Tesi sul tema "Transport/transfert de masse"

Etude des modifications du transport de masse arteriel sous l'effet de la pression, de la denudation endotheliale et de certaines substances insoactives, sur un modele d'aorte thoracique isolee de lapin. Apres contraction de la paroi par le kvl, la permeabilite a l'albumine de l'endothelium augmente, tandis que celle de la media diminue. Les anticalciques inhibent cet effet, et provoquent meme une augmentation de la permeabilite de la media sans alterer celle de l'endothelium. Cela pourrait expliquer leur effet antiatherogene

Il a ete recemment montre durant les experiences spatiales et par des considerations theoriques que le transfert de chaleur a proximite du point critique liquide vapeur se faisait par le mecanisme de l'effet piston. En effet, la tres forte expansion de la fine couche limite initiale entraine, par un processus adiabatique, une augmentation rapide de la temperature dans le reste du fluide par le biais du va-et-vient des ondes acoustiques. Dans ce present travail sont explores les mecanismes de transport de masse et de chaleur dans une cavite rectangulaire chauffee par le cote, remplie d'un fluide supercritique, et la competition entre la convection naturelle et l'effet piston (ou convection theroacoustique). Les equations de navier-stokes pour un fluide proche de son point critique, suivant une loi d'etat de type van der waals, sont resolues numeriquement par la methode des volumes finis avec la procedure de filtrage acoustique. Les resultats ont ete surprenants compares a ceux d'un fluide parfait: i) l'equilibration en temperature est toujours aussi rapide que dans le cas de conditions de gravite nulle (simulations 1d) par effet piston (avant que la convection ne demarre): ii) l'equilibration de la masse se fait sur une echelle de temps beaucoup plus longue par la convection naturelle quasi-isotherme iii) a cause de la tres forte compressibilite, un effet de point d'arret similaire a celui que l'on rencontre dans les ecoulements a forte vitesse, provoque une surchauffe de mur superieur

Le transport de substrat a travers une membrane echangeuse d'ions peut etre accelere lorsqu'un contre ion joue le role de transporteur. L'acide borique par reaction de neutralisation avec le contre ion hydroxyle et par reaction de condensation avec l'ion borate forme des complexes polyborates (tri-, tetra- et penta-borates) de stabilite moyenne

Cette these est consacree a l'etude des proprietes de transport de fluorures et oxyfluorures de structures fluorine ou tysonite. L'etude comparative des proprietes electriques de nouvelles solutions solides a insertion d'anions a base de srf#2, baf#2 et pbf#2b a permis de mettre en evidence l'existence d'un nouveau critere d'optimisation des performances electriques: la difference de taille entre le cation substituant et le cation de la matrice. Des materiaux de hautes performances ont ete isoles au sein du systeme pbf#2-taf#5. Les solutions solides pb#1#-#xm#2#x#+#nf#2#+#n#x(n = 1,2,3) de type fluorine comportent pour un taux de substitution tres faible (x 0,01) un minimum de conductivite associe a un maximum d'energie d'activation. De nouveaux materiaux fluores et oxyfluores comportant le type structural tysonite ont ete mis en evidence. Les mouvements des fluors dans les divers sous-reseaux independamment les uns des autres ont ete precises. Les conditions d'echange entre sous-reseaux ont pu etre etablies avec l'etude de l'influence du remplacement de l'oxygene par le fluor sur les proprietes electriques de thof#2 au sein du systeme thof#2-bif#3. Ces resultats s'appuient sur une etude par simulation de quelques compositions

La compréhension des mécanismes qui contrôlent le transport de particules et de radionucléides dans les milieux poreux naturels ou artificiels est un élément clé dans l'évaluation de la sureté des sites de stockage de déchets radioactifs. Une étude expérimentale a été entreprise afin de caractériser la mobilité des particules argileuses d'un milieu non consolidé sable-bentonite 5% placé dans une colonne de laboratoire au contact d'une solution saline percolante. Une méthode originale de chromatographie de gradient de salinité a permis de mettre en évidence et de quantifier des comportements types: existence de seuils de déstabilisation des particules, apparition de chemins préférentiels, formation de zones stagnantes qui échangent avec l'eau en écoulement. L’approche modélisatrice a consisté à prendre en compte une loi de distribution des particules entre la surface du milieu poreux et la phase aqueuse au contact du solide, fonction de la concentration de chlorure de sodium. Cette fonction de distribution couplée d'une part avec un modèle d'adsorption des radionucléides et d'autre part avec un modèle de transport type convectif dispersif avec zones stagnantes, a permis de simuler le transport de solutés et de particules lors d'une modification des conditions de l'environnement salin. Le modèle a été validé sur des expériences d'injections transitoires de césium, calcium, neptunium, dans un gradient de chlorure de sodium

Le thème principal de mon travail de recherche est le développement et l'application d'outils de simulation des flux d'eau, de masse et d'énergie dans les structures aquifères. J'ai donc choisi de donner des éléments de réponse à deux questions très fondamentales: qu'y a-t-il dans un outil de simulation et à quoi cela sert-il ? Le fil conducteur de ce mémoire d'HDR est double: - D'une part, l'aller-retour entre les besoins nés de la modélisation d'un problème concret et la recherche des techniques numériques les plus adaptées en termes d'efficacité mais aussi de parcimonie (recherche de l'approche la plus simple possible) - D'autre part, l'illustration de la compréhension accrue des mécanismes d'écoulement dans les structures aquifères permise par la modélisation. Dans le souci d'identifier les méthodes numériques les plus performantes, j'ai été amené à développer et à tester différentes approches, avec des succès inégaux. Il me semble que cette expérience peut présenter une certaine utilité pour un modélisateur; c'est pourquoi j'en ai développé quelques aspects dans la première partie de ce mémoire. Trois problèmes sont abordés: - La simulation de fronts abrupts lors de la résolution de l'équation de la dispersion, pour lesquelles sont discutées principalement une discrétisation en Eléments Spectraux, une approche aux Eléments Finis discontinus et une approche ELLAM (Eulerian Lagrangian Localized Adjoint Method) - La simulation de l'écoulement (équation de la diffusivité) dans des milieux présentant des propriétés de perméabilité très fortement variables dans l'espace: une méthode de résolution par cycles multigrilles a été développée - L'immersion de domaines poreux finement discrétisés, ou encore de domaines fracturés schématisés par un Réseau de Fractures Discrètes, dans un modèle d'écoulement régional: deux solutions sont proposées, l'une faisant appel à la méthode des Eléments Frontières, l'autre à une discrétisation en Eléments Finis. Dans une deuxième partie, j'évoque mes travaux en matière de développement logiciel, entre autres le développement du code de simulation METIS, qui représente l'écoulement et le transport de masse et d'énergie en milieu poreux et / ou fracturé. Ceci me permet d'illustrer sur quelques exemples comment les outils de simulation s'ajustent pour offrir au modélisateur des fonctionnalités spécifiques qui rendent plus aisée la mise en place d'une modélisation ou qui enrichissent les informations que l'on peut en tirer. Les outils que j'ai développés ont été utilisés pour des applications variées, allant de problèmes d'ingénierie très concrets comme la description des écoulements à travers une digue vers des problèmes plus "amont" comme la circulation de traceurs naturels dans les grandes structures aquifères. J'ai choisi de présenter certaines de ces applications, en sélectionnant celles qui reposaient sur un support expérimental, ce qui me permet d'illustrer la démarche de modélisation depuis l'analyse des données jusqu'à la simulation. C'est l'objet de la troisième partie de ce mémoire. Une première série d'exemples concerne la simulation du transport de traceurs naturels (gaz rares en particulier) dans deux grands bassins sédimentaires (Bassin Parisien et Système aquifère du Carrizo aux USA). Ces exemples montrent comment la modélisation des traceurs naturels permet d'aider à lever les indéterminations existant sur les paramètres d'écoulement (perméabilité), et d'améliorer ainsi la connaissance des flux d'eau. Les traceurs naturels sont également utilisés pour déterminer l'âge des eaux, ce qui ouvre la possibilité de reconstitutions paléoclimatiques. Le second exemple concerne l'évaluation des débits de fuite à travers les géomembranes disposées au fond des installations de stockage de déchets. Ceci impose entre autres de décrire l'écoulement de fluide dans un système composé pour partie de matériaux naturels et pour partie de matériaux artificiels. Un élément déterminant dans la géométrie des écoulements est l'espace mince qui sépare le terrain d'accueil de la géomembrane. Ce travail s'appuie sur un support expérimental important développé au CEMAGREF,et sur une modélisation grâce au code METIS.

