Littérature scientifique sur le sujet « Dynamique multi-échelle »

Troisième pays du continent africain et premier pays arabe par son poids démographique (93 millions d’habitants en 2017), l’Égypte est l’un des rares pays au sud de la Méditerranée à disposer d’un recensement intégral et régulier de sa population depuis deux siècles. Les premiers recensements publiés datent de 1882 et 1897. À partir de cette date, ils s’échelonnent quasiment tous les dix ans jusqu’à aujourd’hui, livrant un ensemble précieux d’indicateurs démographiques, sociaux et économiques (sexe, âge, profession, statut économique, niveau d’éducation, etc.). Le niveau de spatialisation des résultats de ces quatorze recensements est d’une constance et d’une finesse remarquables, offrant une collection patrimoniale exceptionnelle de statistiques, avec plus de 20 millions de données démographiques et socio-économiques disponibles.Les données des recensements antérieurs (1986, 1976, 1966) sont consignées dans des livres en vente au CAPMAS (Central Agency for Public Mobilization and Statistics). D’autres équipes de recherche interdisciplinaires ont partagé les données sur l’Égypte, notamment l’Observatoire démographique de la Méditerranée dont le site web propose une base de données démographiques et un atlas interactif sur l’ensemble des pays du pourtour méditerranéen, offrant des perspectives de comparaison au sein de la région Méditerranée (http://demomed.org/index.php/fr/). Toutefois, ce portail ne propose pas d’accès aux indicateurs socio-économiques contenus dans les recensements égyptiens, livrant seulement les données sur la population et sa structure, tandis que l’atlas interactif propose une seule variable (la densité de population) à une échelle d’analyse de premier niveau (gouvernorat) par souci d’harmonisation des données à l’échelle pan-euro-méditerranéenne. En bref, cet outil de cartographie existant ne se décline pas à l’échelle intermédiaire des cantons égyptiens (markaz/qism) ou à l’échelle plus fine du village et du quartier urbain (qaria/shiyakha).La plateforme web de cartographie interactive entreprise avec le CAPMAS est en ligne depuis 2019 : www.cedejcapmas.org. Il s’agit d’un outil innovant en ce qu’il partage une base de données à la fois démographiques et socio-économiques, et en ce qu’il procède à un travail de géocodage de chaque entité administrative selon le dernier recensement de 2017. Son originalité réside ainsi dans le suivi temporel des localités sur deux siècles et dans l’outil interactif de cartographie dynamique. Le portail web comporte également des notices historiques de toutes les circonscriptions administratives égyptiennes (au total 5 779 villages et quartiers urbains), l’évolution du découpage administratif du territoire égyptien de 1882 à nos jours, et un répertoire administratif des localités afin d’autoriser les comparaisons diachroniques sur deux siècles, malgré les remaniements administratifs. L’objectif de la plateforme web est non seulement de préserver et de partager un patrimoine de statistiques sur l’Égypte, mais aussi d’offrir un instrument d’exploitation de ce corpus diversifié et multi-échelle de données massives à référence spatiale. sociales et économiques. La plateforme est destinée à un large public (chercheurs, décideurs, société civile) et elle est donc conçue pour autoriser l’accès direct, l’extraction, l’exploration, le traitement de corpus de données et l’analyse de Big data géo-référencées.

Dans le cadre du projet national C2ROP, une large campagne d’essais expérimentaux a été conduite. Des essais sous sollicitations quasi-statiques et dynamiques ont été réalisés sur les composants les plus critiques des écrans pare-blocs (filets, dissipateur d’énergie) et sur un ouvrage complet selon différentes configurations. Une dizaine d’essais d’impact a été réalisée sur un écran développé spécifiquement pour étudier expérimentalement le comportement de ce type d’ouvrage. Des méthodes d’acquisition de données spécifiques ont été mises en place, et une grande quantité de données a été recueillie puis exploitée. La force d’impact utile pour le dimensionnement des composants, le phasage de la déformation de l’ouvrage (de l’impact à l’arrêt du bloc), et la cinématique des dissipateurs d’énergie ont ainsi pu être étudiés. Des configurations d’impacts inhabituelles représentatives des conditions de sollicitation de l’ouvrage dans son contexte de mise en œuvre ont été réalisées et comparées aux configurations de certification prescrites par l’ETAG27. Des coefficients ont été proposés afin de quantifier l’endommagement de l’ouvrage par rapport à la configuration de certification en fonction du type d’impact. Les résultats obtenus mettent en évidence que la configuration définie par l’ETAG27 n’est pas nécessairement la configuration la plus défavorable.

