Thèses sur le sujet « Simulations numériques avec PhreeqC »

Le stockage du CO2 dans les aquifères salins profonds a été reconnu comme l'une des voies les plus prometteuses pour atténuer les émissions atmosphériques de CO2 et répondre ainsi aux enjeux du changement climatique. Cependant, l’injection du CO2 dans le milieu poreux perturbe considérablement son équilibre thermodynamique. La zone proche du puits d’injection est particulièrement impactée avec une forte réactivité géochimique associée à d’intenses échanges thermiques. Cela a un impact majeur sur l’injectivité du réservoir et l’intégrité du stockage. A ces effets s’ajoute une complexité supplémentaire liée à la présence de deux phases non miscibles : la saumure et le CO2. Ces effets conduisent à des processus Thermo-Hydro-Mécaniques-Chimiques (THMC) fortement couplés, dont les interprétations ne sont pas encore abouties ni formellement implémentées dans les modèles numériques.Ce travail de thèse, associant des mesures expérimentales et des modélisations numériques, porte sur l’étude du couplage entre les gradients thermiques et les processus diffusifs de transport réactif se déroulant dans les aquifères salins, notamment dans la zone proche du puits d’injection. Nous avons étudié les échanges entre une phase froide CO2 anhydre qui s’écoule dans des zones de forte perméabilité, et une phase aqueuse salée chaude piégée dans la porosité de la roche. La stratégie de l'étude commence par une approche simple en milieu libre sans flux de CO2 afin d'étudier la réactivité des solutions salines de différentes compositions chimiques et d’évaluer l'impact d'un gradient thermique sur ce réseau réactionnel.Nous avons développé une cellule expérimentale permettant de superposer 2 à 3 couches de solution de concentration et composition chimique différentes. L’analyse de la lumière diffusée par les fluctuations de non-équilibre de la concentration et de la température permet de remonter aux coefficients de diffusion des sels dans l’eau. Nos résultats sont en bon accord avec les valeurs de la littérature. Pour ce qui est de l’étude du transport réactif diffusif, l’analyse du contraste des images a permis de mettre en évidence le fait que la précipitation de minéral, par mise en contact de deux couches aqueuses de sels réactifs, s’accompagne d’une instabilité convective qui s’estompe dans le temps. La modélisation numérique des résultats expérimentaux avec PHREEQC par une approche de diffusion multi-espèce hétérogène permet de rendre compte des instabilités convectives. Différents gradients de température ont été appliqués au système réactif, tout en conservant une température moyenne de 25 °C. Les observations expérimentales et les interprétations numériques montrent que le gradient de température n'a pas d’influence significative sur le comportement du système.Ensuite, nous avons étudié numériquement le processus de dessiccation (évaporation de l’eau) à l’interface entre une saumure piégée dans la porosité de la roche et du CO2 circulant dans une structure porale drainante, simulant les conditions de l’aquifère du Dogger du bassin parisien. Un modèle couplant l’évaporation de l’eau dans le flux de CO2 et la diffusion multi-espèces hétérogène des sels prévoit l’apparition d’un assemblage minéral au niveau du front d’évaporation, principalement composé d’halite et d’anhydrite. La modélisation de ce phénomène à l’échelle du réservoir nécessite la prise en compte de la vitesse d’évaporation en fonction du taux d’injection du CO2 et de l’évolution de la porosité au niveau de l’interface.Ce travail de thèse a permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes physico-chimiques, thermo-physiques et de transport diffusif aux interfaces de phase. Ce qui ouvre de nouvelles perspectives d’amélioration des approches numériques et de modélisation à grande échelle notamment du proche puits d’injection du CO2 et des réservoirs de stockage géologique et soutenir les futurs développements industriels et technologiques pour la transition écologique
CO2 storage in deep saline aquifers has been recognised as one of the most promising ways to mitigate atmospheric CO2 emissions and thus respond to the challenges of climate change. However, the injection of CO2 into the porous medium considerabely disturbs its thermodynamic equilibrium. The near-well injection zone is particularly impacted with a strong geochemical reactivity associated with intense heat exchanges. This has a major impact on injectivity of the reservoir and the integrity of the storage. In addition to these effects, there is the added complexity of the presence of two immiscible phases: brine (wetting fluid) and CO2 (non-wetting fluid). These effects lead to highly coupled Thermo-Hydro-Mechanical-Chemical (THMC) processes, whose interpretations have not yet been completed nor formally implemented into the numerical models.This thesis work, combining experimental measurements and numerical modelling, focuses on the study of the coupling between the thermal gradients and the diffusive reactive transport processes taking place in the deep saline aquifers, particularly in the near-well injection zone. We studied the exchanges between a cold anhydrous CO2 phase flowing in high permeability zones, and a hot salty aqueous phase trapped in the porosity of the rock. The strategy of the study starts with a simple approach in a free medium without CO2 flow, in order to study the reactivity of saline solutions of different chemical compositions, and to evaluate the impact of a thermal gradient on this reaction network.We have developed an experimental cell that allow to superimpose 2 to 3 layers of solution of different concentration and chemical composition. The analysis of the light scattered by the non-equilibrium fluctuations of concentration and temperature allows to obtain the diffusion coefficients of salts in water. Our results are in good agreement with literature values. Regarding the study of diffusive reactive transport, the analysis of the contrast of the images allowed us to highlight the fact that the precipitation of minerals, obtained by superimposing two aqueous layers of reactive, is accompanied by a convective instability that fades with time. Numerical modelling of the experimental results with PHREEQC using a heterogeneous multicomponent diffusion approach has allowed us to account for these convective instabilities. Different temperature gradients were applied to the reactive system, while keeping a mean temperature of 25 °C. The experimental observations and numerical interpretations swhow that the temperature gradient has no significant influence on the behaviour of the system. Subsequently, we numerically studied the desiccation process (evaporation of water) at the interface between a brine trapped in the rock porosity and the CO2 flowing in a draining pore structure, simulating the conditions of the Dogger aquifer of the Paris basin. A model coupling the evaporation of water in the CO2 stream and the heterogeneous multicomponent diffusion of salts predicts the appearance of a mineral assemblage at the evaporation front, mainly composed by halite and anhydrite. Modelling this phenomenon at the reservoir scale would requires taking into account the evaporation rate as a function of the CO2 injection rate and the change in porosity at the interface.This thesis work has made it possible to highlight several physicochemical, thermophysical and diffusive transport phenomena at phase interfaces. This opens up new perspectives for improving numerical approaches and large-scale modelling, in particular of near-well injection of CO2 and geological storage reservoirs, and supports future industrial developments and technologies for the ecological transition

La complexité des applications numériques de calcul scientifique ne cesse de croître. Cette difficulté revêt alors deux formes. La première est une complexité logicielle qui nécessite l'intégration de divers codes de calcul toujours plus sophistiqués et spécialisés à la simulation de phénomènes physiques complexes. La seconde forme de complexité est calculatoire où les composants de calcul nécessitent toujours plus de ressources et de capacité de stockage afin de modéliser, entre autres, les phénomènes au plus proche de la physique « réelle ».

Dans le domaine de la simulation des procédés assistée par ordinateur, la complexité logicielle est masquée par le standard CAPE-OPEN qui répond aux besoins d'intégration de codes tiers. Il propose des spécifications d'interfaces, basées sur une approche par composants logiciels tels que DCOM ou CORBA. Cette thèse apporte une solution à la complexité calculatoire. Pour cela, nous étudions le problème de la distribution de la charge de calcul des simulations des procédés sur des architectures de type grappe de calcul dont les composants sont au standard CAPE-OPEN. Une exécution distribuée performante requiert la distribution des activités concurrentes de l'application tout en minimisant le volume de données à échanger via le support de communication.

Dans ce contexte, nous présentons une analyse fine du schéma d'exécution des simulations de procédés qui conduit à la conception de deux environnements distribués d'exécution. Le premier nous a permis de quantifier le gain atteignable sur une grappe de calcul à travers la simulation de plusieurs cas tests métier. Toutefois, les contraintes technologiques industrielles se sont avérées peu propices à l'implémentation d'un environnement distribué visant à s'approcher de l'optimal. Par conséquent, la définition d'un second prototype basé sur le moteur exécutif KAAPI a été mené à bien. Afin de répondre à nos besoins, nous l'avons étendu aux techniques « statiques » d'exécution. Fort de cet environnement, nous avons entrepris d'étudier différentes politiques d'ordonnancement. L'environnement KAAPI couplé à notre extension ouvre de larges perspectives d'études dans le cadre plus large des applications numériques de calcul scientifique.

