminer les propriétés mécaniques de la mousse métallique solide avec la fraction de gaz faibles et aux fonctionnalités avantageuses et désavantageuses d'état d'arrangements de bulle, simulations par éléments finis de la mousse métallique solide avec cavités sphériques sont réalisées et comparées. Une influence significative de la quantité de cristaux de bulle sur la mécanique de la mousse se trouve. Le type de l'ordre cristallin est moins important.On étudie l'influence d'un champ magnétique horizontal sur l'agglomération de bulle. La résistance de drainage peut être augmentée sensiblement en ajoutant un champ magnétique. La structure résultante des bulles est moins sensible à un champ magnétique.Combinant un courant électrique horizontal et une perpendiculaire, champ magnétique horizontal se traduit par une force verticale de Lorentz. Cette force peut équilibrer la gravitation et donc, provoquer la rotation des bulles. Simuler cet État révèle une distribution homogène de bulle. Dans le même temps, friser les champs de force dans le voisinage de chaque bulle induire un mouvement continu en remuant. Petit champ électromagnétique forces n'empêchent pas les bulles d'agglomération, mais peuvent varier le montant de la commande cristallisé et par conséquent, les propriétés mécaniques de la mousse solide qui en résulte.En conclusion, un champ magnétique horizontal augmente la résistance de drainage, tandis que sa combinaison avec un courant électrique provoque des distributions de bulle homogène et peut modifier la structure de la mousse et la fraction de gaz. Les résultats de cette thèse pourraient aider à améliorer le processus de fabrication industrielle de mousse métallique ou même permettre la production de métal poreux avec la fraction de gaz définie par l'utilisateur. / Metal foam has unique mechanical and thermodynamic properties which could prove useful in many fields, such as light-weight construction and automotive engineering. However, metal foam is not yet established in engineering. One reason are the difficulties and high prices in the fabrication process. Caused by gravity-driven drainage in liquid state, inhomogeneous material distributions can occur. Also, exceeding drainage might cause bubble rupture and the generation of blow-holes. These negative effects potentially can be avoided by adding magnetic or electromagnetic fields during the generation process. In this thesis, the influence of these fields is therefore investigated by conducting phase resolving simulations. These simulations are carried out with the in-house code PRIME. A modification of the collision modelling was necessary in order to investigate the agglomeration of bubbles within liquid metal. Computing a static-drainage setup, the agglomeration mechanisms are investigated without the presence of electric or magnetic fields. At high drainage velocities the bubbles float. At lower drainage velocities the bubbles agglomerate in the upper part of the domain, forming close-packed crystalline structures. The experimentally well known preference of face-centred cubic ordering, over hexagonally close-packed ordering of equal-volume bubbles is reproduced numerically. Applying further simulations and experiments, an instability mechanism of hexagonally close-packed ordering is identified, resulting in the preference of face-centred cubic ordering. In order to determine the mechanical properties of solid metal foam with low gas fraction and to state advantageous and disadvantageous features of bubble arrangements, Finite-Element simulations of solid metal foam with spherical voids are carried out and compared. A significant influence of the amount of bubble crystals on the foam mechanics is found. The type of the crystalline ordering is less important. The influence of a horizontal magnetic field on the bubble agglomeration is investigated. The drainage resistance can be increased significantly by adding a magnetic field. The resulting structure of the bubbles is less sensitive to a magnetic field. Combining a horizontal electric current and a perpendicular, horizontal magnetic field results in a vertical Lorentz force. This force can balance gravitation and thus, cause rotation of the bubbles. Simulating this state reveals a homogeneous bubble distribution. At the same time, curling force fields in the vicinity of each bubble induce a continuous stirring motion. Small electromagnetic field strengths do not prevent the bubbles from agglomerating, but can vary the amount of crystallized ordering and therefore, the mechanical properties of the resulting solid foam. In conclusion, a horizontal magnetic field increases the drainage resistance, while its combination with an electric current causes homogeneous bubble distributions and can alter the foam structure and the gas fraction. The results of this thesis could help improve the industrial fabrication process of metal foam or even allow production of porous metal with user-defined gas fraction.