Les marais salants reconvertis en réserves naturelles forment des habitats clés pour les Oiseaux d’eau nicheurs et en halte migratoire. Les variations abiotiques de ces milieux sont, pour une large part, contrôlées par le gestionnaire de site, offrant des conditions quasi-expérimentales pour l’étude de la dynamique des écosystèmes aquatiques littoraux. La présente étude vise à estimer l’effet des variations hydrauliques et physico-chimiques du milieu sur la diversité des Oiseaux d’eau, dans un complexe de marais salants du littoral méditerranéen (salins d’Hyères, Var). Nous avons pour cela quantifié la diversité de la communauté d’Oiseaux d’eau à partir de comptages décadaires (2013 à 2016), et l’avons corrélée à des relevés physico-chimiques (salinité, oxygénation, niveau d’eau) à partir de modèles de régression. Notre étude montre des variations temporelles de richesse spécifique, d’abondance et d’équitabilité distinctes entre groupes fonctionnels, attribuables à des fluctuations de la disponibilité en ressources et en habitat. Elle révèle par ailleurs une complémentarité dans l’usage par les Oiseaux des deux marais composant le site d’étude. Dans leur ensemble, les patrons observés décrivent une dynamique de communauté multi-échelle susceptible de contribuer à orienter une approche écosystémique de la gestion de ce type de site, tenant compte des processus régionaux et des fonctions écologiques des espèces.

Dans l’industrie nucléaire, la simulation de transitoires accidentels à l’échelle d’un réacteur devient une composante d’importance croissante de la démonstration de sûreté à destination des agences de surveillance nationales. Elle permet ainsi de limiter le recours à des expériences complexes et coûteuses tout en facilitant l’évaluation des stratégies de mitigation. Cependant, les modèles mis en jeu sont inévitablement volumineux et construits avec une finesse de modélisation rendant difficile la prise en compte de détails géométriques locaux pourtant susceptibles d’influencer significativement la solution globale. Dans ce travail de thèse, on propose ainsi des approches multi-modèles pour l’intégration de tels détails dans un modèle global sans modification du maillage initial (on parle aussi de zoom numérique). Des techniques sont proposées aussi bien pour les structures que pour les fluides, avec un souci de démontrer la précision et la stabilité de la solution multi-modèles couplée comparée à une solution de référence à une seule échelle. Ce travail intègre deux spécificités propres, à savoir son adéquation avec les contraintes de la dynamique rapide avec intégration temporelle explicite et l’objectif de traiter simultanément la superposition de modèles et l’interaction fluide-structure
In nuclear industry, simulating accidental transient sequences at full reactor scale is becoming an increasingly important feature of the safety demonstration towards national agencies. It thus allows limiting the number of complex and costly experiments, while simplifying and accelerating the evaluation of mitigation strategies. However, the implemented numerical models are inevitably heavy to build and maintain, with a global modelling scale making it difficult to account for local geometric details yet able to significantly influence the physical solution. To provide an answer to these problems, this PhD work is dedicated to multi-model approaches designed to integrate such details into bigger models with no modification at the global level (techniques often designated as numerical zoom techniques). Some methods are proposed for both structures and fluids, with special care given to the accuracy and stability of the coupled multi-scale solution compared to a single-scale reference solution. This work handles two very specific topics, namely its compatibility with numerical features imposed by fast transient dynamics with explicit time integration, and the general objective of simultaneously dealing with superimposed models and fluid-structure interaction

Dans l’industrie nucléaire, la simulation de transitoires accidentels à l’échelle d’un réacteur devient une composante d’importance croissante de la démonstration de sûreté à destination des agences de surveillance nationales. Elle permet ainsi de limiter le recours à des expériences complexes et coûteuses tout en facilitant l’évaluation des stratégies de mitigation. Cependant, les modèles mis en jeu sont inévitablement volumineux et construits avec une finesse de modélisation rendant difficile la prise en compte de détails géométriques locaux pourtant susceptibles d’influencer significativement la solution globale. Dans ce travail de thèse, on propose ainsi des approches multi-modèles pour l’intégration de tels détails dans un modèle global sans modification du maillage initial (on parle aussi de zoom numérique). Des techniques sont proposées aussi bien pour les structures que pour les fluides, avec un souci de démontrer la précision et la stabilité de la solution multi-modèles couplée comparée à une solution de référence à une seule échelle. Ce travail intègre deux spécificités propres, à savoir son adéquation avec les contraintes de la dynamique rapide avec intégration temporelle explicite et l’objectif de traiter simultanément la superposition de modèles et l’interaction fluide-structure