Mesure des phénomènes de diffusion, d'adsorption et de transfert de matière dans un réacteur catalytique de déshydratation du méthanol en diméthyléther sur le zéolon 900H. Le gaz traceur non adsorbant utilisé est l'argon. Les paramètres de transfert de matière argon-zéolite sont étudiés en fonction de la température en présence ou non de réaction chimique en régime transitoire ou permanent. Détermination des paramètres cinétiques et de la distribution des temps de rétention

Le terme érosion interne désigne les phénomènes d'arrachement et de transport de particules, sous l'effet de forces d'écoulement, au sein d'un matériau granulaire. Il s'agit de l'un des modes de rupture des digues et barrages en remblai les plus répandus. Localiser et quantifier les déplacements de matière au sein des matériaux granulaires apparaît donc crucial si l'on veut garantir la pérennité des ouvrages hydrauliques. Les critères de filtre permettent de statuer s'il y a transport ou non; ils s'appuient sur la connaissance de la courbe granulométrique des matériaux. Cette dernière peut être considérée comme une approche locale de la morphologie solide. Suivant une démarche similaire, l'analyse de la microstructure de l'espace poral où s'effectue la circulation des particules transportées a d'abord été proposée. Cette étude consiste à caractériser la morphologie et la topologie du réseau des vides d'assemblages numériques de sphères en s'appuyant sur une discrétisation du milieu poreux selon des cellules tétraédriques (partition de Delaunay généralisé). Les spécificités de comportement liées aux variations de densité ont été étudiées. Plusieurs caractéristiques des pores et des constrictions, passages les plus étroits entre pores, sont définies permettant d'envisager une corrélation entre l'organisation de l'espace poral et les possibilités de migration de particules au sein de cet espace. La recherche de cette corrélation repose sur l'hypothèse d'un mécanisme de capture par exclusion de taille : une particule transportée est stoppée dès lors qu'elle rencontre une constriction de taille inférieure à son diamètre. Un modèle purement géométrique est alors proposé pour estimer la distance qu'une particule infiltrée de taille donnée peut parcourir dans un milieu granulaire. Faute de pouvoir modéliser l'évolution du comportement du milieu poreux à l'échelle macroscopique avec ce modèle, nous proposons une nouvelle modélisation de transport. Elle s'inscrit dans le cadre de la théorie des milieux continus mais est enrichie par l'intégration d'une variable caractéristique des aspects microstructurels : la distribution de tailles de constrictions. Cet enrichissement a été rendu possible par le développement d'une formule analytique destinée au calcul de la distribution de tailles de constrictions à partir de la distribution de tailles de particules. Cette formulation analytique a été obtenue à partir d'analyses numériques discrètes
Internal erosion is the phenomenon by which soil particles are entrained and washed out from an hydraulic earth structure by water seeping flows. It is one of the most widespread causes of failure of levees and embankment dams. So to guarantee security, it is crucial to locate and quantify mass transfers within granular materials. Filter criteria are employed to assess transfer properties of a granular medium. They rely on the soil grading curve which is a local characteristics of the solid material. In a same way, it has been proposed to carry out a microscopic analysis of void space where transported particles flow. Void networks in sphere packings are charaterized morphologically and topologically thanks to a Delaunay tessellation. Specific behaviours resulting from relative density changes have been studied. Several measures of pores and constrictions, smallest paths between pores, are defined, which enables us to plan to correlate void space organization and possibilities for particles to migrate within this space. This correlation assumes that particles are captured by a size exclusion mechanism : a transported particle is blocked if it encounters a constriction smaller than it. A purely geometrical model has been proposed to estimate the travel length that a particle with a given size can cover within a granular medium. Because this model was unable to take into account structural changes of the material at macroscopic scale, a new approach has been developped. It is in line with the theory of continuous media but a local void characteristics, the constriction size distribution, has been added. This improvement has been made possible because an analytical formula has been proposed to calculate the constriction size distribution from the particle size distribution. This analytical formula results from discrete numerical analyses

