Academic literature on the topic 'Modèles de réseau de pores'

La nouvelle génération de logiciels destinés aux études d'assainissement dispose d'un nombre croissant de modèles hydrauliques et hydrologiques. Il en découle une augmentation des possibilités de choix parmi ces modèles qui complique la tâche des techniciens de l'assainissement. Pour limiter cette difficulté, nous suggérons d'introduire dans les logiciels des outils permettant d'aider les utilisateurs à choisir les modèles en adéquation avec le réseau à simuler. Dans cet article, nous nous intéresserons essentiellement aux modèles de propagation en conduite. Les modèles de propagation les plus usités sont un modèle basé sur les équations de Barré de Saint Venant et des modèles conceptuels nettement plus simples tels que le modèle Muskingum. Ces modèles présentent chacun des avantages et des inconvénients. Dans la pratique, plus un modèle est sophistiqué, mieux il est capable de représenter la réalité. En contrepartie, il est plus difficile à utiliser et nécessite davantage de données et des temps de calcul plus importants. Le problème qui se pose alors à l'utilisateur est de décider quel modèle utiliser. Pour régler ce problème, nous proposons un système d'aide au choix prenant en compte les caractéristiques du réseau étudié, les événements pluvieux simulés et le type d'étude réalisée. Les connaissances nécessaires pour cette aide au choix de modèles peuvent être de qualité variable. Pour mesurer la confiance à accorder à ces connaissances, il est nécessaire de prendre en compte les notions d'imprécision et d'incertitude. Cet état de fait nous a conduit, lors de l'élaboration de cet outil d'aide au choix des modèles de propagation en conduite, à définir un ensemble de règles utilisant la théorie des sous-ensembles flous.

Cet article présente un cadre de travail pour les recherches sur la performance des échanges de données informatiques dans les PME/PMI. Face aux contraintes de développement des systèmes d’information interorgani- sationnels qui touchent ces entreprises, au défaut de travaux exploratoires et à la faiblesse des modèles normatifs de mise en réseau EDI, une analyse est formulée pour tenter de répondre au problème de développement de cette technologie dans un contexte de liens et de marchés électroniques. Cette analyse contribue à établir un cadre conceptuel pour examiner le processus d’adoption de l’EDI et de changement organisationnel. Elle vise aussi à justifier une matrice d’analyse des performances induites par l’EDI. Le cadre conceptuel plaide pour une stratégie d’intégration informationnelle, cohérent avec les considérations d’activités et de choix technologiques. Les bénéfices et avantages recherchés par les PME/PMI découleront de cette stratégie d’entreprises en réseau. La matrice d’analyse des performances fixe les choix de modèles interorganisationnels. Les bénéfices et avantages seront évalués par rapport au niveau de management concerné.

Several simple quality–discharge models (concentration of suspended matter) are proposed for the atomatic real-time control of combined sewer system overflows. These models are calibrated and verified with data supplied by the City of Québec. They can be useful in setting up a control system which takes into account quality without using real-time measures, since their forecasting capability is interesting even if not perfect. Key words: urban runoff, combined sewer system, quality–discharge model. [Journal translation]

Identifier tous les processus physiques élémentaires du cycle hydrologique qui peuvent avoir lieu dans un bassin versant et attribuer à chacun d'eux une description analytique permettant la prévision conduisent à des structures complexes employant un nombre élevé de paramètres difficilement accessibles. En outre, ces processus, même simplifiés, sont généralement non linéaires. Le recours à des modèles à faible nombre de variables, capables de traiter la non-linéarité, s'avère nécessaire. C'est dans cette optique que nous proposons une méthode de modélisation de la relation pluie et débit basée sur l'utilisation de réseaux neuronaux. Les performances de ces derniers dans la modélisation non linéaire ont été déjà prouvées dans plusieurs domaines scientifiques (biologie, géologie, chimie, physique). Dans ce travail, nous utilisons l'algorithme de la rétropropagation des erreurs avec un réseau à 3 couches de neurones. La fonction de transfert appliquée est de type sigmoïde. Pour prédire le débit à un moment donné, on présente à l'entrée du réseau des valeurs de pluies et de débits observés à des instants précédents. La structure du réseau est optimisée pour obtenir une bonne capacité prévisionnelle sur des données n'ayant pas participé au calage. L'application du réseau à des données pluviométriques et débimétriques du bassin de l'oued Beth permet d'obtenir de bonnes prévisions d'un ou plusieurs pas de temps, aussi bien journalières qu'hebdomadaires. Pour les données n'ayant pas participé au calage, les coefficients de corrélation entre les valeurs observées et les valeurs estimées par les différents modèles sont élevés. Ils varient de 0.72 à 0.91 pour les coefficients de corrélation de Pearson et de 0.73 à 0.95 pour les coefficients de Spearman.