In nuclear industry, simulating accidental transient sequences at full reactor scale is becoming an increasingly important feature of the safety demonstration towards national agencies. It thus allows limiting the number of complex and costly experiments, while simplifying and accelerating the evaluation of mitigation strategies. However, the implemented numerical models are inevitably heavy to build and maintain, with a global modelling scale making it difficult to account for local geometric details yet able to significantly influence the physical solution. To provide an answer to these problems, this PhD work is dedicated to multi-model approaches designed to integrate such details into bigger models with no modification at the global level (techniques often designated as numerical zoom techniques). Some methods are proposed for both structures and fluids, with special care given to the accuracy and stability of the coupled multi-scale solution compared to a single-scale reference solution. This work handles two very specific topics, namely its compatibility with numerical features imposed by fast transient dynamics with explicit time integration, and the general objective of simultaneously dealing with superimposed models and fluid-structure interaction

Dans le cadre du développement de nouveaux procédés par extraction liquide-liquide pour le recyclage du combustible nucléaire usé, de nouvelles molécules extractantes sont à l’étude. Les molécules à fonction amide (monoamide, malonamide ou diglycolamide) sont particulièrement étudiées. Les objectifs de cette thèse sont d’étudier la spéciation moléculaire et supramoléculaire de solutions organiques représentatives des différents procédés en cours de développement. Cette spéciation a été réalisée en couplant des études expérimentales et théoriques. Après extraction de solutés, la composition des solutions organiques est déterminée expérimentalement. Des boites de simulation par dynamique moléculaire ayant la même composition que les solutions expérimentales sont ensuite construites. Après simulation, les trajectoires de dynamique moléculaire permettent de calculer les masses volumiques et les intensités diffusées aux petits angles théoriques des solutions simulées. Dès lors que les données calculées et les données expérimentales sont en accord, on estime que les simulations sont représentatives des solutions réelles. Ces simulations couplées à des caractérisations expérimentales supplémentaires (spectroscopie infra-rouge – IR – et spectrométrie de masse à ionisation par électrospray – ESI-MS –) permettent de décrire les structures en solution à la fois à l’échelle moléculaire et supramoléculaire. Cette méthodologie a été appliquée à l’extraction d’eau et de nitrate d’uranyle par les monoamides DEHBA et par le malonamide DMDOHEMA ainsi qu’à l’extraction d’eau et de nitrate de néodyme par des solutions à base de TODGA.L’extraction d’eau en phase organique est dépendante de l’organisation de la solution : les solutions de monoamides essentiellement constituées de monomères et dimères solubilisent peu d’eau contrairement aux solutions de DMDOHEMA ou de TODGA majoritairement constituées d’agrégats. L’extraction de nitrate d’uranyle a mis en évidence différents comportements dépendant de la structure de la molécule ou de la concentration d’uranyle. Des complexes UO2(NO3)2L2 sont observés à faible concentration d’uranium après extraction par les monoamides. Lorsque la concentration d’uranium augmente, des espèces polymétalliques sont observées et deviennent majoritaire en solution. Dans le cas du DMDOHEMA, des complexes monométalliques sont majoritaires mais n’ont pas une stœchiométrie unique. L’uranyle peut être coordiné à 1 ou 2 malonamides (monodenté ou bidenté), 2 nitrates et parfois une molécule d’eau. Le néodyme est extrait par le TODGA dans l’heptane sous forme de petits agrégats contenant 2 ou 3 cations liés par des nitrates pontants. Une augmentation de la concentration de néodyme entraine une augmentation de l’agrégation jusqu’à l’apparition d’une démixtion de phase. La présence d’octanol (0,3 mol/L) permet d’extraire une plus forte concentration de Nd sans séparation de phase. Les simulations ont montré que l’octanol se place dans la 1ère sphère de coordination du néodyme à la place des molécules d’eau ou de TODGA améliorant ainsi la solubilité des complexes et agrégats dans la phase organique. L’ajout de 0,5 mol/L de DMDOHEMA à une solution de TODGA permet également d’éviter la démixtion en structurant la solution. En présence de malonamide des agrégats plus petits sont observés.Pour les deux systèmes étudiés (mono et diamides), les phases obtenues après démixtion de la phase organique (phénomène de formation de 3ème phase) ont également été caractérisées.Ces travaux ont permis de déterminer l’organisation moléculaire et supramoléculaire dans des solutions d’extraction par l’utilisation d’une méthode couplant études expérimentales et simulations par dynamique moléculaire