Dans le cadre de ce travail de thèse, un ensemble complet d’outils d' investigation expérimentale du transport des impuretés a été développé sur le tokamak Tore Supra. Il inclut la mise en fonctionnement d’un système d’injection d’impuretés métalliques par ablation laser et des développements pour le code de transport interprétatif ITC permettant de déterminer les coefficients de transport expérimentaux des impuretés (diffusion et convection). Cet outil a été utilisé pour réaliser et analyser plusieurs expériences visant à mettre en évidence des dépendances paramétriques du transport des impuretés. Dans une première expérience, il a permis d’exprimer le temps de confinement du nickel dans Tore Supra en fonction de la collisionalité ν∗ et du rayon de Larmor normalisé ρ∗. Ensuite, l’influence de la charge de l’impureté a été étudiée dans différentes conditions : régime ohmique avec et sans dents de scie, et mode L sans dents de scie avec chauffage LH. Aucun effet de la charge n’est observé, conformément aux prédictions théoriques des codes néoclassique (NCLASS) et de transport turbulent, gyrofluide non linéaire (TRB) ou gyrocinétique quasilinéaire (QuaLiKiz), sauf dans les plasmas avec puissance LH où le temps de confinement semble décroître pour les impuretés plus lourdes. Cette observation n’est expliquée par aucun des modèles disponibles. Le transport observé est néoclassique entre les relaxations de dents de scie, au centre (r < rq=1) des plasmas ohmiques, turbulent en dehors. En l’absence de dents de scie, il est turbulent partout, en mode ohmique ou mode L. La forme du profil du coefficient de diffusion est alors qualitativement différente, avec une transition entre la zone centrale faiblement turbulente et la périphérie plus fortement turbulente plus interne est plus marquée pour le plasma avec puissance LH
During this PhD work, a full setup of tools for an experimental investigation of impurity transport has been developed on the Tore Supra tokamak. It includes a laser blow-off system for metallic impurity injections and developments for ITC, an interpretative transport code which allows to extract the experimental impurity transport coefficients (diffusion and convection velocity). This tool has been used to perform and analyse several experiments, to evidence parametric dependences of impurity transport. In a first experiment, a confinement time law for nickel in Tore Supra has been obtained as a function of collisionality ν∗ and normalized Larmor radius ρ∗. Then the impurity charge Z role has been investigated in various conditions : ohmic regime with or without sawteeth, and sawtoothless L-mode with LH power. No Z effect is observed, consistently with theoretical predictions, whether neoclassical (NCLASS) or for turbulent transport with both non linear gyrofluid (TRB) and quasilinear gurokinetic (QuaLiKiz) simulations. An exception is found for LH heated plasmas where the confinement time seems to decrease for the heaviest impurities. This is not explained by any model available. The observed transport is close to neoclassical between sawtooth relaxations, in the centre (r < rq=1) of ohmic plasmas, turbulent outside. Without sawteeth, it is turbulent in the whole plasma, for ohmic or L mode discharges. The profile shape of the diffusion coefficient is here qualitatively different, with a stronger and deeper transition between the low diffusion central region and a more turbulent peripheral region for LH heated plasmas

L'objectif de la thèse est la résolution des problèmes de transport dans les milieux poreux à l'aide des méthodes particulaires. Deux problèmes sont résolus avec les méthodes particulaires : la migration d'un soluté dans une nappe phréatique et l'écoulement de l'eau dans un milieu poreux à l'échelle des pores. Pour résoudre l'équation de convection-dispersion dans le cas général d'une dispersion anisotrope, un algorithme basé sur les méthodes particulaires et la méthode de vitesse de dispersion est présenté. Pour simuler l'écoulement dans un milieu poreux à des faibles nombres de Reynolds, un algorithme basé sur une méthode particulaire anisotrope et une méthode intégrale de frontière est présenté. La méthode particulaire anisotrope permet d'améliorer la description de la couche limite se formant autour des grains du sol. La méthode intégrale de frontière permet de satisfaire la condition d'adhérence en écrivant une équation intégrale de frontière sur le contour des grains du sol
The aim of the thesis is to solve transport problems by means of particles methods. Two problems are resolved with particles methods : the migration of a solute in the groundwater and the water flow in a porous medium at the pore scale. In order to solve the advection-dispersion equation in the general case of a non-isotropic dispersion, a numerical model based on the particles methods and the dispersion velocity method is presented. In order to simulate flows in porous media at low Reynolds numbers, a numerical model based on an anisotropic particles method and a boundary integral method is presented. The anisotropic particles method allows to improve the description of the boundary layer appearing around grains of the ground. The boundary integral method allows to satisfy the no-slip condition by writing a boundary integral equation on the wall of grains of the ground

Nous avons étudié théoriquement et expérimentalement la formation de réseaux en relief sur des surfaces active ou passive, avec deux types de polymères photosensibles : résine photosensible négative et copolymère azobenzene. Le mécanisme de formation des structures est attribué à l'effet de transport de masse, qui déplace la matière dans des directions opposées dans ces deux matériaux. La technique de fabrication est basée sur l'utilisation de la lithographie par interférence, ce qui a permis de créer des structures grandes et uniformes. Dans le premier cas, des structures passives de surface en relief en 1D et 2D ont été créés sur la résine photosensible négative SU8 grâce à l'effet de rétrécissement durant le processus de réticulation. Dans le second cas, des structures périodiques actives en 1D, 2D et 3D ont été obtenues grâce à la migration des matériaux copolymères DR1/PMMA des régions de forte intensité d’irradiation à celles de faible intensité. L'amplitude de modulation de la structure est optimisée par le contrôle de l'épaisseur du film, de la périodicité de la structure, de la dose d'exposition, et des polarisations des faisceaux laser. Les applications de ces structures pour des lasers DFB à multiples longueurs d'onde, les cristaux photoniques non-Linéaires, et le couplage dans les guides d'ondes ont été discutés
We have theoretically and experimentally investigated the formation of both active and passive surface relief gratings on two kinds of photosensitive polymers: negative photoresist and azobenzene copolymer. The common mechanism of the structures formation was attributed to mass transport effect, which however pushes the materials in opposite directions in these two materials. The fabrication technique is based on the use of interference lithography, which allowed to create large and uniform structures. In the first case, 1D and 2D passive periodic surface relief structures were created on the negative photoresist SU8 thanks to the shrinkage effect during the crosslinking process. In the second case, 1D, 2D and 3D active periodic structures have been obtained thanks to the movement of DR1/PMMA copolymer materials from regions of high intensity to those of low intensity irradiation. The modulation amplitude of structures is optimized by controlling the film thickness, the structure periodicity, the exposure dosage, and the polarizations of interference laser beams. Applications of these structures for multiple wavelength DFB laser, nonlinear photonic crystals, and waveguide coupling have been discussed

Ce travail est lie aux problemes de simulation du fonctionnement d'une colonne d'extraction liquide-liquide du type kuhni a la base d'un modele du bilan de population de gouttes de taille differente, qui sont affectees par les mecanismes fondamentaux de transport, rupture, coalescence et transfert de matiere. L'objectif est centre sur le developpement d'un appareil de laboratoire destine a caracteriser le comportement des gouttes uniques au sein d'un compartiment de colonne kuhni. Deux types d'informations sont generees et acquises automatiquement en ligne par micro-ordinateur: transport des gouttes dans le compartiment (le temps moyen de sejour et la distribution des temps de sejour sont mesures en fonction de la taille de goutte, de l'intensite d'agitation, de la presence de solute, de la direction de transfert; rupture des gouttes (les probabilites de rupture et les distributions en tailles des gouttes formees par rupture). On a utilise le systeme ternaire eau-acetone-toluene (a haute tension interfaciale) et eau-acide succiniqsue-butanol (a basse tension interfaciale). Les lois ainsi etablies peuvent etre exploitees dans un modele de bilan de population afin de simuler le fonctionnement de divers pilotes kuhni