Selon les modèles de contagion sociale, les adolescents fréquentant des pairs ayant décroché dans leur réseau seraient plus à risque de quitter l’école avant l’obtention d’un diplôme. Cette étude se penche sur ce phénomène en considérant l’ensemble des pairs significatifs (amis, partenaires amoureux, fratrie) pouvant influencer la décision de décrocher. Les analyses portent sur un échantillon d’adolescents (N = 545) issus d’écoles secondaires québécoises de milieux défavorisés où les jeunes à risque de décrochage sont surreprésentés. Tel qu’attendu, les adolescents dont le réseau de pairs comporte des pairs ayant décroché récemment sont plus à risque de décrocher, surtout lorsque plus d’un type de pair significatif a décroché.

Plusieurs modèles de traitement ont démontré leur efficacité auprès des adolescents aux prises avec une consommation problématique de substances psychoactives. Cependant, un des problèmes majeurs demeure l’accès et la persévérance des jeunes en traitement. Le présent article explore le rôle du réseau social sur le parcours thérapeutique d’adolescents. Neuf jeunes âgés de 14 à 17 ans, recrutés au sein de services spécialisés en dépendance, ont été rencontrés dans le cadre de deux entrevues semi-structurées réalisées à environ trois mois d’intervalle. L’analyse de leurs propos suggère que les membres du réseau informel et ceux du réseau formel jouent un rôle déterminant sur la demande d’aide et la persévérance en traitement. Si les parents et les pairs peuvent tout aussi bien favoriser l’engagement que représenter des barrières au parcours, les intervenants professionnels ont généralement un rôle aidant. Cependant, ils gagnent à demeurer vigilants aux messages verbaux et non verbaux qu’ils envoient. L’étude fait ressortir l’importance d’identifier les alliés à l’engagement thérapeutique.

Résumé Un aspect majeur des récentes politiques québécoises concernant le système de santé, et le système de santé mentale en particulier, réside dans l'encouragement à la « concertation » entre partenaires : établissements du réseau, organismes communautaires, personnes dispensant des soins sur une base formelle et informelle, et bénéficiaires. Mais concertation pour quoi faire ? À partir d'une recherche exploratoire dans trois sous-régions de Montréal, nous décrivons et analysons différentes pratiques de concertation mises en oeuvre par les intervenants sur le terrain. Nous faisons l'hypothèse que les pratiques dans chacune des trois sous-régions révèlent une cohérence propre et des caractéristiques distinctives, selon la configuration des ressources de la sous-région, mais aussi selon le modèle de concertation envisagé par les « partenaires » dominants dans la sous-région. Or, nous avons identifié trois modèles de concertation.

La microirrigation est une technique dont l'uniformité de distribution d'eau par les goutteurs est très sensible aux faibles variations de pression. Pour maîtriser ces variations, avec davantage de précision, le présent travail est basé sur une analyse hydraulique approfondie de l'écoulement aboutissant à des équations différentielles aux dérivées partielles dont la pression et la vitesse de l'eau sont des inconnues. Ces équations non linéaires sont résolues en utilisant la méthode d'intégration Runge-Kutta d'ordre quatre. Les modèles développés dans la présente étude permettent de simuler la dynamique de l'eau dans la rampe et dans le réseau et sont utilisés pour déterminer le dimensionnement optimal du réseau. Les résultats obtenus corroborent ceux publiés par d'autres auteurs ayant utilisé la méthode des volumes de contrôle ou la méthode des éléments finis.

La protection et la remédiation des ressources en eau sont un enjeu sociétal majeur, ainsi il est nécessaire de comprendre l’évolution de solutés, tels les polluants, au sein de la zone saturée et non saturée. Dans ce but, de nombreux travaux ont été consacrés à la modélisation du transport réactif en milieux poreux. Son déroulement à l’échelle de Darcy dépend des hétérogénéités microscopiques du milieu. Les modèles de réseau de pores qui simplifient la géométrie en un ensemble de pores reliés par des liens de sections constantes, permettent de se placer à une échelle mésoscopique, faisant le lien entre l’échelle porale et l’échelle de Darcy. Sur de telles formes géométriques, l’écoulement admet un traitement analytique. En ce qui concerne le transport réactif des solutés, nous proposons une solution analytique dans les liens qui permet de calculer le débit de masse entre pores. Le modèle de transport se formule alors comme un système d’équations de Volterra de secondes espèces dont les noyaux de convolution sont des séries d’exponentielles décroissantes (hormis le premier terme qui est constant). Leurs temps de relaxation sont pilotés essentiellement par le temps de dispersion td. Dans la limite où td tend vers 0 à Péclet constant, les termes transitoires des noyaux se réduisent à un Dirac, débouchant sur un premier modèle simplifié à réponse instantanée c'est-à-dire un modèle de transport quasi-statique. Dans le cas où les volumes des pores sont suffisamment grands, les noyaux se réduisent à leur premier terme. Ces formulations du transport généralisent celles de la littérature. En particulier pour des Péclet petit ou grand on retrouve respectivement les modèles usuels en régime dispersif et convectif. Numériquement, la décroissance exponentielle des noyaux permet d’optimiser le calcul des convolutions avec une précision arbitrairement fixée, réduisant drastiquement le temps de résolution
Protection and remediation of ground water resources are a major societal challenge. It implies to understand the evolution of solutes as pollutant in the saturated and non-saturated zones. For that purpose numerous studies have been conducted for modeling the reactive transport in a porous media. At Darcy scale, the behavior of solutes depends on microscopic heterogeneity for the media. The Pore Network Models (PNM) simplifies drastically its geometry and considers pores linked by straight throats the section of which is constant. They give a description which is in between the macroscopic and the pore descriptions. With such geometry it is possible to use a Poiseuille flow modeling the flux. With respect to the reactiontransport equation, we seek the analytical solution of the CDE in throats, which in turn allows computing the mass flux in pores. The transport solution consists of a Volterra equation system. Its convolution kernels result in a summation of time function which is decreasing exponentially with time (except the first term which still constant). The time constant is driven by the diffusion time td. As td goes to zero, keeping the Peclet number fixed, each term of the summation reduces to a Dirac. The response of the system is then instantaneous. When the volume of the pore is large enough it is possible to neglect all the term of the kernel except the constant one. In the limit where the Peclet number goes to zero, usual models are recovered. Numerically, the exponential time decreasing of the kernel allow to optimize their computational time up to an arbitrary fixed precision