Plusieurs pays tels que la France, la Belgique et la Suisse prévoient de confiner leurs déchets radioactifs de moyenne et haute activités à vie longue dans des installations souterraines sises au sein de formations argileuses profondes. Ces formations constituent en effet de très bonnes barrières ultimes contre la dispersion des radionucléides, de par leur grande capacité de rétention et leur très faible perméabilité. Néanmoins, la dégradation de certains colis de déchets devrait libérer d’importantes quantités de sels nitratés et sulfatés solubles. Ainsi, ces panaches salins en déséquilibre chimique avec l’encaissant devraient conduire à des phénomènes de dissolution/colmatage, faisant évoluer localement la structure porale de la roche argileuse. Aussi, pour estimer la performance de telles installations souterraines, l’évolution des propriétés de confinement de ces roches en réponse à ces processus physicochimiques se doit d’être étudiée, et ce, sur des échelles de temps et d’espace représentatives du stockage. Cela est réalisé à l’aide de codes couplés chimie-transport basés sur une approche continue, avec la définition de volumes élémentaires représentatifs (VER). Cependant, ces codes s’appuient pour leurs simulations sur des relations empiriques, telles la relation d’Archie, utilisée pour décrire l’effet de rétroaction de la chimie sur les propriétés de transport diffusif. De ce fait, il est primordial, avant les simulations long-termes de tester la robustesse de ces relations. Dans ce cadre, le présent travail de thèse s’est intéressé au développement d’expériences de diffusion réactives pour estimer (i) l’impact de la précipitation de minéraux sur les propriétés de confinement de matériaux poreux “modèles” et (ii) la capacité des codes de chimie-transport à reproduire ce jeu de données expérimentales.La mise au point de ces expériences simplifiées a nécessité de se focaliser sur trois matériaux poreux « modèles », de la craie, de la kaolinite et de l’illite, choisis pour décrire une propriété spécifique des roches argileuses (charges de surface des argiles ou structure du réseau poreux). Par ailleurs, deux minéraux sulfatés, gypse et barytine, ont été sélectionnés comme minéraux susceptibles de précipiter car ils représentent deux extrêmes vis-à-vis de leur cinétique de précipitation et de leur solubilité. Dans un premier temps, les propriétés initiales de chaque matériau « modèle » ont été déterminées (distribution de taille de pores, coefficient de diffusion effectif (De) des traceurs de l’eau (HTO ou HDO) ou d’un traceur des anions (36Cl-)). La précipitation de la barytine a été étudiée sur les trois matériaux « modèles », tandis que celle du gypse uniquement au travers des échantillons de craie. Durant ces expériences de diffusion réactives, l’évolution des concentrations des réactifs dans les deux réservoirs enserrant l’échantillon poreux a été suivie, et, après un temps t, le 36Cl- et/ou les traceurs de l’eau ont été injectés dans le réservoir amont pour diffuser au travers des échantillons déjà impactés par la précipitation. En complément des essais de diffusion, des caractérisations des échantillons par micro-tomographie X (µCT) et par observation au Microscope électronique à Balayage (MEB) ont permis de préciser le rôle joué par la structure porale initiale du matériau « modèle » et celui des propriétés intrinsèques du minéral précipitant. Enfin, l’estimation de la robustesse des codes de chimie transport a été réalisée à l’aide de deux codes, HYTEC et CrunchTope, à l’aide de simulations 1D et 2D. / Several countries such as France, Belgium and Switzerland have proposed to host a deep geological facility to confine high and mid-level long lived radioactive waste into argillaceous formations. Such formations are considered as a potential host-rock, because of their very high containment properties, i.e. high retention capacity and very low permeability. However, decay of some radioactive waste are expected to release large amount of soluble salts of nitrate and/or sulfate nature. These saline plumes should generate physicochemical imbalance and, by enhancing mineral dissolution/clogging, could make evolve the local rock porous network. Thus, for safety assessment of such facility the evolution of rock containment properties in response to these physicochemical phenomena over large time and space scale needs to be investigated. This can be done by using diffusion-reaction numerical simulators based on equivalent (macroscopic) continuum approach considering representative elementary volume (REV). But, these codes rely on empirical relationships, such as the Archie’s law used to describe the feedback of chemistry on the diffusive transport