Ce travail porte sur l’étude des propriétés complexantes, extractantes et de transport des calix[4]arènes couronnes en conformation cône comportant deux fonctions amides vis-à-vis des cations alcalins. La première partie de ce travail concerne la synthèse de ces calixcouronnes, qui sont de nouvelles molécules. Cette synthèse est réalisée en deux étapes. La première étape est une fonctionnalisation d’un p-tertbutylcalix[4]arène par une chaîne polyéthée. La deuxième étape est une dialkylation des deux groupements hydroxyles restants par deux fonctions amides. L’étude de la complexation a montré que les trois ligands forment des complexes 1 : 1 avec le sodium, potassium, rubidium et césium alors qu’avec le lithium, ils forment des complexes 2 : 1. Cette stœchiométrie a été confirmée par des études de 1H-RMN. Ces études ont également mis en évidence que les ligands encapsulent les cations dans la cavité formée par la couronne et les deux fonctions amides. D’après les résultats obtenus au cours des extractions liquide - liquide, la présence des deux fonctions amides exalte significativement l’extraction de ces ligands vis-à-vis des cations alcalins. Les séquences d’extraction obtenues pour les trois ligands sont dans l’ordre :- calix[4]arène couronne-4 diamide : Na+ >> Rb+ ≈ Cs+ ≈ Li+ > K+- calix[4]arène couronne-5 diamide : K+ > Na+ ≈ Rb+ ≈ Li+ ≈ Cs+- calix[4]arène couronne-6 diamide : K+ > Rb+ ≈ Na+ > Cs+ > Li+La sélectivité de transport des cations alcalins à travers une membrane liquide épaisse est similaire à celle observée lors de l’extraction liquide-liquide. Les coefficients de transfert obtenus pour les trois ligands sont proches. Le transfert à travers la membrane liquide épaisse est donc un régime diffusionnel. Le dernier objectif de ce travail a été d’associer l’extraction liquide-liquide à membrane (efficacité) et les macrocycles étudiés (sélectivité). La fiabilité d’un tel système a été étudiée avec l’extraction de nitrates alcalins par le dicyclohexano-18-couronne-6 en utilisant un module de fibres creuses. Les coefficients de transfert du cation alcalin sont calculés à partir des équations de bilan de matière à l’état non stationnaire et sont comparés aux valeurs calculées par le modèle des résistances en série et par un modèle considérant l'état stationnaire. Le système a été appliqué par la suite au calix[4]arène couronne-5 diamide. La comparaison entre les deux composés a mis en évidence l’importance du volume molaire du complexe diffusant
This work concerns the study of the complexation, extraction and transport properties of the calix[4]arenes crowns in cone conformation containing two amide functions, towards alkali cations. The first part of this work relates to the synthesis of the previous products, which are new molecules. This synthesis is carried out in two steps. The first is a functionalization of a p-tertbutylcalix[4]arene by a crown ethere unit. The second is a dialkylation of two hydroxyls groups by two amide functions. In the second part, the complexation study showed that the three ligands form complexes 1: 1 (metal : ligand) with sodium, potassium, rubidium and cesium, whereas these three ligands form complexes 2 : 1 with the lithium. This stoechiometry was confirmed by 1H-NMR studies. These last one also highlighted that the ligands encapsulate the cations in the cavity formed by the crown and the two amide functions. The liquid-liquid extraction study of alkali metal by the three compounds showed that the presence two amide functions increases significantly the extraction of these ligands with alkali cations. The order of selectivities presented in the extraction of the alkali cations for the three ligands is :- calix[4]arene crown-4 diamide : Na+ >> Rb+ > Cs+ > Li+ >K+ - calix[4]arene crown-5 diamide : K+ > Na+ ≈ Rb+ ≈ Li+ ≈ Cs+- calix[4]arene crown-6 diamide : K+ > Rb+ ≈ Na+ > Cs+ > Li+The transport selectivity of alkali cations through a bulk liquid membrane is similar with the liquid-liquid extraction selectivity. The mass transfer coefficients obtained for the three ligands are close. The transfer through the thick liquid membrane is a diffusionnal mode. The last aim of this work is the association of membrane liquid extraction (hollow fibers contactor) and previously studied macrocycles. The feasibility of this system is checked for the extraction of alkali metals with the dicyclohexano-18-crown-6 as extractant. The mass transfer coefficients of alkali cation are calculated by performing an unsteady state balance and compared with values obtained by the resistances-in-series model and by a steady state model. Then, the system is applied to the calix[4]arene crown-5 diamide. The comparison between the ligands showed the role of the complex molar volume on the mass transfer

L'électrochimie permet la mise en œuvre de techniques de détections pertinentes et adaptées aux contraintes de miniaturisation imposées par la conception de laboratoires sur puce. L'objectif de la thèse a été d'étudier la détection d'espèces électroactives circulant à l'intérieur d'un canal microfluidique, sous la forme de gradients de concentration localisés, ou d'espèces contenues à l'intérieur de gouttes. Pour cela, deux approches ont été menées au moyen d'électrodes microbandes intégrées dans des microcanaux. La première a été d'étudier la possibilité de générer puis de détecter électrochimiquement de façon contrôlée des gradients de concentration en écoulement monophasique. Les réponses ampérométriques ont été analysées en fonction des caractéristiques des gradients de concentration après les phases de génération et de propagation. Deux comportements limites ont été mis en évidence par simulations numériques puis vérifiés expérimentalement. La seconde approche a été de mettre en œuvre une détection électrochimique du contenu de gouttes en écoulement diphasique. L'enjeu a été à la fois de démontrer la faisabilité des mesures mais aussi d'établir des relations entre les courants mesurés et les concentrations ou quantités d'espèces à l'intérieur des gouttes. Dans ce cadre, un microdispositif innovant a été proposé puis testé expérimentalement, démontrant la possibilité d'effectuer des électrolyses totales de gouttes
Electrochemistry enables the implementation of relevant and appropriate detection techniques to the miniaturization constraints imposed by the design of labs-on-a-chip. The aim of this thesis was to study the detection of electroactive species flowing within microfluidic channels under the form of concentration gradients or microdroplets. Therefore, two approaches were undertaken by means of microband electrodes integrated within microchannels. The first one was to study the opportunity to control the electrochemical generation and detection of concentration gradients in continuous flow. The amperometric responses were analyzed as a function of the characteristics of concentration gradients after the generation and propagation processes. Two boundary behaviours were evidenced by numerical simulations and validated experimentally. The second approach was to implement the electrochemical detection of droplet content in segmented flow. The challenge was both to demonstrate the feasibility of the experiments and to introduce relationships between currents and concentration or amount of species inside droplets. In this context, an innovative microdevice was designed and tested experimentally allowing the total electrolysis of the droplets

L'objectif de ce travail est de développer un modèle et des techniques d'approximation numérique pour le transfert de masse et de chaleur dans un milieu poreux réactif en évolution structurale. Le modèle obtenu par un changement d'échelle utilisant une technique d'homogénéisation d'une équation cinétique couplée à une équation de conduction thermique. Il permet de prendre en compte une large gamme de régimes pour le gaz allant d'un écoulement continu à un écoulement rarefié. L'approche est validée par de nombreuses comparaisons numériques, en particulier vis-à-vis de données expérimentales et met en évidence la caractère tensoriel des différents phénomènes de transport et leur évolution suivant le régime de l'écoulement. L'application de ces modèles en particulier à l'étude de protections thermiques est présentée.