Cette thèse propose d'étudier en détail une méthode générale de construction d'un réseaude pores interconnectés à partir d'une image 3D d'un matériau poreux afin de calculer laperméabilité absolue. Un squelette de l'espace poral est tout d'abord utilisé pour définir laposition des pores. Ce squelette est transformé en graphe, puis plusieurs étapes de fusiondes nœuds sont réalisées pour obtenir un réseau exploitable. Une ligne de partage des eauxprenant comme marqueurs les nœuds du graphe permet d'attribuer une géométrie auxpores. Le système d'équation linéaire à résoudre est construit en intégrant les équations deStokes sur des éléments de l'espace poral. Une méthode originale de calcul du coefficient deproportionnalité existant entre les pressions au centre de deux pores et le débit traversantla surface les séparant est proposée. Une application de l'intégralité de l'approche estégalement présentée sur un matériau réel.

La diffusion d'isomères du n-hexane (nC6) dans la silicalite-1, en corps pur et en mélange binaire, est étudiée par des simulations de Monte Carlo cinétique, pour comprendre les effets de corrélation entre les molécules. Les modèles originaux élaborés tiennent compte des interactions entre les molécules et des capacités à saturation, se basant sur des vitesses de saut anisotropiques pour prendre en compte la répartition des molécules dans la zéolithe. Les évolutions en fonction du taux de remplissage des coefficients d'auto-diffusion et de diffusivité corrigée pour le nC6 et nC7, en corps purs à 300K, sont en accord avec ceux de Diffusion Quasi-Elastique de Neutrons. Les résultats sur le mélange binaire nC6/2,2-diméthylbutane (22DMB) montrent un impact des interactions nC6-22DMB sur les deux coefficients de diffusion des deux espèces, des effets de taille prédominant à proximité de la saturation en 22DMB. Les effets d'accélération/décélération sont confirmés
The diffusion of n-hexane (nC6) isomers in the silicalite-1, as single component or in binary mixtures, is studied by Kinetic Monte Carlo simulations to get a better insight of correlation effects between molecules. Original models, based on anisotropic transition rates to account for the molecule distribution within the zeolite, consider guest-guest interactions and different saturation capacities. Simulated loading dependences of single component self- and corrected diffusivities of nC6 and nC7 are in good agreement with Quasi-Elastic Neutron Scattering data. Results on binary diffusion of nC6/2,2-dimethylbutane (22DMB) mixtures show the impact of nC6-22DMB interactions on both self- and corrected diffusivities of the two species, while molecule-size effects prevail near 22DMB saturation capacity. Acceleration/deceleration effects are confirmed

Cette thèse présente une contribution à l’étude des transferts d’eau au sein des piles à combustible de type PEMFC, un aspect clé de cette technologie. Une approche de simulation numérique est développée en couplant un modèle de type réseau de pores dans la couche de diffusion (DM), une approche mixte continue–réseau de pore dans la couche microporeuse (MPL) et une modélisation par compartiments dans la couche active. L’approche développée prend en compte les transferts couplés de chaleur et d’eau via notamment la modélisation des phénomènes de changement de phase dans la DM et la MPL (évaporation et condensation). Dans une première partie, nous étudions le cas où l’eau migre dans l’assemblage MPL-DM directement en phase liquide. L’impact de la variation de pression dans la phase gazeuse sur la distribution de la phase liquide est étudié. L’épaisseur optimale de la MPL est également étudiée. Dans une seconde partie, nous étudions des situations où l’eau se forme par condensation dans la couche de diffusion. Nous étudions tout d’abord l’impact des propriétés de la couche de diffusion et de la MPL sur le diagramme de condensation. Ensuite nous analysons l’impact de la formation de l’eau liquide sur la distribution de courant locale. Enfin, l’impact de la mouillabilité sur les figures de condensation est étudié. Cette dernière étude est vue comme un premier pas vers l’étude des mécanismes de dégradation dans le régime de condensation.