In the framework of development of new processes for spent nuclear fuel reprocessing, new extractant molecules are studied.The goals of this thesis are to study the molecular and supramolecular speciation of representative organic solutions. The speciation was determined by coupling experimental and theoretical study. After solute extraction, the composition of the organic solutions is experimentally determined. Simulations boxes with the same composition than experimental solutions are build. After simulation, trajectories are used to calculate small angle scattered intensities. The representativeness of the simulations is checked by comparison of experimental and calculated scattered intensities. The use of the simulation, ESI-MS spectrometry and IR spectroscopy provides the description of the structures in organic solution at the molecular and supramolecular scale. This methodology was applied on water and uranyl nitrate extraction by the monoamide DEHBA and MOEHA and by the malonamide DMDOHEMA as well as the extraction of water and neodymium nitrate by TODGA solutions.The extraction of water is dependent of the organization of the solution: monoamide solution made of monomer and dimer solubilize few amount of water in comparison with DMDOHEMA or TODGA solutions.The extraction of uranyl nitrate showed different behavior. UO2(NO3)2L2 complexes are observed at low uranium concentration after extraction by the monoamides. Polymetallic species are observed with the increase of uranium concentration. In the case of DMDOHEMA, monometallic complexes are majority but without a unique stoichiometry. The uranyl can be linked to 1 o 2 malonamides, 2 nitrates and sometimes to a water molecule. Neodymium is extracted by TODGA within small aggregates made of 2 or 3 cations liked by bridging nitrates. The increase of the concentration of neodymium leads to a phase separation. The presence of octanol provides the extraction of higher concentration of neodymium nitrate. Simulations showed the replacement of water and TODGA molecules and the first coordination sphere of the cation with octanol molecule. This increases the solubility of the aggregates. The presence of DMDOHEMA prevents also the phase separation by structuring the solution. With malonamide, smaller aggregates are observed.For both systems, phases after demixing (third phase formation) were characterized.This work provides the study of the molecular and supramolecular organization of organic solutions by combining experimental studies and molecular dynamic simulations

Les matériaux composites stratifiés sont de plus en plus utilisés dans l'aéronautique, mais ils peuvent être sujets à large délaminage si soumis à impact. La nécessité d'effectuer des simulations numériques pour prédire l'endommagement devient essentielle pour l'ingénieur. Dans ce contexte, l'utilisation d'une modélisation fine semble préférable. En revanche, le coût de calcul associé serait prohibitif pour larges structures. Le but de ce travail consiste à réduire ce coût de calcul, en couplant le modèle fin, restreint à la zone active de délaminage, avec un modèle grossier appliqué au reste de la structure. En raison du comportement transitoire des problèmes d'impact, l'adaptabilité dynamique des modèles pour suivre les phénomènes évolutifs représente un point crucial de la stratégie de couplage. Des méthodes avancées sont utilisées pour coupler différents modèles. Par exemple, la méthode de Décomposition de Domaines, appliquée à l'adaptabilité dynamique, doit être combinée avec une stratégie de remaillage, considérée comme intrusive pour la mise en œuvre d'un logiciel pour Analyse à Eléments Finis. Dans ce travail, les bases d'une approche faiblement intrusive, la méthode de Substitution, sont présentés dans le domaine de la dynamique explicite. Il s'agît d'une formulation globale-locale, conçue pour appliquer un modèle grossier sur tout le domaine pour obtenir une réponse globale: ce pré-calcul est ensuite corrigé itérativement par l'application du modèle raffiné appliqué seulement où nécessaire. La vérification de la méthode de Substitution en comparaison avec la méthode de Décomposition de Domaines est présentée.