Dans cette thèse, le transport de scalaires dans des ferrofluides / ferrogels est étudié théoriquement et expérimentalement. L’intérêt principal est de quantifier expérimentalement le processus de transport de masse dans des ferrofluides / ferrogels exposés à un champ magnétique externe et de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus à la lumière de simulations ferrohydrodynamiques (FHD). Nous visons également à utiliser les phénomènes de transport améliorés, identifiés dans les ferrofluides pour des applications de génie de la réaction chimique, par le biais d'études expérimentales sur le mélange / micromélange en micro-canal. L’introduction présente les principes de base de la dynamique des ferrofluides et des nanoparticules magnétiques (NPM) du point de vue de la mécanique des fluides et de la physique des colloïdes. Le cadre de ferrohydrodynamique, englobant les équations du mouvement des ferrofluides en relation avec la relaxation magnétique, y est expliqué. La littérature récente pertinente au transport de scalaires et au mélange dans les ferrofluides est examinée et les mécanismes d'intensification de transport de masse dans le ferrofluides excités par divers types de champs magnétiques sont discutés. Le première chapitre présente des observations expérimentales et des simulations numériques sur le transport de scalaires dans un ferrofluide de type Brownien au repos mais soumis à un champ magnétique rotatif (CMR). Les expériences de transport de masse ont été conduites dans un mélangeur capillaire en T excité transversalement par un champ magnétique uniforme. Une augmentation significative du transport de masse a été observée en présence de CMR dans une direction normale à l'axe de rotation du champ magnétique. Un tel contrôle directionnel par CMR a permis de mettre en évidence le caractère anisotrope du flux de masse puisque la diffusion moléculaire était le seul mécanisme de transport agissant dans une direction parallèle à l'axe du capillaire. Le rôle de l'advection du ferrofluide induite par CMR (écoulement spin-up) quant à l'amélioration du transport de masse a été examiné à la lumière de la solution de l'équation d’advection-diffusion et de la comparaison des prédictions numériques de FHD avec les résultats expérimentaux. Une analyse comparative systématique des simulations numériques par rapport aux observations expérimentales a révélé que la diffusivité effective dans le ferrofluide peut être représentée par un tenseur diagonal dont les composantes sont fonction de la fréquence du CMR et de la concentration des NPM.
Dans cette thèse, le transport de scalaires dans des ferrofluides / ferrogels est étudié théoriquement et expérimentalement. L’intérêt principal est de quantifier expérimentalement le processus de transport de masse dans des ferrofluides / ferrogels exposés à un champ magnétique externe et de comprendre les mécanismes sous-jacents à ces processus à la lumière de simulations ferrohydrodynamiques (FHD). Nous visons également à utiliser les phénomènes de transport améliorés, identifiés dans les ferrofluides pour des applications de génie de la réaction chimique, par le biais d'études expérimentales sur le mélange / micromélange en micro-canal. L’introduction présente les principes de base de la dynamique des ferrofluides et des nanoparticules magnétiques (NPM) du point de vue de la mécanique des fluides et de la physique des colloïdes. Le cadre de ferrohydrodynamique, englobant les équations du mouvement des ferrofluides en relation avec la relaxation magnétique, y est expliqué. La littérature récente pertinente au transport de scalaires et au mélange dans les ferrofluides est examinée et les mécanismes d'intensification de transport de masse dans le ferrofluides excités par divers types de champs magnétiques sont discutés. Le première chapitre présente des observations expérimentales et des simulations numériques sur le transport de scalaires dans un ferrofluide de type Brownien au repos mais soumis à un champ magnétique rotatif (CMR). Les expériences de transport de masse ont été conduites dans un mélangeur capillaire en T excité transversalement par un champ magnétique uniforme. Une augmentation significative du transport de masse a été observée en présence de CMR dans une direction normale à l'axe de rotation du champ magnétique. Un tel contrôle directionnel par CMR a permis de mettre en évidence le caractère anisotrope du flux de masse puisque la diffusion moléculaire était le seul mécanisme de transport agissant dans une direction parallèle à l'axe du capillaire. Le rôle de l'advection du ferrofluide induite par CMR (écoulement spin-up) quant à l'amélioration du transport de masse a été examiné à la lumière de la solution de l'équation d’advection-diffusion et de la comparaison des prédictions numériques de FHD avec les résultats expérimentaux. Une analyse comparative systématique des simulations numériques par rapport aux observations expérimentales a révélé que la diffusivité effective dans le ferrofluide peut être représentée par un tenseur diagonal dont les composantes sont fonction de la fréquence du CMR et de la concentration des NPM. Dans le deuxième chapitre, nous avons exploité le concept de diffusion effective anormale anisotrope dans les ferrofluides pour expliquer les variations de la dispersion axiale observées expérimentalement pour un écoulement de Poiseuille en présence de CMR. Les résultats expérimentaux ont montré que la distribution des temps de séjour (DTS) en présence de CMR est moins asymétrique avec un temps de percée de plus en plus retardé lorsque la fréquence de CMR et/ou la concentration en nanoparticules magnétiques augmente(nt). La solution de l'équation d'advection-diffusion couplée aux équations de transport de quantité de mouvement sous champ magnétique rotatif signale une faible contribution de l'advection dans le phénomène observé. Les simulations numériques ont également montré que la réduction de la dispersion axiale était le résultat d'une diffusivité effective anisotrope anormale dans le ferrofluide suggérant une échelle de mélange de l’ordre de quelques nanomètres dictée par l’effet de la rotation du champ magnétique sur la matrice liquide porteuse non-magnétique des NPM. Dans le troisième chapitre, les propriétés de transport de masse du ferrofluide identifiées ont ensuite été examinées pour des applications de mélange et de micromélange via des techniques réactionnelles. Une étude comparative a été menée pour évaluer l'efficacité du mélange entre des fluides magnétiques et non magnétiques dans un mélangeur de type T capillaire, cylindrique et soumis à des champs magnétiques statique (CMS), oscillant (CMO) et rotatif. En utilisant la réaction modèle de Villermaux-Dushman, nous avons mis en évidence la sensibilité de la sélectivité de cette réaction au micromélange et au transfert de masse au niveau moléculaire. Les résultats ont montré une réduction substantielle de la résistance au transport à l’échelle nanométrique avec des effets mesurables sur la distribution des produits lorsque le mélange est stimulé par un cham magnétique rotatif. Dans le chapitre quatre, nous étendons le concept de mélange NPM/CMR aux ferrogels, préparés en ensemençant des (dipôles durs) nanoparticules de cobalt-ferrite dans un hydrogel de polyacrylamide. L'analyse quantitative des données d’aimantation a révélé l'existence de NPM hydrodynamiquement libres, donc sensibles à la relaxation brownienne, ainsi que des NPM mécaniquement bloquées dans la structure du ferrogel. Un ferrogel contenant des MNP hydrodynamiquement libres engendre des diffusivités effectives d’un soluté passif largement supérieures à la diffusion moléculaire intrinsèque mesurée pour le même soluté au sein de la structure de ferrogel en absence de champ magnétique rotatif. Les résultats expérimentaux et théoriques de cette thèse pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de MNP/ferrofluide stimulés par champ magnétique pour la conception et le développement de systèmes micro-fluidiques et de matériaux magnétiques multifonctionnels dotés de propriétés de transport contrôlables à distance.
Dans le deuxième chapitre, nous avons exploité le concept de diffusion effective anormale anisotrope dans les ferrofluides pour expliquer les variations de la dispersion axiale observées expérimentalement pour un écoulement de Poiseuille en présence de CMR. Les résultats expérimentaux ont montré que la distribution des temps de séjour (DTS) en présence de CMR est moins asymétrique avec un temps de percée de plus en plus retardé lorsque la fréquence de CMR et/ou la concentration en nanoparticules magnétiques augmente(nt). La solution de l'équation d'advection-diffusion couplée aux équations de transport de quantité de mouvement sous champ magnétique rotatif signale une faible contribution de l'advection dans le phénomène observé. Les simulations numériques ont également montré que la réduction de la dispersion axiale était le résultat d'une diffusivité effective anisotrope anormale dans le ferrofluide suggérant une échelle de mélange de l’ordre de quelques nanomètres dictée par l’effet de la rotation du champ magnétique sur la matrice liquide porteuse non-magnétique des NPM.. Dans le troisième chapitre, les propriétés de transport de masse du ferrofluide identifiées ont ensuite été examinées pour des applications de mélange et de micromélange via des techniques réactionnelles. Une étude comparative a été menée pour évaluer l'efficacité du mélange entre des fluides magnétiques et non magnétiques dans un mélangeur de type T capillaire, cylindrique et soumis à des champs magnétiques statique (CMS), oscillant (CMO) et rotatif. En utilisant la réaction modèle de Villermaux-Dushman, nous avons mis en évidence la sensibilité de la sélectivité de cette réaction au micromélange et au transfert de masse au niveau moléculaire. Les résultats ont montré une réduction substantielle de la résistance au transport à l’échelle nanométrique avec des effets mesurables sur la distribution des produits lorsque le mélange est stimulé par un cham magnétique rotatif. Dans le chapitre quatre, nous étendons le concept de mélange NPM/CMR aux ferrogels, préparés en ensemençant des (dipôles durs) nanoparticules de cobalt-ferrite dans un hydrogel de polyacrylamide. L'analyse quantitative des données d’aimantation a révélé l'existence de NPM hydrodynamiquement libres, donc sensibles à la relaxation brownienne, ainsi que des NPM mécaniquement bloquées dans la structure du ferrogel. Un ferrogel contenant des MNP hydrodynamiquement libres engendre des diffusivités effectives d’un soluté passif largement supérieures à la diffusion moléculaire intrinsèque mesurée pour le même soluté au sein de la structure de ferrogel en absence de champ magnétique rotatif. Les résultats expérimentaux et théoriques de cette thèse pourraient ouvrir la voie à l’utilisation de MNP/ferrofluide stimulés par champ magnétique pour la conception et le développement de systèmes micro-fluidiques et de matériaux magnétiques multifonctionnels dotés de propriétés de transport contrôlables à distance.
The solution of advection-diffusion equation coupled to FHD equations of motion predicted weak contribution of advection in the observed phenomenon. The numerical simulations showed that the reduced axial dispersion is the outcome of anomalous anisotropic effective diffusivity in ferrofluid exposed to external uniform RMF. In chapter three, the identified mass transport properties of ferrofluid were further examined for (micro)-mixing applications in reaction engineering. A comparative study was conducted to evaluate the mixing efficiency between magnetic and non-magnetic fluids in a cylindrical capillary T-type mixer subjected to static (SMF), oscillating (OMF) and rotating magnetic fields. By using a probe reaction set (the Villermaux-Dushman reaction) with sensitive selectivity to mass transfer rate, mixing at molecular level was also investigated. The results showed substantial elimination of mass transfer rate influence on product distribution of chemical reactions when the mixing process is intensified with RMF. In chapter four, we extend the concept of mixing by MNP/RMF to ferrogels, prepared by seeding hard-dipole cobalt-ferrite MNP in polyacrylamide hydrogels. Quantitative analysis of magnetization data indicated the existence of hydrodynamically free MNPs, susceptible to Brownian relaxation along with mechanically blocked ones. A ferrogel consisting of hydrodynamically free MNP exhibits effective diffusivities higher than the intrinsic molecular diffusion of passive solute within the ferrogel structure. The experimental and theoretical findings in this thesis may open the way for application of magnetic field-stimulated MNP/ferrofluid for design and development of microfluidic systems and multifunctional magnetic materials with remote-controllable transport properties.
In this PhD thesis, the transport of scalars in ferrofluids/ferrogels is theoretically and experimentally studied. The major interest is to experimentally quantify mass transport process in ferrofluids/ferrogels exposed to external magnetic fields and also to understand the mechanisms underlying the observed enhanced mass transport processes through ferrohydrodynamic (FHD) simulations. We also aim at utilizing the identified enhanced transport phenomena in ferrofluids for reaction engineering applications through experimental studies on mixing/micromixing in microchannels. The introduction presents the basic principles and fundamentals of ferrofluid and magnetic nanoparticles (MNP) dynamics from fluid mechanics and colloidal physics perspectives. The framework of ferrohydrodynamics (FHD), encompassing the ferrofluid equations of motion in connection with magnetic relaxation is explained. The recent literature relevant to the subject of scalar transport and mixing in ferrofluids is reviewed and the mechanisms of rate intensification of mass transport in ferrofluid subjected to various types of magnetic fields are discussed. The first chapter reports experimental observations and numerical simulations on the transport of scalars in quiescent Brownian ferrofluids under rotating magnetic field (RMF). The mass transport experiments were conducted in a cylindrical capillary T-mixer in presence/absence of transverse uniform RMF. Significant enhancement in mass transport was observed in presence of RMF in a direction normal to rotation axis of magnetic field. RMF directional control of mass flux enhancement was anisotropic since the molecular diffusion was the only detected transport mechanism in a direction parallel to the capillary axis. The significance of RMF driven ferrofluid advection (spin-up flow) in mass transport enhancement was examined in the light of the solution of advection-diffusion equation and subsequent comparison of numerical predictions with experimental results. Systematic analysis of numerical simulations compared to experimental observations unveiled that the effective diffusivity in ferrofluid consists of a diagonal tensor whose components are a function of RMF frequency and MNP concentration. In the second chapter, we exploited the concept of anisotropic anomalous effective diffusion in ferrofluids to explain the experimentally observed variations of axial dispersion in ferrofluid capillary Poiseuille flow in presence of external RMF. The experimental results showed that residence time distribution (RTD) in presence of RMF is more symmetric with retarded breakthrough time when frequency of RMF and magnetic nanoparticles (MNP) concentration are increased.