L'étude des phénomènes fondamentaux de

transport et de thermodynamique apparaissant lors de l'évaporation

en milieu poreux permet l'investigation d'applications pratiques

variées. Dans ce travail, nous développons des modèles fondamentaux

d'évaporation en milieu poreux que nous appliquons ensuite au

séchage en lit fluidisé de deux matériaux granulaires poreux :le

PVC et la levure.

Les modèles mis au point sont réalisés suivant une approche

multiéchelle. Nous nous intéressons tout d'abord aux phénomènes se

déroulant à l'échelle d'un pore. Les modèles développés à cette

échelle sont ensuite exploités dans le cadre d'une étude à l'échelle

d'un grain poreux. Le couplage des modèles de grain avec un modèle à

l'échelle du réacteur permet alors l'étude des applications

industrielles.

A l'échelle du pore, nous étudions les phénomènes de transport dans

un capillaire initialement rempli de liquide qui s'évapore vers

l'atmosphère ambiante. L'objectif est de prédire le taux

d'évaporation dans cette configuration. Nous nous intéressons

successivement à la modélisation du transport de matière par

convection-diffusion en phase gazeuse et la modélisation de l'impact

de films liquides adsorbés à la paroi du capillaire sur le transport

de matière. Ces deux modèles sont confrontés à des expériences

d'évaporation en capillaires cylindriques visualisées à l'aide de

deux dispositifs optiques. Le premier offre un suivi d'ensemble au

cours du temps du capillaire, alors que le second, un interféromètre

de Mach-Zehnder, permet une visualisation locale de la région

entourant le ménisque.

Le modèle portant sur le transport de matière par

convection-diffusion mène à la définition d'un critère non

dimensionnel permettant d'évaluer si la convection dans la phase

gazeuse dans le capillaire doit être prise en compte pour évaluer le

taux d'évaporation. Le modèle de film permet de prédire l'impact de

celui-ci sur l'évaporation en présence d'un gaz inerte lorsque les

mouvements convectifs en phase gazeuse sont négligeables. La

confrontation de ce modèle avec les profils d'épaisseur des films

obtenus à l'aide de interféromètre de Mach-Zehnder ne permet pas de

valider le modèle, et ce, suite à une trop grande incertitude sur

l'évaluation des interactions entre la paroi et le liquide.

A l'échelle d'un grain, nous développons un modèle discret par

réseau de pores et deux modèles continus pour tenter de prédire le

taux d'évaporation et la distribution des phases dans le milieu

poreux. Le modèle par réseau de pores prend en compte les transports

de matière par diffusion en phase gazeuse, par convection dans les

pores remplis de liquide et par convection dans les films liquides.

Les effets visqueux en phase liquide sont également modelisés. Pour

la prise en compte de ces derniers, nous montrons l'importance de

l'usage d'un algorithme approprié. Nous évaluons ensuite au travers

de trois nombres sans dimensions l'impact du transport par film et

des effets visqueux sur l'évaporation et la distribution des phases.

Cette analyse dimensionnelle est ensuite appliquée à l'étude de

réseaux de pores pour lesquels la section des liaisons les

constituant est idéalisée par des polygones réguliers. Pour les

modèles continus après une vérification simplifiée de

l'applicabilité de cette démarche, nous développons deux modèles

simples. Dans les deux modèles, l'étape de séchage à vitesse

constante est supposée limitée par le transport de matière externe

au grain. Le premier modèle, dit à front pénétrant, suppose que

l'étape de séchage à vitesse décroissante correspond à l'existence

d'un front d'évaporation qui s'enfonce dans la matrice poreuse. Le

second modèle, dit à surface d'échange variable, attribue cette même

étape du séchage à une diminution progressive de la surface

d'évaporation en surface du grain.

A l'échelle du réacteur, nous présentons deux modèles visant à

simuler deux types d'essais différents :le séchage en lit fluidisé

et la thermogravimétrie analytique. Ces deux modèles sont couplés

aux différents modèles à l'échelle de grain pour étudier le séchage

de PVC et de levure tant en lit fluidisé que lors des essais de

thermogravimétrie analytique.

Dans le cas du PVC, le modèle par réseau de pores ne peut pas être

appliqué de par la nécessité d'une trop grande puissance de calcul.

Au niveau des modèles continus, nous montrons que l'application du

modèle à surface d'échange variable permet de reproduire les courbes

de séchage expérimentales des essais en lit fluidisé.