La pollution atmosphérique en milieu urbain a été identifiée comme une cause importante d’impacts sanitaires, y compris de décès prématurés. En particulier, les concentrations ambiantes de polluants gazeux tels que le dioxyde d’azote (NO2) et de particules (PM10 et PM2,5) sont réglementées, ce qui implique que des stratégies de réductions d’émissions doivent être mises en place pour diminuer ces concentrations dans les lieux où la réglementation correspondante n’est pas respectée. Par ailleurs, la pollution atmosphérique peut contribuer à la contamination d’autres milieux, par exemple à travers la contribution des dépôts atmosphériques à la contamination des eaux de ruissellement.Les aspects multifactoriels et multiéchelle de la pollution en ville rendent l’identification des sources difficile. En effet, le milieu urbain est un espace hétérogène caractérisé par des structures architecturales complexes (bâti ancien côtoyant un bâti plus moderne, zones résidentielles, commerciales, industrielles, axes routiers…), des émissions de polluants atmosphériques non uniformes et par conséquent une exposition de la population à la pollution qui est variable dans l’espace et le temps.La modélisation de la pollution atmosphérique urbaine a pour vocation de comprendre l’origine des polluants, leur étendue spatiale et leur niveau de concentrations/dépôt. Certains polluants ont des temps de résidence long et peuvent séjourner plusieurs semaines dans l’atmosphère (PM2,5) et donc être transportés sur de longues distances, d’autres au contraire, sont plus locaux (NOx en proximité du trafic). La répartition spatiale d’un polluant dépendra alors de plusieurs facteurs et notamment des surfaces rencontrées. La qualité de l’air, elle, dépend fortement des conditions météorologiques, du bâti (rue-canyon) et des émissions.L’objectif de cette thèse est de traiter certains de ces aspects en modélisant : (1) la pollution urbaine de fond avec un modèle de chimie-transport (Polyphemus/POLAIR3D), qui permet d’estimer les dépôts de polluants atmosphériques par type de surfaces urbaines (toits, murs et chaussées), (2) la pollution à l’échelle de la rue en intégrant explicitement les effets du bâti de manière tridimensionnelle avec d’une part un modèle multiéchelle de chimie-transport (SinG) et d’autre part un modèle de mécanique des fluides (Code_Saturne) et (3) un processus de micro-échelle qui est la réémission des particules présentes sur la chaussée par le trafic routier avec trois formulations différentes (déterministe, semi-empirique et empirique). L’intérêt de cette thèse est de pouvoir comparer et évaluer l’opérabilité et la performance de plusieurs modèles de qualité de l’air à plusieurs échelles (région, quartier et rue) afin de mieux appréhender la caractérisation de la qualité de l’air en milieu urbain
Urban air pollution has been identified as an important cause of health impacts, including premature deaths. In particular, ambient concentrations of gaseous pollutants such as nitrogen dioxide (NO2) and particulate matter (PM10 and PM2.5) are regulated, which means that emission reduction strategies must be put in place to reduce these concentrations in places where the corresponding regulations are not respected. Besides, air pollution can contribute to the contamination of other media, for example through the contribution of atmospheric deposition to runoff contamination.The multifactorial and multiscale aspects of urban make the pollution sources difficult to identify. Indeed, the urban environment is a heterogeneous space characterized by complex architectural structures (old buildings alongside a more modern building, residential, commercial, industrial zones, roads, etc.), non-uniform atmospheric pollutant emissions and therefore the population exposure to pollution is variable in space and time.The modeling of urban air pollution aims to understand the origin of pollutants, their spatial extent and their concentration/deposition levels. Some pollutants have long residence times and can stay several weeks in the atmosphere (PM2.5) and therefore be transported over long distances, while others are more local (NOx in the vicinity of traffic). The spatial distribution of a pollutant will therefore depend on several factors, and in particular on the surfaces encountered. Air quality depends strongly on weather, buildings (canyon-street) and emissions.The aim of this thesis is to address some of these aspects by modeling: (1) urban background pollution with a transport-chemical model (Polyphemus / POLAIR3D), which makes it possible to estimate atmospheric pollutants by type of urban surfaces (roofs, walls and roadways), (2) street-level pollution by explicitly integrating the effects of the building in a three-dimensional way with a multi-scale model of transport chemistry (SinG) and (3) a microscale process which is the traffic-related resuspension of the particles present on the road surface with three different formulations (deterministic, semi-empirical and empirical).The interest of this thesis is to compare and evaluate the operability and performance of several air quality models at different scales (region, neighborhood and street) in order to better understand the characterization of air quality in an urban environment