L’objectif principal de ce travail est le développement d’un modèle numérique qui permet de simuler le transport de masse dans les milieux poreux homogènes et hétérogènes. Cet outil numérique sera à terme un moyen de prédiction de la progression d’une pollution dans un sol et d’évaluation des risques de contamination des nappes phréatiques. Le modèle est basé sur l’équation de convection-dispersion avec une cinétique de dépôt/relargage de premier ordre. La résolution de cette équation en 1D et 2D est basée sur une méthode Lagrangienne, appelée méthode particulaire, qui utilise la technique de vitesse de dispersion. Les conditions aux limites (entrée du domaine) sont traitées avec une technique de particules images. La variation de porosité dans le milieu poreux due à la rétention et au détachement des particules est évaluée à partir de la relation de Kozeny-Carman. L’étude de sensibilité du modèle, effectuée dans différentes configurations lorsque les solutions analytiques sont fournies, montre une précision suffisante pour un choix adéquat de paramètres numériques. La validation du code de calcul est obtenue par l’ajustement d’essais de traçage en colonnes de laboratoire dans des conditions d’écoulement à débit constant ou à charge constante. Dans ce dernier cas, un couplage entre l’équation de transport et celle de l’écoulement (Equation de Darcy) est réalisé. La résolution de l’équation de l’écoulement est effectuée à l’aide d’un schéma numérique en différences finies sur une grille fixe. L’équation de transport est d’abord résolue pour calculer la concentration sur les particules, puis à l’aide d’un schéma séquentiel non itératif, on résout l’équation de l’écoulement pour évaluer la charge hydraulique et la vitesse sur les nœuds de la grille. Les échanges entre la grille et les particules sont assurés au moyen de fonctions d’interpolation. La simulation d’essais en injection instantanée ou continue a montré un bon ajustement entre les courbes de restitution calculées et mesurées, et notamment les essais où le dépôt et le relargage agissent simultanément. Les profils de porosité obtenus le long de la colonne, montrent une diminution de la porosité à l’entrée de la colonne, et qui est plus marquée dans le cas d’un écoulement à charge constante. Le modèle numérique est adapté à la simulation de l’érosion (suffusion) d’un sol en considérant uniquement le relargage, et l’ajustement d’essais d’érosion totale au laboratoire a montré un bon accord. Afin de simuler le transport de soluté dissous dans deux milieux homogène et hétérogène supposé infinis, la cinétique de dépôt/relargage est remplacée par un partage non linéaire de Freundlich. Pour tenir compte des hétérogénéités du champ de perméabilité aléatoire qui engendre des vitesses d’écoulement préférentielles, plusieurs simulations dite monte Carlo sont réalisées et montrent que la vitesse de dispersion offre une alternative intéressante (convergence plus rapide). Les résultats obtenus sont en accord avec les résultats de la littérature. Cette étude numérique a permis la mise en œuvre de la méthode particulaire pour simuler le transport, dépôt et relargage dans un milieu poreux fini. Néanmoins, le modèle de dépôt /relargage de premier ordre adopté peut être amélioré afin de prendre en compte le couplage entre les deux processus et notamment le seuil de détachement des particules
This work aims is devoted to the development of numerical model in order to simulate the mass transport in homogeneous and heterogeneous porous media. So to guarantee security, a reliable numerical model will be used at long term to predict the progression of pollution in a ground. The model is based on the convection-dispersion equation coupled with a deposition release kinetic. The transport equation in 1D and 2D is resolved by means of a Lagrangian method, called particle method which uses a dispersion velocity technique. The boundary conditions are interpreted with a technique of a ghost particle. Due to the retention and detachment of the particle, the Kozeny-Carman relation is employed to evaluate the porosity variation in the porous media. The sensitivity study of the model is performed by considering a various configurations when analytical solutions are provided and shows a sufficient precision for adequate numerical parameters. The numerical model validation is obtained by fitting the tracer laboratory column under the constant flow or constant flow head conditions. Under the constant flow head, a coupling between the transport equation and flow equation (Darcy’s low) are performed by resolving flow equation using a numerical model of the finite differences on a fixed grid. The coupling between the flow problem and the transport problem is realized with using a non iterative sequential scheme. The exchanges between the grid and the particles are ensured by means of interpolation function. A good fitting is obtained from the numerical results and experiment data measured in the term of breakthrough curves, in particular when the deposition and release kinetic were considered. The constant flow head shows an important reduction of the porosity profiles at the entry of the laboratory column. Then, the numerical model is used to simulate the erosion (suffusion) of a ground by considering only release, and the fitting of the laboratory column showed a good agreement. An interesting alternative to particle tracking random walk random is studied in order to simulate the transport of sorbing solutes in homogeneous and heterogeneous infinite media. The deposition release kinetic is replaced by a nonlinear Freundlich sorption is considered. A stochastic approach which consists in generating many simulations for which flow and transport problems are resolved. The final results are obtained by means of an average on all numerical simulations performed called Monte Carlo approach. The results obtained are in agreement with those presented in the literature. In order to simulate transport, deposition and release in a finite porous media, the numerical model presented in this study allowed the implementation of the particle method. Nevertheless, the model studied of the deposition and release kinetic can be improved in order to take account the coupling between the two processes and in particular the threshold of detachment of the particles