Cette thèse est consacrée à la modélisation mathématique et simulations numériques des écoulements sanguins dans des artères en présence d’une endoprothèse vasculaire de type stent. La présence de stent peut être considérée comme une perturbation locale d’un bord lisse d’écoulement, plus précisément les parois de l’artère sont assimilées à une surface fortement rugueuse. Nous nous sommes principalement intéressés au contrôle de la régularité H² sur un modèle simplifié permettant de prendre en compte l’effet de ces stents lorsque le flux sanguin est gouverné par une équation de Laplace (en lien avec la composante axiale de la vitesse d’écoulement) avec une condition aux limites de type Dirichlet, dans un domaine à bord rugueux (en fonction d’un petit paramètre ε). Dans une première partie, nous soulevons la question d’existence et d’unicité de la solution de ce modèle d’écoulement sanguin et nous traitons la régularité H² par des techniques d’analyse variationnelle. Une étude minutieuse permet de contrôler la régularité H² en O(ε−1). Le deuxième axe est dédié à l’étude de la régularité H² par des analyse asymptotiques multiéchelles. Nous montrons que la norme H² de la solution de ce modèle d’écoulement sanguin est singulière en O(ε−½ ). D’autre part, nous améliorons les ordres de convergence des résultats existants concernant la construction des approximations multiéchelles. Dans un troisième temps, nous présentons des estimations d’erreur et des résultats numériques. Ces résultats illustrent le bien fondé des estimations d’erreur sur le plan pratique. Nous montrons bien l’importance des méthodes asymptotiques qui se révèlent plus efficaces qu’un calcul direct
This thesis is devoted to mathematical modeling and numerical simulations of the blood-flows in arteries in the presence of a vascular prosthesis of type stent. The presence of stent can be considered as a local perturbation of a smooth edge of flow, more precisely the walls artery can be seen as a strongly rough surface.Weare mainly interested in controlling the H² regularity of a simplified model which takes into account the impact of these stents when the blood flow is controlled by a Laplace equation (in link with the axial component rateof flow) with a Dirichlet boundary condition, in a domain with a rough board (according to a small parameter ε). First, we raise the question of existence and unicity of the solution of this model of blood-flow and we study the H² regularity using variational analysis methods. By a detailed study, we control the H² regularity of order O(ε−1). The second part is devoted to the study of the regularity H² regularity using multi-scale analysis.We prove that the H² norm of the solution of this model is singular of order O(ε−½). Moreover, we improve the convergence rate of the existing results on the construction of the multi-scale approximation. Finally, we present an error estimation and numerical results. These numerical results illustrate the well-founded of the error estimates on a practical level. We show the importance of the asymptotic methods that seem to be more effective than a direct computation

Le contexte général de cette étude concerne l’impact des traînées de condensation, ces fameux panaches blancs fréquemment observés dans le sillage des avions, sur l’atmosphère. D’un point de vue aérodynamique, la formation des traînées de condensation se caractérise par l’interaction entre un jet turbulent et un tourbillon de sillage. L’objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes thermiques et dynamiques mis en jeu dans cet écoulement. Ce travail repose sur la résolution numérique des équations de Navier-Stokes, et de conservation de l’énergie, formulées pour le cas d’un écoulement tridimensionnel, instationnaire et compressible. Deux approches sont considérées: la simulation numérique directe et la simulation des grandes échelles. Une simulation temporelle de la transition à la turbulence d’un jet rond non-isotherme est effectuée sans tenir compte du champ tourbillonnaire. A l’issue de cette simulation, un modèle de tourbillon de sillage est superposé à l’écoulement de jet. La première partie de cette thèse présente les deux approches, les différents modèles de sous-maille choisis pour les simulations des grandes échelles, ainsi que les méthodes numériques employées. La deuxième partie est consacrée à la simulation de l’écoulement de jet, et ici, l’objectif est de déterminer le modèle de sous-maille approprié à cette configuration d’écoulement. La troisième partie est dédiée à la simulation de l’interaction entre le jet et le tourbillon de sillage. Les résultats sont comparés à ceux issue d’une campagne d’essais. Les simulations ont démontré le développement de grosses structures de la turbulence autour du cœur tourbillonnaire, dans lesquelles se concentre le champ de température
The general context of this study concerns the impact of contrails, these famous white plumes frequently observed in the aircraft wake, on the atmosphere. From an aerodynamic point of view, the formation of the contrails is characterised by the interaction between a turbulent jet and a wing-tip vortex. The aim of this thesis is to contribute to a better understanding of the thermal and dynamic phenomena involved in this flow. This work is based on the numerical resolution of the three-dimensional, unsteady and compressible Navier-Stokes and energy conservation equations. Two approaches are considered: the direct numerical simulation and the large eddy simulation. A temporal simulation of the transition to turbulence of a non-isothermal jet is performed without accounting for the vortex flow field. A the end of this simulation, a vortex model is superimposed on the jet flow field. The first part of this thesis describes the two approaches, the different subgrid models chosen for the large eddy simulations, and the numerical techniques employed. The second part is devoted to the jet flow simulation, and here the objective is to determine the subgrid model appropriated to this flow configuration. The third part is dedicated to the simulation of interaction between the jet and the vortex. Results are compared to experimental data. The simulations have demonstrated the development of large scale structures all around the vortex core. The temperature field concentrates in the large scale structures

Les résultats expérimentaux et l'application de la théorie des développements asymptotiques raccordés permettent de définir un système d'équations simplifiées qui regissent le mouvement. Les calculs sont confrontés aux mesures de brodshaw dans le cas d'un tourbillon longitudinal unique ou d'une paire de tourbillons contrarotatifs en interaction avec une couche limite turbulente de plaque plane initialement bidimensionnelle. Étude des phénomènes associés à la présence de la paroi ou liés à l'écoulement secondaire engendré par les tourbillons.

Une méthode numérique précise et efficace est proposée pour la simulation de corps déformables interagissant avec un écoulement incompressible. Les équations de Navier-Stokes, considérées dans leur formulation vorticité fonction de courant, sont discrétisées temporellement et spatialement à l'aide respectivement d'un schéma d'ordre 4 de Runge-Kutta et par des différences finies compactes. Grâce à l'utilisation d'un maillage uniforme, nous proposons un nouveau solveur direct au quatrième ordre pour l'équation de Poisson, permettant de garantir l'incompressibilité au zéro machine sur une grille optimale. L'introduction d'un corps déformable dans l'écoulement de fluide est réalisée au moyen d'une méthode de pénalisation de volume. La déformation du corps est imposée par l'utilisation d'un maillage lagrangien structuré mobile qui interagit avec le fluide environnant en raison des forces hydrodynamiques et du moment (calculés sur le maillage eulérien de référence). Une loi de contrôle efficace de la courbure d'un poisson anguilliforme nageant vers une cible prescrite est proposée. La méthode numérique développée prouve son efficacité et précision tant dans le cas de la nage du poisson mais aussi plus d'un grand nombre de problèmes d'interactions fluide-structure
We present an efficient algorithm for simulation of deformable bodies interacting with two-dimensional incompressible flows. The temporal and spatial discretizations of the Navier--Stokes equations in vorticity stream-function formulation are based on classical fourth-order Runge--Kutta and compact finite differences, respectively. Using a uniform Cartesian grid we benefit from the advantage of a new fourth-order direct solver for the Poisson equation to ensure the incompressibility constraint down to machine zero over an optimal grid. For introducing a deformable body in fluid flow, the volume penalization method is used. A Lagrangian structured grid with prescribed motion covers the deformable body which is interacting with the surrounding fluid due to the hydrodynamic forces and the torque calculated on the Eulerian reference grid. An efficient law for controlling the curvature of an anguilliform fish, swimming toward a prescribed goal, is proposed which is based on the geometrically exact theory of nonlinear beams and quaternions. Validation of the developed method shows the efficiency and expected accuracy of the algorithm for fish-like swimming and also for a variety of fluid/solid interaction problems