Alternative aux ciments, les matériaux géopolymères sont prometteurs dans le domaine du génie civil et de l’ingénierie nucléaire. Formés à partir d’aluminosilicates, ils présentent des propriétés mécaniques intéressantes pour le stockage de déchets radioactifs ou encore le développement de mousses isolantes. Le processus de géopolymérisation commence avec la dissolution d’un solide d’aluminosilicates par une solution alcaline à haut pH. Des oligomères de quelques nanomètres se forment alors et s’agrègent en un réseau poreux 3D à méso-échelle (plusieurs centaines de nm). Après 5h, les propriétés mécaniques sont atteintes, similaires à celles des matériaux cimentaires. Plusieurs questions se posent pour bien comprendre le processus complexe de géopolymérisation : d’où provient la cohésion ? Quel est le comportement de l’eau à l’interface des grains dans le gel ? Comment modéliser cette phase de gel à l’échelle atomique ? Dans cette thèse, des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour mieux comprendre les mécanismes de formation de ces gels à l’échelle atomique (~1nm) et mésoscopique (~100nm), difficilement observable expérimentalement. A partir de grains d’aluminosilicate obtenus grâce à un potential d’interactions réactif, le potential d’interactions entre grains de géopolymères dans l’eau peut-être calculé. Ces calculs ont été effectués avec plusieurs charges de grains, modélisant différents pH. Deux approches sont proposées et comparées : une méthode perturbative et une méthode de métadynamique. Après analyse et discussion de leurs limites, la méthode de métadynamique est choisie pour une analyse approfondie de la cohésion. A faible charge de grains/niveau de déprotonation, une attraction est constatée, transitant vers une repulsion de Poiss-Boltzmann à plus hautes charges. Ainsi, la déprotonation apparaît comme un facteur déterminant de la formation du gel.Un modèle de « meta-grains » est proposé à partir de l’étude de la géométrie de nos grains et de leur polarizabilité ionique. De ce point de vue, les interactions peuvent être décomposés en termes plus fondamentaux à l’échelle du grains, avec des interactions de coulomb, dipole-dipole et de dispersion. Les résultats obtenus par la metadynamique sont retrouvés avec le choix d’une constante dielectrique basé sur la quantité d’eau à l’interface entre les grains. A haut degré de déprotonation, une répulsion de type DLVO apparait avec une interface riche en eau et un écrantage de Debye important. A très courte distance, l’attraction est de plus renforcée par la formation de liaisons hydrogènes à l’interface (sèche) entre les grains, faisant office de liaison de transition avec la formation de liaison Si-O-Si ou Si-O-Al entre les deux entités. Ces résultats sont discutés en comparaisons avec les expériences et les études menés sur la cohésion des argiles et ciments (CSH).Finalement, des modèles méso-échelle sont proposés pour la croissance de gels de géopolymères, à partir de ces potentiels d’interactions obtenus à conditions ambiantes. Les distributions de pores et intensités de dispersions pour les structures obtenues à partir de simulations d’agrégation de grains par Monte Carlo sont étudiées et comparés aux données expérimentales d’intrusion de mercure/nitrogen et de dispersion à petits angles
Geopolymers are alternative binders to cement and form a promising class of materials for civil and nuclear engineering. Based on aluminosilicate, they can develop strong mechanical properties that are of great interest for the storage of radioactive wastes or isolating foams. The geo-polymerization process starts with the dissolution of a solid aluminosilicate source with an alkaline solution of high pH. Oligomers of few nanometers in size form and aggregate in a 3D percolating porous network at the mesoscale (hundreds of nm). Mechanical setting is reached in about 5h, analogous of setting in neat cement pastes. Several questions remain open regarding the complex process of geopolymerisation such as : What originates cohesion ? What is the water behavior at the grain-grain interface within the gel ? How to model the complex gel phase at the atomistic level ? In this thesis, molecular simulations are used to investigate the formation mechanism of geopolymers at the atomistic (~1nm) and meso scale (~100nm), hardly reachable by experiment. The starting point of the atomistic scale simulations are