properties. Thus, prior to long-term prediction, it is essential to create a data to test and improve the description of the feedback of chemistry on transport. In this view, this thesis work dealt with developing such reactive diffusion experiments to estimate mineral precipitation impacts on containment properties of porous materials under diffusive transport regime and the capability of REV chemistry transport codes to reproduce such an experimental dataset.In order to design these simplified experiments, three proxy porous materials (micritic chalk, compacted kaolinite and compacted illite) were chosen to address specific property describing claystones (clay surface charge, pore size distribution). Two sulfate-alkali minerals, namely barite and gypsum were selected as precipitating minerals, since they present two extremities in reference to their kinetic rate of precipitation and solubility. In a first step, intact properties of each proxy material were determined (pore size distribution, effective diffusion coefficient (De) of water tracers (HTO & HDO) and anionic tracer, 36Cl-). Barite precipitation was studied in all the proxy materials and gypsum precipitation was studied in chalk only. During these through diffusion experiments, we monitored the reactant concentration evolution in the reservoirs at both ends of the sample and, after a known experimental time, 36Cl- and/or water tracers were allowed to diffuse through the porous samples impacted by precipitation. In addition to diffusive testing, the combined impact of pore structure and intrinsic property of mineral (solubility and kinetic rate of precipitation) on final evolution of mineral in each proxy material was also quantified using X-ray tomography (µCT) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Finally, to test the robustness of chemistry transport codes, the results from the reactive diffusion experiments where barite or gypsum precipitated in chalk were numerically described in 1D and 2D using two codes namely HYTEC and CrunchTope.

Pour alléger les véhicules, des structures multi-matériaux utilisant des matériaux composites sont envisagées par les industriels automobiles. Les liaisons sont les points faibles de ces structures. Dans ce travail de thèse, le boulonnage, la fixation par insert et le collage utilisés dans l’assise d’un siège automobile en métal/composite ont été étudiés. Les pièces envisagées de l’assise ont été réalisées en composite tissé (verre/ PA6) et en composite injecté (verre/PA66). Y compris pour les films adhésifs, les lois de comportement ont été établies à partir d’essais expérimentaux. Pour les pièces munies d’un trou et pour la liaison boulonnée, le volume critique déterminant la rupture du composite tissé a été utilisé dans les calculs numériques. Dans le cas du collage, la distance critique déterminant la rupture de l’adhésif a aussi été considérée. Des éprouvettes de simple recouvrement et des triangles collés soumis à la torsion ont été testés et simulés. Pour la rupture d’une pièce en composite injecté à fibres courtes, la résistance mécanique du matériau a été évaluée en fonction de l’orientation locale des fibres. Une bielle en composite injecté a été testée et calculée. Les lois de comportement et les méthodes de prédiction de rupture établies ont été utilisées dans le calcul numérique du siège soumis à l’essai de choc. / To reduce the weight of vehicles, the multi-material structures with composite materials have been used in the automotive industries. However, the joints are considered as the weakest parts of the structure. In this work, the joining methods used for metal/ composite automotive seat, including a mechanical joint, a threaded insert and an adhesive joint, have been studied. The components of the seat under consideration were made of woven composite (glass/PA6) and short fiber composite (glass/PA66). The mechanical behaviors of the studied materials, including adhesives, have been modeled based on the experimental results. For parts containing an open-hole and for mechanical joints, the characteristic volume has been used to determine the failure of woven composite. In the case of adhesive joints, the characteristic length has been used to determine the failure. Single lap shear tests and the torsion tests on a bonded structure were conducted and simulated. For the failure of short fiber composite structure, the material strength has been evaluated as a function of local fiber orientation. The tensile tests on the short fiber composite connecting rod were conducted and simulated. Finally, the proposed constitutive laws and failure prediction methods were applied for the simulation of the automotive seat under crash test condition.