Les superfluides sont des fluides non visqueux dans lesquels la vorticité se concentre sur des filaments ayant une circulation quantifiée. Ces objets, appelés vortex quantiques, possèdent un comportement hydrodynamique. Expérimentalement, la dynamique des superfluides est souvent étudiée en utilisant des particules. Les particules sont aujourd’hui devenues l’outil principal pour visualiser les vortex quantiques. Dans cette thèse, nous étudions numériquement et analytiquement la dynamique des particules actives et de taille finie dans les superfluides. Le superfluide est modélisé avec l’équation Gross–Pitaevskii, tandis que les particules sont implémentées comme des potentiels répulsifs mobiles couplés avec la fonction d’onde macroscopique décrivant le superfluide. Le modèle est utilisé pour étudier l’interaction entre les particules et les tourbillons quantiques à très basse température. Cette première partie vise à donner un contexte théorique aux expériences actuelles dans lesquelles des particules macroscopiques sont utilisées pour échantillonner les vortex superfluides et la turbulence quantique. Plus précisément, nous abordons les problèmes suivants : la capture d’une particule par un vortex quantique, les reconnexions des filaments de vortex et la propagation des ondes Kelvin en présence de particules piégées, ainsi que la dynamique des particules dans la turbulence quantique en déclin. Dans la dernière partie du manuscrit, les effets de température finis sont étudiés dans le modèle Gross–Pitaevskii avec une troncature spectrale. L’objectif est de caractériser la dynamique des impuretés immergées dans un bain thermal et comment leur présence modifie les propriétés statistiques du fluide. En particulier, le mouvement aléatoire des impuretés et la dépendance en température du coefficient de frottement sont étudiés. Enfin, le clustering des impuretés et son effet sur les transitions de phase du condensat sont examinés
Superfluids are inviscid flows in which vorticity is supported on filaments with quantized circulation. Such objects, known as quantum vortices, exhibit a hydrodynamical behavior. Experimentally, the dynamics of superfluids has been studied by using particles, which nowadays have become the main tool for visualizing quantum vortices. In this Thesis, we study numerically and analytically the dynamics of active and finite-size particles in superfluids. The superfluid is modeled with the Gross–Pitaevskii equation, while the particles are implemented as moving repulsive potentials coupled with the macroscopic wave function describing the superfluid. Firstly, the model is used to investigate the interaction between particles and quantum vortices at very low temperatures. This part aims to give a theoretical background to the current experiments in which macroscopic particles are used to sample superfluid vortices and quantum turbulence. Specifically, we address the following problems: the capture of a particle by a quantum vortex, the reconnections of vortex filaments and the propagation of Kelvin waves in presence trapped particles and the dynamics of particles in decaying quantum turbulence. In the last part of the manuscript, finite temperature effects are studied in the Fourier-truncated Gross–Pitaevskii model. The goal is to characterize the dynamics of impurities immersed in a thermal bath and how their presence modifies the statistical properties of the fluid. In particular, the random motion of the impurities and the temperature dependence of the friction coefficient are studied. Finally, the clustering of impurities and its effect on the phase transitions of the condensate are investigated

En vue de comprendre et prévoir les modes de dispersion des polluants émis dans les zones urbanisées, des simulations numériques sont menées à haute résolution. L’objectif est de reproduire les caractéristiques atmosphériques au-dessus d’un milieu complexe urbanisé. On a développé une méthode précise de mise en œuvre des simulations numériques de l’atmosphère urbaine à haute résolution spatiale en se basant sur trois outils complémentaires, optimisés sur l’exemple de Marseille : le modèle atmosphérique SUBMESO, en mode SGE (simulation des grandes échelles), le modèle de sol pour les échelles sub-meso urbanisé SM2-U, le logiciel de cartographie des caractéristiques morphologiques de la canopée urbaine DFMap. Pour pouvoir simuler l'atmosphère de villes côtières, on a développé et validé une méthode de calcul des flux à l’interface mer – atmosphère adaptée aux données de température disponibles par mesure ou télédétection. Une étude de sensibilité est ensuite menée sur une configuration académique de ville dans son environnement rural et/ou côtier, à l’aide de douze simulations permettant d’évaluer les rétroactions entre le modèle de sol et le modèle atmosphérique. Cinq autres simulations sont effectuées sur la région marseillaise au cours d'une période d'observation intensive de la campagne expérimentale CLU – ESCOMPTE, avec trois grilles emboîtées, permettant la première validation du couple SUBMESO – SM2-U, l’analyse des interactions entre la ville, les systèmes de brise et la topographie, et aussi l’étude des champs turbulents à très haute résolution. La méthode développée peut être utilisée pour l’étude de la qualité de l’air d’autres agglomérations
In view of understanding and forecasting pollutant dispersion in urban areas, high resolution numerical simulations are performed. The aim is to reproduce atmospheric characteristics above complex urbanised site. An accurate method is developed to implement numerical simulations of the urban atmosphere based on three complementary tools, optimized on Marseille agglomeration example: the atmospheric Large Eddy Simulation model SUBMESO and the soil model for sub-meso scales, urban, SM2-U, and the DFMap software to map the morphological characteristics of urban fabrics. In order to simulate the atmosphere of coastal cities, a method to compute the fluxes at the sea - atmosphere interface is developing developed and validated. A sensitivity study is then carried on an academic configuration of a city and its rural and/or coastal environment, based on twelve simulations, in order to evaluate the retroactions of the soil and atmospheric models. Five other simulations of the Marseille area are performed with three nested grids during an intense observation period of the UBL – ESCOMPTE experimental campaign, allowing the first validation of the SUBMESO – SM2-U couple, an analysis of the interactions between the city, the breeze systems and the topography, and also very high resolution study of turbulent parameters. This method may be used to study the air quality of other urban areas

Dans le contexte des études sur les accidents graves dans les centrales nucléaires, la démonstration de la capacité de refroidissement des lits de particules de corium, matériau résultant de la fusion du coeur et véhiculant la puissance résiduelle, est d'une grande importance. De nombreux travaux expérimentaux, essentiellement 1D, ont démontré l'existence d'un flux critique d'assèchement au-delà duquel le refroidissement des particules par l'ébullition de l'eau interstitielle n'est plus assuré. L'interprétation et la modélisation du phénomène reposent sur l'équation hydrodynamique d'Ergun, adaptée aux écoulements diphasiques par le biais des coefficients de perméabilité et passabilité relatives. Cette équation, malgré son manque de justification théorique, est aujourd'hui généralisée dans les modèles multidimensionnels pour simuler des situations représentatives des cas réacteurs. Un programme expérimental original a été élaboré dans le but de fournir des données de validation pour ces modèles. Constitué de billes en acier chauffées par induction, le lit poreux a un rapport d'aspect choisi pour capter des phénomènes bidimensionnels, en l'occurence des circulations convectives de liquide. Des premières mesures de flux critique d'assèchement ont été obtenues dans le cas homogène pour différentes hauteurs de lit et diamètres de billes. La confrontation des essais avec de simulations numériques montrent les limites actuelles de la modélisation. Ces premiers résultats montrent la nécessité de raffiner la représentation du phénomène d'assèchement tant au niveau des conditions aux limites que des équations de quantité de mouvement.

L'impact économique des coûts de fabrication impose l'optimisation de l'usinabilité et donc le développement d'outils de modélisation de la coupe permettant l'étude ou la prévision des phénomènes rencontrés au cours de l'usinage. Cependant, la coupe des métaux est un phénomène complexe. Les différentes modélisations de la coupe utilisent des paramètres d'entrée, qui sont pour la plupart issus d'essais de coupe alors que les seules mesures facilement accessibles sont les efforts de coupe et la géométrie du copeau. La validation d'une simulation de la coupe est alors rendue délicate puisque les mêmes résultats expérimentaux ne peuvent être utilisés à la fois pour bâtir et valider la modélisation. Dans ce travail, nous étudions des méthodes d'analyses des résultats expérimentaux permettant d'une part d'informer la simulation numérique au niveau de l'interface outil-matière et d'autre part d'en assurer la validation expérimentale. A cette fin, nous choisissons de solliciter de différentes manières l'interface entre l'outil et la matière coupée en sélectionnant des outils possédant différents rayons d'arête, et en usinant un acier de type 42cd4 dans sa version normale et sa version à usinabilité améliorée. En conclusion des études expérimentales et numériques, nous notons que les effets locaux à l'arête ont une influence directe sur l'épaisseur du copeau et sur l'orientation de la résultante des efforts de coupe. L'analyse de l'orientation des directions principales de déformation du copeau ainsi qu'une méthode expérimentale de décomposition des efforts nous permettent de disposer de deux paramètres expérimentaux indépendants pouvant informer et valider la simulation numérique de la coupe