aluminosilicate nano-grains generated with a reactive interaction potential. The Potential of Mean Force (PMF) quantifies the potential energy of interactions betweentwo geopolymer grains. It can be computed in various charge conditions to mimic the pH effects, using either a perturbative approach or well-tempered metadynamics. Both methods are compared and their limitations are discussed in the framework of amorphous aluminosilicate nano grains immersed in an electrolyte. Under such analysis, metadynamics is chosen for more thorough investigation of grains cohesion. At low deprotonation level/grain charge attraction is observed. These results shed light on the role of oligomers deprotonation that appears to be key point for the gel formation.A view of the system as “meta-grains” is proposed based on the evolution of grain geometry and ionic polarization. In this view, we decompose the global PMF into fundamental interaction terms at the grain scale, in terms of coulombic, dipole-dipole and dispersion/van der Walls interactions. Metadynamics results are recovered with water dielectric constant chosen based on the water content at the grain-grain interface. At large deprotonation level, the Poisson-Boltzmann repulsion is recovered, with a wet interface and a strong Debye screening. At very short range and low deprotonation level, we found that grain-grain attraction can be related to the formation of very local hydrogen bonds between the hydroxyls of the grains, in a dry interface. Grains then link through iono-covalent bonds with the release to the solution of water molecules and OH groups. This attracto/repulsive behavior is supported by experiments and discussed in regards to the cohesion of clays and cement hydrates.In the last part of the thesis, mesoscale models for the growth of geopolymers are proposed based on the obtained PMFs in attractive conditions. Structures resulting from Coarse-Grained Monte Carlo simulations are characterized in terms of pore size distributions and small angle neutron scattering, discussed with experimental data

Dans l’industrie du pneumatique, l’ajout de nanoparticules de silice dans la gomme est un procédé couramment utilisé en raison des propriétés mécaniques remarquables du matériau composite résultant de ce mélange. Cependant, l’origine physico-chimique du comportement de ce matériau demeure inexpliquée. Le but de cette thèse est de sonder ce système par simulation moléculaire. Afin de couvrir de larges étendues spatiales et temporelles, inhérentes à ce type de matériau, nous avons adopté une stratégie de simulation multi-échelle. À partir de trajectoires atomistiques de référence de haute résolution obtenues par dynamique moléculaire, nous construisons des potentiels gros grain réalistes en utilisant la méthode d’optimisation bayésienne. Nos modèles rendent compte quantitativement du comportement caractéristique de chaînes enchevêtrées. La démarche multi-échelle, étendue à l’interaction polymère-silice, nous permet de modéliser convenablement les propriétés thermodynamiques, structurales et dynamiques d’un système composé d’une nanoparticule de silice, greffée ou non, plongée dans une matrice de polymère amorphe. Ce travail ouvre la voie à la prédiction quantitative des propriétés viscoélastiques des caoutchoucs renforcés sur des échelles temporelles de l’ordre de la microseconde. Ces dernières, inatteignables à l’aide d’une description atomistique, sont désormais accessibles à l’aide de nos jeux de potentiels gros grain
In the tire industry, the addition of nanosized silica fillers into rubber is a commonly used process due to the outstanding mechanical properties of the resulting composite material. However, the link between the underlying chemistry and the mechanical behavior of this material remains unsolved. The aim of this thesis is to investigate this system using molecular simulation. In order to cover wide length and time scales, inherent to this type of material, we took the route of applying a multiscale simulation strategy. Starting from coarse-grained reference trajectories obtained from higher resolution molecular dynamics trajectories, we build realistic coarse-grained dissipative dynamics models by using the bayesian optimization method. Our models quantitatively predict the characteristic behavior of entangled polymer chains. This multiscale approach, extended to the polymer-silica interaction, allows us to successfully model the thermodynamic, the structural, and the dynamic properties of a system made up of one silica nanoparticle, grafted or not, dispersed in an amorphous polymer matrix. This work opens the way towards the quantitative prediction of the viscoelastic properties of reinforced rubbers on time scales up to the microsecond. These time scales, inaccessible by mean of an atomistic description, are now reachable thanks to our coarse potentials