La microstructure des matériaux constitue un outil essentiel pour optimiser les propriétés mécaniques des structures et ainsi améliorer leurs performances. Ce manuscrit est organisé comme suit : - Dans le chapitre 1 nous introduisons les aspects généraux de la mécanique des renforts fibreux.- Dans le chapitre 2 nous rappelons certains concepts fondamentaux concernant la mécanique des milieux continus classiques et les théories de deuxième gradient.- Dans le chapitre 3 nous nous proposons de présenter une première modélisation des renforts fibreux de composites en mettant en place des modèles numériques discrets. Dans un deuxième moment nous introduisons une modélisation continue de deuxième gradient et nous montrons que les termes d’ordre supérieur permettent une description satisfaisante des effets de flexion locale sur-cités.- Dans le chapitre 4 on particularise le cadre général de la mécanique des milieux continus introduit dans le chapitre 2 au cas particulier des milieux continus 2D. - Dans le chapitre 5 nous introduisons une hypothèse cinématique forte sur les déformations ad- missibles, en supposant que les mèches du renfort considéré sont inextensibles. Une méthode numérique permettant de montrer certaines solutions concernant le cas du bias extension test est codée en Mathematica et les résultats obtenus sont discutés. / Generalized continuum theories may be good candidates to model micro-structured materials in a more appropriate way (both in the static and dynamic regime) since they are able to account for the description of the macroscopic manifestation of the presence of microstructure in a rather simplified way. 
The present manuscript is organized as follows: In chapter 1 a general description of fibrous composite reinforcements is given, with particular attention to the introduction of standard experimental tests which are used to characterize the micro- and macro-structural mechanical properties of such materials. In chapter 2 some fundamental issues concerning classical continuum mechanical models are recalled. Moreover, second gradient continuum models are introduced and discussed by means of the Principle of Virtual Work. Since the applications targeted in this manuscript are limited to static cases, we refrain here to treat the more general case including inertia effects. In chapter 3 we start analyzing some discrete and continuum models for the description of the mechanical behavior of 2D woven composites. At this stage of the manuscript, we want to show how some discrete numerical simulations allowed us to unveil some very special deformation modes related to the effect of the local bending of fibers on the overall macroscopic deformation of fibrous composite reinforcements. Such discrete simulations showed rather clearly that microscopic bending of the fibers cannot be neglected when considering the deformation of fibrous composite reinforcements. For this reason, we subsequently introduced a continuum model which is able to account for such microstructure-related effects by means of second gradient terms appearing in the strain energy density. In chapter 4 we reduce the general continuum mechanical framework introduced in Chapter 2 to the particular case of 2D continua. We put a strong accent on the geometric interpretation of second gradient deformation measures which are seen to be directly related to the in-plane curvatures of suitable coordinate lines. Such coordinate lines will be interpreted in the next chapters are the yarns of the considered 2D woven composite, so acquiring a direct physical sense. In chapter 5 we introduce a strong kinematical hypothesis on the admissible deformations, assuming that the yarns composing the woven reinforcements are inextensible. Such assumption allows us to build-up a simplified first gradient model for the behavior of 2D woven reinforcements which is still representative of their mechanical behavior. A constrained least Action principle is proposed and the associated integral Euler-Lagrange equations are presented. A numerical method allowing to show some solutions concerning the case of bias extension test is implemented in Mathematica and the obtained results are discussed.