Cette thèse est consacrée à l'étude de systèmes d'équations aux dérivées partielles. En particulier nous nous intéressons à des systèmes issus de la mécanique des fluides avec contraintes qui permettent de décrire de manière continue en temps et en espace des quantités physiques telles que la densité ou la vitesse. Dans ce cadre nous construisons des modèles pour la biologie : modélisation de la croissance d'un biofilm de micro-algues et modélisation du gros intestin et de sa couche de mucus. Ces modèles sont ensuite testés numériquement à l'aide de schémas numériques spécifiquement élaborés pour ces modèles. Cette thèse est complétée par une étude numérique du modèle d'Aw-Rascle avec contrainte pour le trafic routier
This thesis is devoted to the study of partial differential equation systems. In particular, we are interested in constrained systems coming from the fluid mechanics field which allow to describe, in time and space, physical quantities such as density or speed. In this context we build models for biology: modeling of the growth of micro-algae biofilms and modeling of the large intestine and its mucus layer. These models are then tested numerically using numerical schemes specifically developed for these models. This thesis is supplemented with a numerical study of Aw-Rascle model with constraint for road traffic

Ce travail est l'expression d'une volonté de chercheurs, de la Carabe d'améliorer les connaissances scientifiques méso- et micro-météorologiques appliquées aux milieux insulaires sous influence des alizés et de développer la recherche dans ces domaines.On sait que le phénomène météorologique le plus remarquable impactant les îles de la Caraïbe reste le cyclone tropical. Mais d'autres phénomènes, a des échelles inferieures, telles que les pluies intenses, les houles, la dégradation de la qualité de l'air ont une importance aigüe en termes de risques naturels ou de risques sur la sante. Ces exemples attestent la nécessité d'utiliser des méthodes de descente d'échelle pour exploiter l'information météorologique et/ou climatique de grande échelle et dériver des scenarios locaux et régionaux appliques aux territoires insulaires. Ce défi est important car l'attente d'analyses scientifiques pertinentes dans ces domaines est grande.Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour principaux objectifs la simulation numérique puis l'analyse des mécanismes méso- et micro-échelles qui induisent des circulations locales diurnes et nocturnes sur l'archipel de la Guadeloupe à l'aide de codes numériques météorologiques éprouves car largement utilises en recherche et en prévision opérationnelle.Ils constituent donc la première étude de modélisation numérique à haute résolution en basse atmosphère, par descente d'échelle dynamique, pour des intervalles d'espace compris entre 1 km et 111 m sur cet archipel.Le modelé atmosphérique Weather Research and Forecasting ARW V3.4 (WRF ARW), non-hydrostatique, a été utilise pour l'ensemble des simulations pour modéliser la troposphère depuis l'échelle globale à l'échelle de la turbulence.Trois situations météorologiques classiques réelles d'une durée de 48 heures, correspondant à 80 % des situations météorologiques observées dans la zone, alizes soutenus (AS), alizes moyens (AM), alizes faibles (AF) ont été examinées. Ces situations sont caractérisées par les valeurs du nombre de Froude local suivantes : 0,82 (AS), 0,41 (AM) et 0,21 (AF). Six domaines de modélisation ont été sélectionnés pour effectuer les descentes d'échelle dynamiques : D01 (maille de 27 km), D02 (maille de 9 km), D03 (maille de 3 km), D04 (maille de 1 km), D05 (maille de 333 m) et D06 (maille de 111 m) avec soixante-dix niveaux verticaux. Les quatre premiers domaines (D01 à D04) couvrent l'archipel de la Guadeloupe et sont utilisés en mode méso-échelle à l'aide d'un schéma d'ensemble de couche limite planétaire YSU. Les domaines D05 (couvrant l'île de la Basse-Terre et le centre de l'archipel) et D06 (couvrant la zone littorale et rurale du Petit Cul-de-Sac Marin et la zone urbaine de l'agglomération pointoise) sont utilisés en mode Large Eddy Simulation avec une fermeture de la turbulence 1,5 TKE 3D. Le modèle WRF a été forcé toutes les six heures par l'assimilation des champs d'analyses globales du modèle NCEP FNL (1° de résolution). Les simulations effectuées ont permis d'obtenir des champs de variables météorologiques 10-minutes à très hautes résolutions spatiales.Les résultats des simulations méso- et micro-échelles ont été confrontés aux valeurs expérimentales obtenues à l'aide de capteurs places sur des mâts météorologiques (campagne Atmo-Mangrov et réseau de mesure Météo-France). Il s'agissait d'optimiser l'utilisation des couplages de codes numériques tout en conservant la possibilité de les confronter aux observations expérimentales.Les résultats des simulations numériques micro-échelles, des différents cas (AS, AM, AF) sont utilisées pour forcer (c'est-à-dire définir les conditions limites) un modèle lagrangien de dispersion de particules : FLEXPART. Le système couple FLEXPART-WRF a été employé dans le domaine D06 pour étudier la dispersion du panache d'oxydes d'azote émis par la principale usine de production d'électricité de l'île
The present work expresses the will of Caribbean researchers to improve the meso- and micro-meteorological scientific knowledge of the trade winds influenced island areas, and to develop research in these domains.It is well known that tropical hurricanes remain the most remarkable meteorological phenomena that affect the Caribbean islands. But some other phenomena, of smaller scale, such as intense rainfall events, swells, or air quality degradation, are of extreme importance for natural or health hazards. These examples show the need to use downscaling methods to exploit large scale meteorological or climatic information, and to obtain local and regional scenarios for the island areas. This is an important challenge, as sound scientific studies in these matters are eagerly expected. The aim of the research works exposed in the present dissertation is numerical simulation and analysis of the meso- and microscale mechanisms that induce diurnal and nocturnal local circulations in the Guadeloupe archipelago, using numerical meteorological models that are widely used in research and in operational forecasting.These works represent the first high-resolution (1 km to 111 m) numerical study of the lower atmosphere over the Guadeloupe archipelago. The Weather Research and Forecasting ARW 3.4 (WRF-ARW) model is used to simulate the troposphere from global scale to turbulence scale. Real cases of three typical weather types (80% of cases during a year) are examined during 48 hours : strong trade winds (STW), medium trade winds (MTW) and weak trade winds (WTW). These weather types are characterized by values of the local Froude number : 0.82 (STW), 0.41 (MTW) and 0.21 (WTW). Six domains have been selected for the dynamical downscaling : D01 (grid spacing of 27 km), D02 (grid spacing of 9 km), D03 (grid spacing of 3 km), D04 (grid spacing of 1 km), D05 (grid spacing of 333 m) and D06 (grid spacing of 111 m), including 70 vertical levels. The first four domains (D01 to D04) cover the Guadeloupe archipelago and are used in the meso-scale simulations with the planetary boundary layer scheme YSU (ensemble mean). Domain D05 (covering the Basse-Terre island and the middle of the archipelago) and domain D06 (covering the coastal and rural area of Le Petit Cul-de-Sac Marin and the urban area of Pointe-à-Pitre), are employed in the micro-scale simulation (LES) with the 3D TKE 1.5 order closure scheme. WRF has been 6 hourly reinitialized with the NCEP FNL global analyses (resolution of 1°). These simulations permitted to obtain 10-minutes meteorological variable fields with a very high resolution (111 m).Meso-scale and micro-scale model results have been evaluated with observational data from meteorological stations (field campaign Atmo-Mangrov, French Met Office).Once validated, the micro-scale model outputs have been used for the assimilation of the lagrangian particle dispersion model : FLEXPART. The coupling FLEXPART-WRF has been employed in domain D06, in order to analyze the dispersion of the nitrogen oxide plume emitted by the main power plant of the archipelago