Les matériaux composites sont largement utilisés dans les structures aéronautiques. Les travaux présentés ici visent à mettre en place une méthode de calcul permettant de prédire les délaminages dans ces structures stratifiées soumises à des chargements dynamiques tout en assurant des coûts de calculs compatibles dans un contexte industriel. Une méthode de décomposition de domaine en dynamique est d'abord utilisée, afin de coupler des modélisations et des pas de temps de calcul différents. Une modélisation fine est utilisée uniquement dans les zones en cours de dégradation. Une représentation macroscopique du stratifié par des éléments de coque 3D est développée et employée dans le reste de la structure. Les coûts de calcul sont ainsi réduits tout en assurant une bonne précision des résultats. Pour éviter un remaillage avec l'avancée du délaminage, une approche multi-échelle en temps et en espace est ensuite proposée. Un maillage global de coque 3D de l'ensemble de la structure est défini. Des maillages utilisant une représentation fine du matériau sont utilisés localement. Des pas de temps adaptés sont utilisés dans les deux types de maillage.

Les matériaux composites sont largement utilisés dans les structures aéronautiques. Les travaux présentés ici visent à mettre en place une méthode de calcul permettant de prédire les délaminages dans ces structures stratifiées soumises à des chargements dynamiques tout en assurant des coûts de calculs compatibles dans un contexte industriel. Une méthode de décomposition de domaine en dynamique est d’abord utilisée, afin de coupler des modélisations et des pas de temps de calcul différents. Une modélisation fine est utilisée uniquement dans les zones en cours de dégradation. Une représentation macroscopique du stratifié par des éléments de coque 3D est développée et employée dans le reste de la structure. Les coûts de calcul sont ainsi réduits tout en assurant une bonne précision des résultats. Pour éviter un remaillage avec l’avancée du délaminage, une approche multi-échelle en temps et en espace est ensuite proposée. Un maillage global de coque 3D de l'ensemble de la structure est défini. Des maillages utilisant une représentation fine du matériau sont utilisés localement. Des pas de temps adaptés sont utilisés dans les deux types de maillage
The part of composite materials in aeronautic structures is increasing due to their specific properties and the mass reduction they enable. Accurate numerical simulations are thus needed in order to design these structures, particularly to verify if they could resist dynamic charges such as soft bodies impact. Nevertheless, using a refined model to represent phenomenon such as delamination leads to computing time and dofs number incompatible with an industrial context. The aim of the present work is to propose a multi-scale method in space and time to solve dynamic impact problems on laminate structures. A domain decomposition method for dynamic problems is first used to couple different kinds of models and time discretisations. A refined model for the laminate is used in the degradating areas only - elsewhere, a coarser representation using 3D-shell elements is used. This approach reduced the cost of the simulation giving accurate results. To avoid a remeshing due to delamination propagation within the structure, a multi-scale method is then proposed. A global 3D shell elements mesh for the whole structure is defined. Local meshes based on a refined representation of the laminates are used only if required. Coupling between global and local representation is done using velocity field

The present book, titled “The Hydro-sedimentary dynamics of the Jiu River Watershed. A systemic and multi-scale approach” sets about to investigate the dynamics of liquid and solid flows in a challenging watershed represented by the Jiu River Basin. The Jiu River (with a length of 339 km) is one of the main tributaries of the Danube in its Romanian sector, and its watershed stretches over an area of 10,080 km2, in SW Romania. Jiu River Basin is defined by complex geographical features, determined by a variety of natural and socio-economic factors. From an economic standpoint, the element that makes Jiu’s watershed stand out among other comparable rivers is the presence and exploitation of coal in its upper sector (bituminous coal) and middle sector (lignite), as these activities have left their mark on the quality of the water and the quantity and origins of fine sediments. In this study, we relied upon the existence of coal resources in order to investigate the hydro-sedimentary dynamics in the Jiu River Basin and identify the fine sediment sources, by performing an analysis of coal particles found in the fine sediments, which was carried out through different laboratory methods.