Dans le cas de la levure, nous appliquons le modèle par réseau de

pores et le modèle à front pénétrant. L'utilisation du modèle par

réseau de pores nécessite une connaissance plus détaillée de la

structure poreuse des grains. Le traitement d'une analyse par

microtomographie nous permet d'obtenir un réseau de pores

expérimental. Celui-ci est utilisé pour montrer que la méthode de

caractérisation de la porosité par intrusion de mercure ne semble

pas adaptée à un matériau deformable comme la levure. Le même réseau

est utilisé pour simuler le séchage de grains de levure à l'aide du

modèle par réseau de pores. Les simulations sont réalisées sur des

réseaux équivalents à des coupes dans le solide. Le modèle par

réseau de pores et le modèle à front pénétrant permettent tous deux

de modéliser correctement le séchage de levure en lit fluidisé

moyennant l'ajustement de leurs paramètres ajustables,

respectivement la conductibilité des films liquide et la tortuosité.

Pour l'essai de thermogravimétrie, ils ne parviennent à approcher

que la première étape de celui-ci. Les avantages, défauts et

complémentarités de ces deux modèles sont discutés.

Nous évaluons ensuite l'impact du rétrécissement de la levure et des

types d'eau sur le séchage de ce matériau. Le rétrécissement est,

pour ce faire, mesuré à l'aide d'un stéréomicroscope. Ces premières

mesures, exploratoires, mènent à la définition d'un modèle empirique

de retrait du solide au cours de son séchage. En le prenant en

compte dans les modèles déjà appliqués à la levure, nous montrons

que le retrait a un impact significatif sur l'étape de séchage à

vitesse décroissante. Cet impact

peut cependant être masqué intégralement par la réévaluation

des paramètres ajustables des différents modèles. Finalement,

l'étude des types d'eau au travers d'un modèle simple appliqué à

l'essai de thermogravimétrie analytique montre que les types d'eau

ne doivent pas être pris en compte pour modéliser le séchage de

levure.

A l'issue de ce travail, nous disposons donc de modèles fondamentaux

d'évaporation en milieu poreux. Ceux-ci peuvent être appliqués à des

cas d'intérêt industriel, comme nous le réalisons pour le PVC et la

levure. Ils peuvent servir à améliorer la

compréhension de ces procédés. Ils représentent donc des

outils de choix pour la conception, le dimensionnement et

l'optimisation du séchage.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur
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L’activité des microorganismes hétérotrophes contrôle la vitesse de décomposition de la matière organique du sol (MOS) et pourrait donc être déterminante dans la régulation du climat. La forte hétérogénéité spatiale des conditions abiotiques dans le sol est supposée influencer cette activité, en régulant notamment l’accessibilité des nutriments aux décomposeurs via des processus de transport (diffusion, convection) et de rétention (adsorption). L’échelle des microhabitats – soit celle des pores – apparaît donc pertinente pour étudier les processus de biodégradation dans le sol. Elle reste cependant inhabituelle à cause de difficultés expérimentales qui lui sont associées.Un modèle spatialisé a été construit pour explorer les effets de conditions abiotiques hétérogènes dans les microenvironnements du sol sur la cinétique de biodégradation de substrats carbonés par des microorganismes – représentées ici par des bactéries immobiles. Il résulte du couplage entre un modèle de Boltzmann sur réseau (TRT-LBM [Ginzburg, 2005]) et un modèle biogéochimique de carbone. Il calcule des processus de transport – diffusion – et de biodégradation à l’échelle des pores, dans des milieux hétérogènes dont certaines propriétés structurales sont explicitement décrites, telles que l’architecture de la porosité (implémentée sous la forme d’images discrètes), la distribution de l’eau à saturation partielle et l’arrangement spatial des substrats et des décomposeurs – représentés ici par des bactéries immobiles. L’influence de ces différents facteurs a été évaluée en analysant la variabilité de la cinétique de biodégradation pour une gamme de scénarios décrivant des conditions abiotiques contrastées. Cette source de variabilité a pu être comparée aux incertitudes relevant de la description du métabolisme microbien. Enfin, des expérimentations manipulant la structure de milieux hétérogènes ont été réalisées pour confronter tendances simulées et observées
Heterotrophic microorganisms control soil organic matter (SOM) decomposition and may thus have a key importance in climate regulation. Heterogeneous abiotic conditions in soil microenvironments are thought to affect soil decomposers activity by controlling nutrient accessibility through solute transport (diffusion, advection) and sorption processes. Microhabitat – or pore – scale thus appears relevant to study biodegradation processes, but is also challenging to investigate by experimental means.A discrete model was created to explore the effect of abiotic conditions in soil microenvironments on biodegradation kinetics. It results from the coupling of a zero-dimensional soil carbon model and a lattice Boltzmann model (TRT-LBM [Ginzburg, 2005]). It simulates diffusion and biodegradation at the pore scale, as affected by explicitly described structural factors, such as the 3D pore architecture (approximated by discrete images), water distribution under unsaturated conditions and the spatial arrangement of substrates and decomposers – viewed here as immobile bacteria. The model was tested in a range of scenarios depicting contrasted abiotic conditions. The variability in biodegradation kinetics was analyzed to infer the contributions of physical factors. This source of variability was compared to uncertainties associated to biological metabolism description. Finally, experiments manipulating structural factors were performed to confront observed and simulated trends