L'un des concepts fondamentaux dans l'étude des métamatériaux est que, dans certains cas, les propriétés du milieu sont déterminées par l'arrangement structurel de ses composants plutôt que par les propriétés intrinsèques des particules. De telles structures hautement ordonnées peuvent servir de guide d'onde en acoustique, ainsi que pour des ondes élastiques ou électromagnétiques ; elles peuvent aussi induire de nouvelles propriétés, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives dans la conception des matériaux. Dans ce champ de recherche, la question centrale est de trouver comment produire ces arrangements ordonnés de particules et de molécules ; par exemple, un grand nombre d'études expérimentales et théoriques s'appuient sur des mécanismes d'auto-assemblage.Dans les études théoriques, ainsi que dans les simulations numériques, les interactions entre les constituants sont déterminées par des potentiels modèles ou effectifs dont la portée et la forme déterminent les structures collectives. Les potentiels utilisés sont souvent à courte portée, c'est-à-dire qu'ils ont une décroissance très rapide avec la distance ; typiquement, des molécules séparées de quelques diamètres moléculaires n'interagissent pas directement. Dans cette thèse, nous nous intéressons à ces structures ordonnées qu'il est possible d'obtenir, non pas avec des interactions à courte portée, mais avec des interactions à très longue portée (Coulomb, etc.). Notre démarche consiste dans un premier temps à déterminer les structures optimales à température nulle (états fondamentaux) en minimisant le potentiel thermodynamique adéquat ; puis, nous étudions la stabilité thermique de ces structures à basse température à l'aide de simulations numériques de Monte-Carlo. Nous observons une pléthore de structures prototypes, ainsi que des transitions de phases entre elles
The central paradigm in the emerging field of metamaterials is that the properties of a material are in certain cases governed rather by the well-ordered spatial arrangement of its constituent particles than by the properties of those particles themselves. Since such highly ordered patterns can act as waveguides for acoustic, elastic, or electromagnetic waves, they can give rise to novel material properties, opening up new avenues in materials design. The central problem of how to produce the required ordered particle arrangements, e.g., via self-assembly, has received significant attention both from the experimental and theoretical sides.In theoretical studies, the interactions between particles are modeled via potential functions, whose shape and range have a profound impact on the formed structures. These potentials are often short-ranged, i.e., they are characterized by a rapid decay with distance. In this thesis, we focus on systems featuring long-range interactions, where particles interact over significantly larger distances than the mean inter-particle separation. Typical examples for such potentials are charged or multipolar interactions.In our approach, we first determine the ordered structures formed by the particles at vanishing temperature by minimizing the relevant thermodynamic potential. We observe a surprising plethora of different structural archetypes as well as novel phase transition scenarios. Then, we investigate the stability of these structures at low temperatures using Monte Carlo simulations

La conception des groupes moto-ventilateurs au sein de Valeo Systèmes Thermiques et la prédiction de leurs performances aérauliques reposent majoritairement sur les méthodes de développement virtuel, i.e. la conception assistée par ordinateur et la simulation numérique de la mécanique des fluides. Dans ce cadre, le présent travail propose une méthodologie de prédiction et de minimisation de la composante tonale du bruit d'un groupe moto-ventilateur. L'approche adoptée est hybride et dissocie la génération et la propagation du bruit. La propagation en champ libre est calculée avec une formulation intégrale de l'analogie de Ffowcs-Williams et Hawkings. Dans un premier temps, les termes-sources à la surface du rotor et du stator sont calculés par une simulation numérique instationnaire. La compacité de la pale ainsi que l'influence du maillage acoustique sur la prédiction sont ensuite investiguées. Finalement, les résultats sont comparés aux mesures expérimentales. Dans un deuxième temps, les sources acoustiques à la surface du stator sont calculées avec le modèle de Sears enrichi avec des données extraites d'une simulation stationnaire du rotor complet. Avant de procéder à la prédiction acoustique, l'influence du modèle de turbulence sur les résultats finaux est évaluée à travers une comparaison entre LES et RANS pour l'écoulement autour de profils extrudés. Enfin, la problématique de minimisation du bruit tonal est traitée en tant que problème d'optimisation où la géométrie d'une aube est paramétrée et où la recherche de l'optimum est conduite par un algorithme génétique. Cette optimisation a permis de concevoir un stator moins bruyant et adapté à l'écoulement en aval du rotor étudié.

Les recherches effectuées sur des écoulements turbulents dans des cavités interdisques ont permis de mettre en évidence l'importance des conditions aux limites. Ce présent travail a pour but de mieux comprendre les phénomènes qui régissent l'apparition de différents types d'écoulements observés dans une cavité rotor-stator non soumise à un flux radial forcé. Dans cette optique, un banc d'essais a été adapté pour étudier plus spécifiquement l'influence de deux paramètres géométriques, l'un lié à une faible différence entre le rayon des disques, l'autre relatif à la présence d'un carter permettant de supprimer l'écoulement produit par la paroi externe du rotor. La base de données constituée à partir de mesures effectuées principalement par anémométrie à fils chauds a été confrontée à des résultats de simulations numériques réalisés à l'aide du code de calcul FLUENT. L'analyse des résultats montre en particulier qu'à la périphérie du système, le fluide éjecté par l'effet centrifuge du rotor est nécessairement compensé par une injection provenant partiellement du fluide au repos situé à l'extérieur à la cavité, près du stator, et de la réintroduction du fluide éjecté par le rotor. La proportion entre ces deux sources, qui dépend étroitement des paramètres géométriques retenus, influe sur le niveau de pré-rotation du fluide en entrée de cavité et conditionne ainsi l'apparition des différents types d'écoulement observés, notamment l'écoulement en bloc de type Batchelor.

Ce travail a pour objectif principal la compréhension, par voie numérique, des écoulements isothermes et non-sothermes de polymères dans différentes configurations (convergents, rétrécissements, transition adhérence-glissement) en rapport avec des problèmes industriels comme ceux de l'injection. Pour les simulations, la Méthode des Tubes de Courant, des approches de différences finies et d'éléments finis ont été appliquées. Le comportement complexe des fluides industriels, notamment des polymères, nous a conduit à adopter plusieurs lois de comportement de fluides anélastiques et viscoélastiques, ces derniers étant exprimés avec une loi intégrale, pour mieux connaître les caractéristiques d'écoulements. Le phénomèné de cristallisation SOUS écoulement de polymères semi-cristalfins est aussi considéré numériquement dans des convergents et rétrécissements pour le Nylon 6. 6 avec une loi newtonienne
The main objective of this study is the understanding of phenomena involved for isothermal and non¬isothermal flows of polymers in different configurations (converging geometries, with restricting sections, transition from adherence to slip) in relation with industrial problems as injection processes. For the simulations, the Stream-Tube Method, finite element and finite difference techniques have been considered. The complex behaviour of industrial fluids, notably polymer materials, has led us to adopt different rheological inelastic and viscoelastic models, the latter being modelled by a memory-integrat equation, in order to obtain the flow characteristics. The crystallization process induced by the flow of semi-crystalline polymers is also considered numerically for the Nylon 6. 6 material in converging and restricting section ducts with a Newtonian mode!

Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre du projet HARVEST, programme de recherche initié en 2001 au LEGI et consacré au développement d'un nouveau concept d'hydrolienne à axe vertical inspiré des turbines Darrieus pour la récupération de l'énergie cinétique des courants marins et fluviaux. Ce travail s'est focalisé sur la mise en place d'un moyen de mesure par Vélocimétrie par Image de Particules deux dimensions - deux composantes (2D-2C) et deux dimensions - trois composantes (2D-3C). L'objectif est d'une part de constituer une base de données expérimentale pour la validation locale des simulations numériques RANS 2D et 3D menées dans le cadre de travaux précédents, et d'autre part d'améliorer la compréhension des phénomènes hydrodynamiques instationnaires rencontrés dans ces machines et en particulier du décrochage dynamique. La confrontation des mesures expérimentales et des simulations a notamment permis de mettre en évidence les points forts et les limites des modèles numériques dans les différents régimes de fonctionnement de la machine.