Les fluides à seuil ont des propriétés mécaniques étonnantes : en dessous d'une certaine contrainte, appelée contrainte seuil, le fluide se comporte comme un solide. Au-delà de la contrainte seuil, ils s'écoulent comme un gel. Ce mémoire porte sur l'étude des actions des forces magnétiques volumiques sur ces fluides. Nous étudions la possibilité de réaliser la transition solide-gel à partir des forces magnétiques volumiques créées par différents dispositifs magnétiques. Ces fluides n'ont pas de propriétés magnétiques particulières. Il est donc nécessaire de créer des champs magnétiques intenses pour agir sans contact sur ces fluides. Nous étudions différentes configurations magnétiques capables de dépasser la contrainte seuil au sein du fluide. L'influence des différents paramètres des configurations magnétiques est explorée, notamment à l'aide d'études paramétriques. Notre travail mêle des équations de magnétostatique et de mécanique des fluides non-newtoniens. Les calculs de magnétostatique sont menés de façon analytique alors que la partie mécanique et le couplage magnéto-mécanique sont traités par un logiciel de simulation numérique par la méthode des éléments finis. Les conditions magnétiques et mécaniques nécessaires à la transition solide-gel et à la modification d'écoulements de fluides à seuil sont discutées, notamment à l'aide de simulations numériques et de nombres adimensionnels / Yield stress fluids have amazing mechanical properties: below a particular shear stress, called yield stress, the fluid behaves like a solid. Once the yield stress is exceeded, they flow like a viscous fluid or a gel. This thesis deals with the effects of magnetic volume forces on these fluids. We study the opportunity of the solid-gel transition from magnetic volume forces created by various magnetic devices. These fluids have no special magnetic properties. It is therefore necessary to create intense magnetic fields to act without contact on these fluids. We study different magnetic configurations that are able to exceed the yield stress in the fluid. The influences of different parameters of the magnetic configurations is explored, including using parametric studies. Our work combine equations of magnetostatic and non-newtonian fluid mechanics. Magnetostatic calculations are carried out analytically, while the mechanical and magneto-mechanical coupling are processed by a finite element analysis software. Magnetic and mechanical conditions required to the solid-gel transition and to the modification of yield stress fluids flows are discussed, using numerical simulations and dimensionless numbers

Cette thèse s'intéresse à la génération, à l'utilisation et à l'évaluation des maillages hex-dominants, composés d'hexaèdres et de tétraèdres, dans la cadre de la simulation numérique par la méthode des éléments finis. Les éléments finis hexaédriques sont souvent préférés aux éléments tétraédriques car ils offrent un meilleur ratio entre précision et temps de calcul dans un certain nombre de situations. Cependant, si la génération automatique de maillages tétraédriques est aujourd'hui un domaine bien maîtrisé, ce n'est pas le cas de la génération de maillages hexaédriques alignés avec le bord, qui reste un problème largement ouvert. En l'absence de progrès significatifs, les approches actuelles se contentent de maillages hex-dominants afin de tirer parti des performances supérieures des hexaèdres et de la flexibilité géométrique des tétraèdres, qui rend possible le maillage automatique. Dans une première partie, nous développons des algorithmes robustes pour la génération de maillages hex-dominants à partir de champs de directions, notamment pour l'isolement et le remplissage des régions difficiles à mailler (singularités et autres dégénérescences). Dans la seconde partie, nous essayons de déterminer dans quelles situations et dans quelle mesure les maillages hexaédriques, et hex-dominants générés précédemment, sont plus intéressants que les maillages tétraédriques. Ceci implique spécifiquement d'étudier plusieurs manières d'effectuer des simulations par éléments finis avec les maillages hybrides, dont une approche où nous utilisons des contraintes de continuité pour maillages non-conformes. Pour mesurer l'influence du maillage sur l'approximation des solutions, nous proposons une nouvelle méthode d'échantillonnage pour calculer très efficacement des distances globales entre solutions éléments finis définies sur des domaines compliqués / This thesis focuses on generation, usage and evaluation of hex-dominant meshes, which are made of hexaehedra and tetrahedra, in the context of the finite element method. Hexahedron finite elements are often preferred to tetrahedron elements because they offer a better compromise between accuracy and computation time in certain situations. However, if tetrahedral meshing is a well mastered subject, it is not the case of hexahedral meshing. Generating hexahedral meshes with elements aligned to the borders is still an open and difficult problem. Meanwhile, current automated approaches can use hex-dominant meshes in order to take advantage of both hexahedron accuracy and geometrical flexibility of tetrahedra. In the first part, we develop robust algorithms for the generation of hex-dominant meshes with elements aligned with the borders. Specifically, we propose a method to extract and fill the areas where hexahedral meshing is difficult (singularities and degeneracies). In the second part, we try to identify and to quantify the advantages of hexahedral and hex-dominant meshes over tetrehedral ones. This requires to study various ways to apply the finite element method on hybrid meshes, including one in which we propose to use continuity constraints on hexahedral-tetrahedral non-conforming meshes. To measure the impact of meshes on the finite element accuracy, we develop a new sampling method which allows to compute efficiently global distances between finite element solutions defined on complicated 3D domains