Les matériaux poreux sont largement utilisés en génie chimique. À l'échelle mésoporeuse, les effets de confinement influencent la thermodynamique et les conditions de transport. En effet, l'architecture du matériau poreux peut augmenter les limitations de transfert de masse à l'intérieur du catalyseur. Par conséquent, comprendre non seulement les propriétés texturales mais aussi la topologie du solide est important pour améliorer les performances du catalyseur et la précision des différents modèles permettant de concevoir et d'évaluer les performances des réacteurs hétérogènes. L'alumine gamma est un matériau poreux désordonné à tortuosité élevée très souvent utilisé dans le raffinage du pétrole et la pétrochimie, dont la topologie n'est pas encore totalement comprise (1, 43, 44). Des articles de recherche récents suggèrent que ce matériau a différents domaines de pores, chacun caractérisé par sa propre distribution de taille de pores et sa propre fraction de vide (45). L'interaction entre ces différents niveaux joue clairement un rôle dans une diffusion efficace. En créant des jumeaux numériques d'échantillons réels d’alumine, il est possible de mieux comprendre comment les propriétés texturales et la topologie du réseau influencent la diffusion à travers le réseau à un niveau fondamental. Dans ce travail, un modèle de génération de réseau de pores rapide et flexible est créé. Ensuite, différents algorithmes pour caractériser le réseau de pores numériques sont développés. Ces algorithmes simulent la porosimétrie à l'azote, la porosimétrie au mercure, la cryoporométrie et la résonance magnétique nucléaire à gradient de champ pulsé (PFG-RMN). Un jumeau numérique d'alumine gamma est finalement créé en optimisant les paramètres d'entrée du modèle de réseau de pores pour s'adapter à une isotherme de sorption mesurée expérimentalement. En utilisant des simulations de diffusion sur le modèle de réseau de pores ajusté aux courbes de sorption d'azote, un facteur de tortuosité a été prédit qui diffère de moins de 20 % du facteur de tortuosité mesuré par PFG-RMN. Cela illustre comment un jumeau numérique permet de fournir une estimation raisonnable du facteur de tortuosité à partir d'expériences de porosité à l'azote facilement disponibles
Porous materials are widely used in chemical engineering. At the mesoporous scale, confinement effects influence the thermodynamic of the system and the transport conditions. Indeed, the architecture of the pore network is the origin of mass transfer limitations within disordered porous materials. Therefore, it is important to understand not just the textural properties of the solid but also its pore network characteristics. Gamma-alumina is a disordered porous material with an elevated tortuosity very often used in the oil refining and petrochemistry, whose topology is not yet fully understood (1, 43, 44). Recent research articles propose that this material has different pore domains, each one characterized by its own pore size distribution and void fraction (45). The interplay among these different levels clearly plays a role in effective diffusion. This work intends to better understand the textural and topological descriptors of gamma alumina by creating a digital representation of it. The catalyst is represented using a pore network model. The pore network representation is then characterized using originally developed computational equivalents of textural and mass transfer characterization techniques. The experimental validation was done through the generation of digital twins for real gamma alumina samples. Using diffusion simulations on the pore network model fitted to the nitrogen sorption curves, a tortuosity factor was predicted that differs by less than 20% from the tortuosity factor measured by PFG-NMR. This illustrates how a digital twin allows to provide a reasonable estimate for the tortuosity factor from readily available nitrogen porosity experiments. The research work in this thesis is the start of the path to ultimate goal of improving the catalytic performance of disordered porous catalyst by the digital optimal design of the material architecture. At the same time, the accuracy of the models used to design and evaluate heterogeneous reactor performance will be improved