La simulation numérique des écoulements turbulents cavitants revêt de nombreuses difficultés tant dans la modélisation des phénomènes physiques que dans le développement de méthodes numériques robustes. En effet de tels écoulements sont caractérisés par un changement de phase associé à des gradients de la masse volumique, des variations du nombre de Mach causées par une chute de la vitesse du son, des zones de turbulence diphasique et la présence d'instationnarités.Les travaux de la présente thèse s'inscrivent dans la continuité des études expérimentales et numériques menées au sein du Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels (LEGI),qui visent à améliorer la compréhension et la modélisation d'écoulements cavitants. Les simulations s'appuient sur un code compressible associé à une technique de pré-contionnement bas-Mach qui permet de traiter les zones incompressibles. Les écoulements diphasiques sont reproduits à l'aide d'un modèle de mélange homogène 1-fluide avec discrétisation implicite en pas de temps dual. Enfin la résolution adopte l'approche moyennée RANS qui couple le système des équations de conservation avec des modèles de turbulence du premier ordre basés sur la notion de viscosité turbulente.Dans les zones diphasiques, le calcul des variables thermodynamiques nécessite l'introduction d'équations d'état. La pression au sein du mélange est ainsi reliée aux grandeurs conservatives soit à partir d'une équation d'état de mélange des gaz raides, soit par une relation sinusoïdale incorporant la fraction volumique de vapeur (le taux de vide). La valeur ajoutée de ces travaux de thèse repose sur l'introduction d'une équation de transport pour le calcul du taux de vide. Celle-ci incorpore un terme source dont le transfert de masse entre les phases est fermé grâce à une hypothèse de proportionnalité à la divergence du champ de vitesse. Outre l'amélioration des phénomènes de convection, de dilatation et de collapse, cette équation supplémentaire permet de relaxer l'équilibre thermodynamique local et d'introduire un état métastable pour la phase vapeur.Les simulations 2D et 3D sont réalisées sur des géométries de type Venturi caractérisées par le développement de poches de cavitation partielle instables. L'objectif consiste à reproduire les instationnarités inhérentes à chaque profil telles que la formation d'un jet rentrant liquide à proximité de la paroi ou la production de nuages de vapeur convectés par l'écoulement principal.Les résultats numériques mettent en avant une variation de la fréquence des instationnarités en fonction du calcul de la vitesse du son en zone de mélange. D'autre part, la prise en compte de déséquilibre de la phase vapeur amplifie les phénomènes de propagation d'ondes de pression générées par le collapse des structures cavitantes et participe à la déstabilisation de la poche. Enfin, l'influence de l'équation de transport de taux de vide est analysée en confrontant les résultats des simulations à ceux obtenus ultérieurement à partir d'un modèle à seulement trois équations de conservation
The computation of turbulent cavitating flows involves many difficulties both in modeling the physical phenomena and in the development of robust numerical methods. Indeed such flows are characterized by phase transitions and large density gradients, Mach number variation due to speed of sound decrease, two-phase turbulent areas and unsteadiness.This thesis follows experimental and numerical studies led at the Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels which aim to improve the understanding and modeling of cavitating flows. Simulations are based on a compressible code coupled with a pre-conditionning technique which handles low-Mach number areas. The two-phase flows are reproduced using a one-fluid homogeneous model and temporal discretisation is performed using an implicit dual-time stepping method . The resolution is based on the RANS approach that couples conservation equations with firts-order closure models to compute eddy viscosity.In two-phase flows areas, the computation of thermodynamic quantities requires to close the system with equations of state (EOS). Thus, two formulations are investigated to determine the pressure in the mixture. The stiffened gas EOS is written with conservative quantities while a sinusoidal law deduces the pressure from the volume fraction of vapor (the void fraction). The present study improves the homogeneous equilibrium models by including a transport equation for the void ratio. The mass transfer between phases is assumed to be proportional to the divergence of the velocity. In addition to a better modeling of convection, expansion and collapse phenomenon, this added transport equation allows to relax the local thermodynamic equilibrium and to introduce a mestastable state to the vapor phase.2D and 3D simulations are performed on Venturi type geometries characterized by the development of unstable partial cavitation pockets. The goal is to reproduce unsteadiness linked to each profile such as the formation of a re-entrant jet or the quasi-periodic vapor clouds shedding. Numerical results highlight frequency variations of unsteadiness depending on the speed of sound computation. Moreover, the simulation conducted with a relaxed vapor density increase the pressure wave propagation magnitude generated by the collapse of cavitating structures. It contributes to the destabilization of the pocket. Finally, the role of the void ratio equation is analyzed by comparing the simulation results to those obtained subsequently from a model involving only three conservation equations