Une littérature scientifique nourrie est consacrée aux processus élémentaires hétérogènes se produisant à l’interface gaz-solide en raison de leur rôle clé dans de nombreux domaines. Ainsi, l’interaction d’atomes et de molécules avec les surfaces revêt une importance primordiale dans l’étude de la catalyse hétérogène, la combustion, la corrosion, le stockage de l’hydrogène, l’industrie automobile et pétrolière, les interactions plasma/paroi dans le contexte du réacteur expérimental thermonucléaire (ITER), les technologies du spatial, la chimie atmosphérique et l’astrochimie, pour citer quelques exemples. Lorsqu'un atome ou une molécule entre en collision avec une surface, de nombreux processus élémentaires peuvent avoir lieu. Ils dépendent de nombreux facteurs tels que : l'énergie de collision du projectile, l'angle d'incidence sur la surface, la température de surface, l'état initial le des molécules, le transfert d'énergie entre la surface des projectiles, etc… Tous ces facteurs influencent fortement les mécanismes réactionnels et la dynamique de ces processus. Les expériences de faisceaux moléculaires permettent un contrôle toujours plus précis de l'état initial des réactifs associé à un caractérisation fine des produits de réactions. Cependant, dans la plupart des cas, ces observations expérimentales ne fournissent pas tous les détails qui nous permettent de décrire finement les mécanismes gouvernant les processus élémentaires étudiés. Par conséquent, l'élaboration de modèles théoriques devient essentielle pour en rationaliser la description. L'objectif principal de ce travail de thèse est de proposer une analyse de la dynamique de plusieurs processus élémentaires pouvant se produire sur une surface de W(100) en contact avec de l'hydrogène et de l'azote (diffusion inélastique de N2 et H2, l'adsorption dissociative et non dissociative de H2 et l'adsorption et l'absorption de H et N). Par rapport aux études antérieures, la nouveauté de ce travail réside dans la prise en compte des interactions à longue distance de type van der Waals, qui s’avèrent essentielles lorsqu'on souhaite atteindre un bon accord théorie expérience dans le régime des faibles énergies de collision. Les résultats sont comparés aux données expérimentales disponibles et aux résultats théoriques antérieurs. Des simulations de dynamique moléculaire quasi-classique sont réalisés à l'aide de surfaces d'énergie potentielle (PES) basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, tenant compte d’interactions non locales, telles que les forces de van der Waals. La dissipation de l’énergie aux vibrations du réseau et aux excitations électroniques est prise en compte au moyen de modèles effectifs
An important part of scientific literature is devoted to the heterogeneous elementary processes occurring at gas-solid interface due to their great importance and key role in many different domains and applications. Thus, interaction of gas atoms/molecules with surface reactions are of primary importance in the study of: heterogeneous catalysis, combustion of solid fuel and coal gasification, processes of corrosion, hydrogen storage in solid material, automotive and oil industry, plasma-wall interactions in the context of thermonuclear experimental reactor (ITER), atmospheric re-entries technologies and astrochemistry, to name some examples. When an atom or molecule impinges on a surface many different elementary processes can take place, which depends on factors such as: the collision energy of the projectile, the angle of incidence to the surface, the surface temperature, the initial state of the molecules, the transference of energy projectiles-surface, etc. All these factors determines the mechanisms of reaction and the dynamics of the processes. Experimental molecular beams (MB) and other experimental techniques are able to accurately control the initial state of the reactive and characterizing products of gas-surface reactions. However, in most of the case experimental techniques do not provide enough details about the mechanisms through which elementary processes occur. Consequently, theoretical models becomes essential to rationalize the description that in certain cases the experiments do not reach.The main goal of this thesis work is to propose an analyze of the dynamics of several elementary processes occurring on a W(100) surface, such as: the inelastic scattering of N2 and H2, the dissociative and non-dissociative adsorption of of H2 and the adsorption and absorption of H and N. Compared to previous studies, the novelty of this work resides in the taking into account of van der Waals long-distance interactions, which are essential to reach a good agreement between theoretical and experiment results, especially at low collision energy regime. To rationalize the non-adiabatic effects, the energy dissipation to lattice vibrations and electronic excitation are taken in to account by means of GLO and LDFA models respectively

Ce travail de thèse s'appuie essentiellement sur des données de flotteurs de subsurface complémentées par des simulations numériques pour revisiter les schémas de circulation en Méditerranée occidentale. Les principaux résultats de ce travail concernent les circulations des eaux intermédiaires et profondes et proposent de s'écarter d'une vision classique de ventilation par les courants de bord, en montrant l'effet important de phénomènes intermittents et de structures tourbillonnaires cohérentes induisant des flux significatifs à travers le bassin. Il est mis en évidence que près de la moitié (40\%) des eaux profondes nouvellement formées dans le Golfe du Lion se répandent en phase post-convective dans tout le bassin occidental, advectées dans le c(\oe)ur de tourbillons de submésoéchelle (dont le rayon est typiquement de 5km) cohérents (la durée de vie de certains pouvant excéder 1 an et demi). Ce sont des tourbillons de subsurface néanmoins caractérisés par une grande extension verticale O(1-2km) centrée vers 1000 m de profondeur. Les trajectoires et compositions de ces tourbillons sont contraintes par les grands traits de circulation générale mais aussi par des écoulements de mésoéchelle (ondes de Rossby topographiques, autres tourbillons, jets). Dans le bassin algérien, une circulation cyclonique gyrale fortement barotrope, est révélée par les observations et corroborée par la simulation numérique de la maquette MERCATOR. L'analyse et intercomparaison des observations et du modèle numérique montrent que ce gyre à l'échelle du bassin est contraint par la topographie et la circulation générale de la Méditerranée occidentale. Ce gyre, en se décollant du talus, impose la formation de tourbillons " sardes " au coin sud-ouest de la Sardaigne. Ces tourbillons sont anticycloniques, fortement barotropes et caractérisés par un rayon d'environ 30 km et une durée de vie de plus de 5 mois. Les tourbillons " sardes " s'ajoutent aux tourbillons " algériens " essentiellement baroclines et limités à la couche de surface et qui sont issus de la déstabilisation du courant côtier algérien, pour faire de ce bassin une zone de très forte activité à mésoéchelle. Lors de leur processus de formation, les tourbillons " sardes " peuvent piéger en leurs centres, des LIW et TDW en provenance de la mer Tyrrhénienne et contraintes à circuler entre le gyre et le talus. Environ la moitié des eaux en provenance de la mer Tyrrhénienne par le chenal de Sardaigne-Tunisie sont advectées ainsi vers l'intérieur du bassin. L'autre moitié participe à la circulation générale de bord cyclonique.

Ce travail est consacré à la modélisation d'une décharge diode pulsée dans l'azote utilisée pour la nitruration des aciers. L'objectif de ce travail était de mieux comprendre les différents phénomènes mis en jeu dans ce type de décharges afin d'optimiser le traitement. La première étape de ce travail a consisté en l'adaptation d'un code électrique existant aux conditions de fonctionnement du réacteur de traitement présent au laboratoire. Les premières comparaisons entre les résultats numériques et ceux obtenus expérimentalement par spectroscopie d'émission et par sonde électrostatique ont montré un accord général satisfaisant et ont mis en évidence les limites de ce code. Deux améliorations ont alors été apportées au modèle de base : une meilleure description de la population électronique à l'aide d'un faisceau monoénergétique ; un couplage avec un code décrivant la dynamique du gaz neutre. La première amélioration a permis de mieux décrire l'ensemble des différentes zones présentes dans la décharge, en particulier la lueur négative et d'obtenir un très bon accord entre numérique et expérience dans le cas de décharges impulsionnelles. La seconde amélioration a montré l'importance et la nécessité de prendre en compte le chauffage du gaz neutre dans le cas des décharges avec des temps d'allumage supérieurs à quelques centaines de microsecondes
This work deals the modeling of a dc pulsed diode type discharge used for iron and steel nitriding. The present research aimed at a better understanding of the processes occuring in such plasmas in order to attain an optimization of the surface treatment process. In a first stage we adapted an existing electrical modeling to the experimental results obtained from electrostatic probe and emission spectroscopy measurements. These preliminary results showed a roughly good agreement between the modeling and the experiment and pointed out the limits of this simulation. Two improvements have thus been made to this basic model: a better description of the electron population using a monoenergetic electron beam ; a coupling with a modeling of the neutral gas dynamics. The first improvement led to a better description of the various regions of the discharge (in particular the negative glow) and to get an excellent agreement between numerical and experimental results in the case of short duration impulse discharges. The second improvement showed the importance and the need for taking into account the heating of neutral gas in the case of discharge on-time greater than a few hundreds of microseconds

En vue de comprendre et prévoir les modes de dispersion des polluants émis dans les zones urbanisées, des simulations numériques sont menées à haute résolution. L'objectif est de reproduire les caractéristiques atmosphériques au-dessus d'un milieu complexe urbanisé. On a développé une méthode précise de mise en œuvre des simulations numériques de l'atmosphère urbaine à haute résolution spatiale en se basant sur trois outils complémentaires, optimisés sur l'exemple de Marseille : le modèle atmosphérique SUBMESO, en mode SGE (simulation des grandes échelles), le modèle de sol pour les échelles sub-meso urbanisé SM2-U, le logiciel de cartographie des caractéristiques morphologiques de la canopée urbaine DFMap. Pour pouvoir simuler l'atmosphère de villes côtières, on a développé et validé une méthode de calcul des flux à l'interface mer – atmosphère adaptée aux données de température disponibles par mesure ou télédétection. Une étude de sensibilité est ensuite menée sur une configuration académique de ville dans son environnement rural et/ou côtier, à l'aide de douze simulations permettant d'évaluer les rétroactions entre le modèle de sol et le modèle atmosphérique. Cinq autres simulations sont effectuées sur la région marseillaise au cours d'une période d'observation intensive de la campagne expérimentale CLU – ESCOMPTE, avec trois grilles emboîtées, permettant la première validation du couple SUBMESO – SM2-U, l'analyse des interactions entre la ville, les systèmes de brise et la topographie, et aussi l'étude des champs turbulents à très haute résolution. La méthode développée peut être utilisée pour l'étude de la qualité de l'air d'autres agglomérations.