Le contrôle thermique des composants électroniques embarqués dans les engins spatiaux est souvent assuré par des boucles fluides diphasiques à pompage capillaire (Loop Heat Pipe (LHP) ou Capillary Pumped Loop (CPL)). La présente étude est centrée sur les évaporateurs des LHP. Ils sont composés principalement d’un bâti métallique, d’une mèche poreuse et de cannelures. Le milieu poreux est initialement saturé en liquide. La charge thermique à évacuer est appliquée sur le bâti entraînant la vaporisation du liquide au sein de la mèche. La vapeur est ensuite récoltée au sein des cannelures pour être évacuée. L’étude est effectuée sur une cellule unitaire de l’évaporateur. Dans le but d’étudier les transferts de masse et de chaleur, un modèle de réseau de pores 3D dit mixte a été développé. Les champs de pression et de température sont calculés à partir des équations macroscopiques tandis que la capillarité est gérée à l’aide d’une approche réseau de pore classique. L’un des avantages d’une telle formulation est de pouvoir accéder à la répartition des phases liquide et vapeur au sein de l’espace poral du milieu poreux. Il a ainsi été mis en évidence qu’une zone diphasique (zone où le liquide et la vapeur coexistent) se met en place pour une large gamme de flux lorsque la vapeur apparait dans la structure capillaire. Cette zone diphasique est localisée sous le bâti métallique et est corrélée avec les meilleures performances thermiques de l’évaporateur. Cette observation diffère fortement de l’hypothèse souvent considérée de la présence d’une zone sèche dans cette région. Trois positions différentes de cannelures ont été étudiées. Il a ainsi pu être mis en évidence que la plus large gamme de flux, pour laquelle les performances de l’évaporateur sont les meilleures, est obtenue lorsque les cannelures sont usinées à la surface extérieure de la mèche. Toujours dans le but d’améliorer les performances thermiques de l’évaporateur, une étude paramétrique a été menée pour mettre en évidence les paramètres qui influencent positivement la conductance de l’évaporateur. Finalement, l’étude de l’influence d’une mèche biporeuse/bidispersée, c’est-à-dire d’un milieu poreux caractérisé par deux tailles de pores/liens différentes, a été menée. La distribution des phases liquide et vapeur au sein de la structure capillaire bidispersée est différente de celle d’un milieu mono-poreux du fait des chemins préférentiels créés par les larges pores. Par ailleurs, l’analyse thermique a montré qu’un tel milieu poreux permet de réduire considérablement la température du bâti ainsi que d’augmenter les performances thermiques de l’évaporateur. Un deuxième modèle basé sur une approche continue a été développé. Cette méthode utilise l’algorithme IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation) et est couplé à la résolution du champ de température avec changement de phase. Ce type de résolution permet d’accéder à un champ de saturation. Les résultats ainsi obtenus sont en bon accord avec ceux prédits par le modèle réseau de pores mixte. Le modèle continu, moins gourmand en temps de calcul, permet d’envisager des simulations sur une plus grande partie de l’évaporateur
The thermal control of electronic devices embedded in spacecraft is often carried out by capillary twophase loop systems (Loop Heat Pipe (LHP) or Capillary Pumped Loop (CPL)). This thesis focuses on the LHP evaporators. They mostly consist of a metallic casing, a porous wick and vapour grooves. The porous medium is initially saturated with liquid. The heat load is applied at the external surface of the casing inducing the vaporisation of the liquid within the wick. The vapour is then evacuated thanks to the vapour grooves. A unit cell of the evaporator is studied and corresponds to our computational domain. A so-called 3D mixed pore network model has been developed in order to study the heat and mass transfers. Pressure and temperature fields are computed from macroscopic equations, while the capillarity is managed using the classical pore network approach. The main advantage of such formulation is to obtain the liquid-vapour phase distribution within the porous medium pore space. The work highlights that a two-phase zone (characterized by the coexistence of the liquid and the vapour) exists for a large range of fluxes when vaporisation takes place within the capillary structure. This twophase zone is located right under the casing and is positively correlated with the best evaporator thermal performances. This result differs from the often made assumption of a dry region under the casing. Three different groove locations are tested. This investigation highlights that evaporator thermal performances are the best over a large range of fluxes for grooves manufactured at the external surface of the wick. In complement, a parametric study is performed to highlight parameters which impact positively the evaporator thermal performances. Finally, a biporous/bidispersed wick, i.e. a wick with a bimodal pore/throat size distribution, is studied. The liquidvapour phase distribution within the capillary structure is different from the one for a monoporous structure due to preferential vapour paths created by the large throats and pores-network. Moreover, the thermal analysis shows that such a porous medium permits to reduce considerably the evaporator wall temperature and to increase the evaporator thermal performances. A second model is developed based on a continuum approach. This method uses the IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation) algorithm coupled with the heat transfer with phase change. Results are in good agreement with those predicted by the mixed pore network model. The continuum model, requiring less computing time, should allow considering larger sub domains of the evaporator