Un scénario couramment considéré lors de la formation des planètes telluriques est celui des océans de magma. L'énergie d’accrétion ainsi que celle dégagée par la désintégration d’éléments radioactifs de courtes périodes est en effet largement suffisante pour fondre une large portion voire l'entièreté du manteau terrestre, formant dans ce dernier cas un océan de magma global. La dépendance en pression de la température de solidification et le fort gradient du profil isentropique dans le manteau inférieur peut ammener à une cristallisation decet océan de magma global par le milieu. Ceci conduit à une situation où la partie solide du manteau primitif est encadrée par deux océans de magma globaux : un en surface, et un basal. Cette thèse se focalise sur deux aspects scientifiques d'un tel système. D'une part, les océans de magma ayant une composition similaire à celle du solide, la matière en convection dans le solide n'est pas nécessairement arrêtée à l'interface entre le solide et le liquide mais peut la traverser par fusion/cristallisation si le temps de changement de phase est court devant le temps de construction de topographie du solide au sein du liquide par force visqueuse. Une analyse de stabilité linéaire ainsi que des simulations numériques directes montrent que cette possibilité de changement de phase affecte considérablement la convection dans la partie solide. Le nombre de Rayleigh critique est abaissé, les structures convectives ont une plus grande longeur d'onde, et le flux de chaleur transporté à travers la couche solide peut être de plusieurs ordres de grandeurs plus important qu'avec des conditions aux limites classiques. Le deuxième aspect étudié durant cette thèse est celui de l'évolution à long terme du manteau primitif. En couplant le modèle de convection dans le solide avec des modèles simples d'évolution des océans de magma, nous avons construit un modèle d'évolution global du manteau primitif en suivant l'évolution thermo-compositionelle des océans de magma globaux et de la partie solide. Une analyse de stabilité linéaire montre que la convection dans la partie solide démarre avant même que l'océan de magma en surface soit entièrement cristallisé. Une simulation numérique directe préliminaire montre que la cristallisation fractionnée de l’océan de magma basal peut conduire à la formation de larges piles thermochimiques en base du manteau solide, similaires aux structures de faibles vitesses sismiques (LLSVP) observées de nos jours. La présence d'océans de magma globaux peut donc avoir d'importantes répercussions sur l'évolution à long terme de la Terre : d'une part via les structures thermiques et compositionnelles mises en place par la cristallisation fractionnée des océans et la convection dans le solide ; d'autre part, le bilan énergétique global peut être considérablement affecté par le fort flux de chaleur extrait par le manteau solide du fait des conditions de changement de phase
A common scenario considered during the formation of Earth-like bodies is that of magma oceans. Indeed, the accretion energy as well as the heat produced by the radioactive decay of short-period elements is more than enough to melt entirely the primitive mantle, thereby forming a global magma ocean. The pressure-dependence of the solidification temperature as well as the steep isentropic temperature profile at the base of the mantle could lead to a crystallization of that global magma ocean from the middle. The primitive solid mantle could therefore be bounded by two global magma oceans: one above and one below.This PhD thesis focuses on two aspects of such a system. First, the solid part of the mantle and the magma oceans being of similar composition, convecting matter in the solid is not necessarily stopped by the solid/liquid interface but could instead go through it by melting/freezing provided that the phase change timescale is short enough compared to the viscous timescale needed to build a solid topography in the liquid oceans. A linear stability analysis and direct numerical simulations show the phase change at the boundary greatly affects convection in the solid part of the mantle. The critical Rayleigh number decreases, convective patterns have a larger wavelength, and the heat flux carried through the solid increases of up to several orders of magnitude compared to cases with classical boundary conditions.The second aspect explored in this thesis is the long-term evolution of the primitive mantle. Coupling convection in the solid with simple evolution models for the magma oceans allowed us to build a global evolution model of the primitive mantle monitoring the thermo-compositional evolution of the solid mantle and magma oceans. A linear stability analysis shows convection sets in the solid before the surface magma ocean crystallizes entirely. A preliminary direct numerical simulation shows the fractional crystallization of the basal magma ocean may lead to the formation of large thermo-chemical piles at the base of the solid mantle. These piles are similar to the large low-shear velocity provinces (LLSVP) observed today.The presence of global magma oceans could therefore have important consequences on the long-term evolution of the Earth: first, fractional crystallization of the magma oceans and convection in the solid part affect the resulting thermal and compositional structures; and second, the global heat budget could be tremendously affected by the high heat flux carried out by the solid part owing to the phase change boundary conditions

Nous cherchons à modéliser numériquement un jet flottant air-hélium dans une cavité avec deux ouvertures à partir de simulations aux grandes échelles (LES) et de simulations numériques directes (DNS). La configuration considérée est basée sur une étude expérimentale menée au CEA de Saclay reproduisant une fuite d'hydrogène en environnement confiné. La dimension de la cavité a été choisie pour permettre une transition laminaire-turbulent intervenant environ à la mi-hauteur de la cavité. Cette étude porte principalement sur trois points majeurs : l'influence des conditions aux limites sur le développement du jet et son interaction avec l'environnement extérieur, la validité du modèle numérique qui est analysée en comparant la distribution de vitesse obtenue numériquement aux mesures expérimentales (PIV) et, enfin, la compréhension de la distribution air-hélium et le phénomène de stratification qui s'établit à l'intérieur de la cavité. Nous observons dans un premier temps que des conditions limites de pression constante appliquées directement au ras des évents conduisent à une sous-estimation du débit volumique d'air entrant dans la cavité et donc à une surestimation de la masse de l'hélium à l'intérieur de la cavité, ce qui n'est pas acceptable dans un contexte d'évaluation du risque hydrogène. En revanche, la prise en compte, dans le domaine de calcul, d'une région extérieure à la cavité prédit correctement le flux d'air entrant. Les résultats numériques sont alors en bon accord avec les données PIV. Il a été montré que les prédictions de la DNS, par rapport à la LES, concordent mieux avec les mesures de vitesse par PIV. Le champ de concentration prédit numériquement présente une couche homogène en haut de la cavité, dont la concentration est en accord avec le modèle théorique de Linden et al. 1990. Cependant, sa position et son épaisseur ne correspondent pas au modèle. Ceci est principalement dû aux interactions directes entre le jet flottant et, d'une part, avec les limites solides de la cavité et d'autre part, avec l'environnement extérieur. L'analyse statistique concernant la production de la flottabilité de l'énergie cinétique turbulente (TKE) a permis d'identifier les limites du jet flottant
We present numerical results from large eddy simulations (LES) and coarse direct numerical simulations (DNS) of an air-helium buoyant jet rising in a two vented cavity. The geometrical configuration mimics the helium release experimental set-up studied at CEA Saclay in the framework of security assessment of hydrogen-based systems with an indoor usage. The dimension of the enclosure was chosen to ensure a laminar-turbulent transition occurring at about the middle height of the cavity. This study focuses mainly on three key points : the influence of the boundary conditions on the jet development and its interaction with the exterior environment, the validity of the numerical model which is analyzed by comparing the numerical velocity distribution versus the measured particle image velocimetry (PIV) ones, and finally understanding the distribution of air-helium and the stratification phenomenon that takes place inside the cavity. We observe at first that applying constant pressure outlet boundary conditions directly at the vent surfaces underestimates the volumetric flow rate of air entering the enclosure and thus overestimate the helium mass inside the cavity. On the contrary, modelling an exterior region in the computational domain better predicts the air flow-rate entrance and numerical results matches better with the experimental PIV data. It has been figured out that the coarse DNS predictions match better with the velocities PIV measurements, compared to the LES. Numerical prediction of the helium field depicts a homogeneous layer formed at the top of the cavity, with a concentration in good agreement with the theoretical model of Linden et al. 1990. However, the position and the thickness of the layer do not correspond to the theory. This is mainly due to the direct interactions between the buoyant jet and both the solid boundaries of the cavity and the exterior environment. Statistical analysis regarding the buoyancy production of the turbulent kinetic energy (TKE) served to identify the limits of the buoyant jet

Le travail présenté porte sur l'étude de la convection mixte en fluide binaire avec effet Soret (gradient de concentration induit par un gradient de température). La géométrie considérée est une conduite parallélépipédique, horizontale, chauffée par le bas. L'écoulement moyen est généré par un gradient de pression horizontal. Nous nous intéresserons à la naissance de structures thermoconvectives sous la forme de rouleaux transversaux 2D, perpendiculaires à l'axe de la conduite. Après avoir introduit les différentes notions de base et effectué une revue bibliographique, nous présentons le formalisme mathématique adopté. L'étude de la convection mixte en fluide binaire avec effet Soret est ensuite décomposée en trois parties : théorique, numérique et expérimentale. La partie théorique consiste en l'étude de la stabilité linéaire de l'écoulement de Poiseuille, linéairement stratifié en température et en concentration. Pour un mélange caractérisé par un nombre de Lewis élevé, un facteur de séparation négatif et pour de faibles valeurs du nombre de Reynols, nous retrouvons conformément à la littérature, à la naissance de la convection, la présence de deux branches de solutions correspondant à des rouleaux transversaux 2D se propageant dans le sens de l'écoulement moyen ou en sens inverse. D'un point de vue numérique, nous avons utilisé un code spectral pour détecter la naissance des rouleaux transversaux 2D. Nous avons également effectué des simulations numériques 2D et 3D avec le logiciel FEMLAB. Ces simulations nous ont permis de mettre en évidence les deux branches de solutions distinctes à la naissance de la convection mixte avec effet Soret, déterminées par l'analyse de stabilité linéaire. Enfin, nous avons mis au point un dispositif expérimental de PIV permettant la visualisation et la détermination du champ de vitesses des différentes structures thermoconvectives observables à la naissance de la convection dans des mélanges à facteur de séparation négatif.

Un outil numérique destiné à la simulation instationnaire d'écoulements incompressibles visqueux partiellement confinés dans le cadre d'une approximation bi-dimensionnelle plane est présenté. Basé sur une méthode de Random Vortex hybride, il exploite l'équation de transport de la vorticité par une discrétisation adaptative sur des éléments lagrangiens à supports compacts. Des algorithmes destinés à améliorer la performance de calcul et la flexibilité sont également introduits. Une étude bibliographique raisonnée relative aux écoulements au travers d'expansions symétriques brusques est menée. Les paramètres déterminants sont dégagés. Différents régimes sont distingués : les transitions rencontrées à nombre de Reynolds croissant conduisent d'un écoulement recirculant symétrique stationnaire à des configurations asymétriques puis à l'apparition d'instabilités. Certaines justifications phénoménologiques sont proposées et les mécanismes mal cernés sont soulignés. La méthode numérique décrite est appliquée à la simulation de ces écoulements et les résultats obtenus comparés aux données expérimentales et numériques disponibles. Les prédictions effectuées sont en excellent accord dans le cas du régime symétrique stationnaire. A un nombre de Reynolds plus élevé, les calculs conduisent à des régimes asymétriques dont seule la nature est conforme aux résultats expérimentaux. Le déclenchement d'instabilités apparaît à une valeur de Reynolds plus faible qu'expérimentalement. Le rôle de la méthode numérique dans ces désaccords est suggéré, ainsi que d'éventuels palliatifs

La modélisation des problèmes de contact pose de sérieuses difficultés : conceptuelles, mathématiques et informatiques bien plus complexes que celles qui proviennent de la mécanique des structures linéaire classique. Motivés par le rôle fondamental que joue le contact dans les applications en calcul de structures, nous nous intéressons aux problèmes de contact unilatéral et frottement (statique et dynamique) en petites déformations. Cette thèse est consacrée à l'étude de certaines formulations et méthodes pour résoudre ce problème et se décompose en deux grandes parties. La première partie est consacrée à la présentation de la discrétisation hybride du problème de contact unilatéral avec frottement de Coulomb. Une formulation avec projection est étudiée et un résultat d'existence et d'unicité est donné pour le problème discret. Différentes méthodes de résolution sont présentées (Newton, méthode itérative, points fixes, Uzawa) et comparées en termes de nombre d'itérations et en termes de robustesse par rapport au coefficient de frottement. La deuxième partie concerne le problème de contact élastodynamique. Plusieurs schémas classiques d'intégration en temps (la θ-méthode, schéma de Newmark, point milieu) sont présentés dans cette partie. On donne aussi de nouvelles stratégies (schéma de Paoli et Schatzman, schéma avec la loi de contact équivalente, schéma avec la matrice de masse équivalente) pour venir à bout des difficultés rencontrées avec les schémas précédents. Cette dernière méthode nous permet de conserver l'énergie du problème et de montrer un résultat d'existence d'une solution lipschitzienne pour le problème de contact élastodynamique discret. Ces résultats sont validés par des simulations numériques.

Ce travail de thèse est surtout consacré à l'étude du ferromagnétisme dans les systèmes désordonnés, en particulier les semiconducteurs magnétiques dilués (DMS). Le formalisme utilisé, basé sur les fonctions de Green à température finie, est très général pour l'étude du magnétisme et du transport dans ces systèmes. Dans un premier temps, il est montré que l'approche champ moyen - RKKY (MF-RKKY) souvent utilisée n'est pas appropriée pour décrire les propriétés magnétiques des systèmes dilués. Un meilleur traitement du Hamiltonien de Heisenberg RKKY dans le cadre de la théorie RPA locale auto cohérente (SC-LRPA) a permis de montrer en particulier que l'approche MF-RKKY surestime largement les températures critiques ainsi que l'étendue de la zone de stabilité du ferromagnétisme. Dans un second temps on étudie le modèle non perturbatif « V-Jpd » par diagonalisation exacte pour chaque configuration de désordre et on calcule explicitement les échanges magnétiques. En dehors de la limite perturbative, ces échanges n'ont pas le caractère RKKY. Ensuite, le Hamiltonien de Heisenberg effectif est traité dans le cadre de la théorie SC-LRPA. Cette approche en 2 étapes montre en particulier (i) l'importance du désordre et des fluctuations thermiques et transverses et (ii) que le potentiel coulombien V joue un rôle crucial pour comprendre l'origine du ferromagnétisme dans les DMS. Ce modèle minimal tient compte de la percolation et des diffusions multiples des porteurs itinérants sur les impuretés et permet d'unifier la description des DMS. Enfin, une étude numérique des effets de taille finie et de l'importance de l'échantillonnage statistique a permis de montrer les insuffisances sévères du traitement Monté Carlo « complet » du modèle dilué « V-Jpd ». Ce modèle microscopique permet de combler le fossé entre les approches modèles trop simplistes et celles basées sur les calculs ab initio.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s'inscrivent dans le cadre des études liées aux dégâts sur les structures et les blessures subies par les personnes à la suite d'explosions de charges explosives en milieu confiné et semi-confiné. Afin de mener cette étude, des expériences sont réalisées à petite échelle en laboratoire et sont complétées par des simulations numériques. Les ondes de choc sont obtenues grâce à la détonation d'une charge explosive gazeuse composée de propane-oxygène en proportion stoechiométrique. L'étude consiste donc à réaliser des expériences à petite échelle en laboratoire afin d'apprécier les champs de pression obtenus à la suite de la détonation d'une charge explosive au sein de deux configurations différentes. La première représente un atelier pyrotechnique et la seconde met en jeu un entrepôt de stockage de bouteilles de gaz. Les résultats expérimentaux sont ensuite confrontés à des résultats obtenus par simulations numériques réalisées grâce au logiciel AUTODYN. En complément de ces deux configuration principales, une étude est menée sur l'identification des pics de surpressions réfléchis grâce à une approche expérimentale appelée paroi par paroi. Une étude est également menée sur la détermination d'une équivalence massique entre le TNT et le mélange gazeux utilisé pour les expériences.