Dans cette thèse, des simulations PN de séchage sont comparées à des données expérimentales obtenues dans le séchage d´un réseau de micro-fluidique 2D représentatif dans du SiO2 soumis à des conditions thermiques variables dans le but d’identifier les phénomènes physiques à l´échelle des pores qui sont les plus influents. A partir de cette étude, un PN efficace non-isotherme est développé. Ce modèle incorpore i) les phénomènes associés à la dépendendence en température de l´invasion à l´échelle des pores, c´est à dire l´invasion capillaire sous effet thermique et le flux de vapeur ainsi que ii) le transport secondaire induit par d´épais films liquides observé dans les expériences de microfluidique. Cette étude prouve clairement que le comportement macroscopique du séchage est fondamentalement dirigé par le gradient de température imposé sur le PN ainsi que par le transport capillaire secondaire. En accord avec la littérature, les schémas d´invasion que l´on trouve dans l´invasion percolatrice avec l´évaporation progressive d´amas individuels sont observés dans le séchage à variation de température locale négligeable;des gradients où la température diminue à partir de la surface (gradient de température négatif)peut stabiliser le front de séchage, qui évolue entre la phase gazeuse invasive et la phase liquide qui recule, alors qu´une température qui augmente à partir de la surface (gradient de température positif) amène à la déstabilisation de la phase liquide avec une percée prématurée de la branche gazeuse et l’initiation d´un deuxième front de séchage qui migre dans la direction opposé de celle du front de séchage original. Une attention particulière est prêtée aux régimes distincts que l´on trouve dans le second cas (gradient positif) parce qu´ils sont associés à différents procédés d´invasion à l´échelle des pores. Plus précisément, la dépendance en température de la tension de surface établit l´ordre d´invasion tant que la phase liquide est connectée au groupe liquide principal (que l´on trouve généralement pendant la première période de séchage). En revanche,l´étude détaillée des mécanismes de transfert de la vapeur met l´accent sur le fait que la diffusion de la vapeur à travers la région partiellement saturée peut contrôler les distributions des phases gazeuses et liquides à l´échelle des pores pendant la période de séchage lorsque la phase liquide est déconnectée en petits groupes. Cela est aussi lié à la croissance des amas induite par la condensation partielle de la vapeur. Cette thèse montre et discute en détail que cet effet ne dépend pas seulement de la direction et magnitude du gradient de température pour une distribution de tailles de pores donnée mais qu’en plus le taux d´évaporation influence le mécanisme de croissances des amas. Cela indique que la migration du liquide pendant la phase de séchage de milieux poreux peut être contrôlé par l’interaction des gradients thermiques et du taux de séchage. En somme, l´étude du séchage sous effet thermique des réseaux de pores 2D révèle des phénomènes complexes à l´échelle des pores, généralement aussi anticipés dans le séchage des milieux poreux réels. Cela mène au développement d´un modèle mathématique efficace au niveau des pores basés sur des découvertes expérimentales. Cette thèse démontre la manière dont ce modèle peut être appliqué afin de comprendre et développer des procédés de séchage modernes basés sur la simulation du transfert de masse sous effet thermique à l´échelle des pores
In this thesis, PN simulations of drying are compared with experimentally obtained data fromdrying of a representative 2D microfluidic network in SiO2 under varying thermal conditions withthe aim to identify governing physical pore scale effects. Gravity and viscous effects aredisregarded in this thesis. Instead drying with slight local temperature variation and drying withimposed thermal gradients are studied. Based on this investigation, a powerful non-isothermalPNM is developed. This model incorporates i) the phenomena associated with the temperaturedependency of pore scale invasion, namely thermally affected capillary invasion and vapor flow aswell as ii) the secondary effects induced by wetting liquid films of different morphology. This studyclearly evidences that the macroscopic drying behavior is fundamentally dictated by thetemperature gradient imposed on the PN and moreover by the secondary capillary invasion aswell. In agreement with literature, invasion patterns as in invasion percolation with progressiveevaporation of single clusters are observed in drying with negligible local temperature variation;gradients with temperature decreasing from the surface (negative temperature gradient) canstabilize the drying front, evolving between the invading gas phase and the receding liquid phase,whereas temperature increasing from the surface (positive temperature gradient) leads todestabilization of the liquid phase with early breakthrough of a gas branch and initiation of asecond invasion front migrating in opposite direction to the evaporation front receding from theopen surface of the PN. Special attention is paid on the distinct drying regimes found in thesituation of a positive gradient because they are associated with different pore scale invasionprocesses. More precisely, temperature dependency of surface tension dictates the order ofinvasion as long as the liquid phase is connected in a main liquid cluster (usually found during thefirst period of drying). In contrast to this, detailed study of the vapor transfer mechanismsemphasizes that vapor diffusion through the partially saturated region can control the pore leveldistributions of liquid and gas phase during the period of drying when the liquid phase isdisconnected into small clusters. This is also related to the cluster growth induced by partialcondensation of vapor. It is shown and discussed in detail in this thesis that this effect not onlydepends on direction and height of the temperature gradient for a given pore size distribution butthat moreover the overall evaporation rate influences the cluster growth mechanism. This indicatesthat liquid migration during drying of porous media might be controlled by the interplay of thermalgradients and drying rate. In summary, the study of thermally affected drying of the 2-dimensionalPN reveals complex pore scale mechanisms, usually also expected in drying of real porous media.This leads to the development of a strong mathematical pore scale model based on experimentalfindings. It is demonstrated how this model might be applied to understand and develop moderndrying processes based on the simulation of thermally affected pore scale mass transfer