La représentation des écoulements et du transport de masse en milieu poreux trouve des applications diverses en hydrogéologie dont notamment l’étude de la propagation des polluants dans les sols ou encore l’étude des transferts d’eau salée dans les nappes phréatiques côtières. Ce manuscrit de thèse propose donc d’étudier ces phénomènes physiques à travers la modélisation numérique. Plusieurs ensembles de méthodes d’éléments finis sont présentées et discutées. L’accent est essentiellement mis sur la représentation mathématique des milieux fortement hétérogènes et anisotropes. Deux nouvelles méthodes de résolution numérique sont ainsi introduites, à savoir les méthodes H-RTm et H-RTp. Ces méthodes sont toutes deux issues de la technique d’hybridation appliquée aux éléments finis mixtes et aux éléments finis discontinus de Galerkin. Les bénéfices qu’elles apportent dans la représentation des phénomènes d’écoulement et de transport de masse en milieu poreux sont alors illustrés à travers des exemples numériques retrouvés dans la littérature
Flow and mass transport through porous media are an important part of underground water studies. Pollution spreading or salt water intrusion in coastal groundwater tables are well known applications. This thesis manuscript is dedicated to the study of this physical phenomena through numerical modelling. Different finite element methods are presented and discussed. We focus on the mathematical representation of strongheterogeneous and anisotropic porous media. We introduce two new numerical methods named H-RTm and H-RTp methods. They take advantage of the hybridization technique applied to mixed finite element methods and discontinuous Galerkin finite element methods. The benefits reached in the numerical representation of flow and mass transfer in porous media are illustrated through numerical examples currently used in literature

Le transport par voie maritime s'est développé très rapidement durant la dernière décennie. Il constitue la solution idéale pour déplacer à faibles coûts d'importantes quantités de marchandises sur de longues distances. L'accroissement de ces échanges entraine inévitablement une augmentation de la fréquentation des routes maritimes, de la densité du trafic et donc du risque d'accident et de naufrage.Les quantités impliquées lors d'un accident étant importantes, un rejet sous-marin de produit chimique issu d'une épave peut provoquer de graves conséquences environnementales et humaines. Or, les mécanismes physico-chimiques apparaissant lors du transfert du produit à la surface sont encore mal compris. Ces mécanismes dépendent de nombreux paramètres dont les propriétés physico-chimiques intrinsèques au produit et celles propres à l'environnement de l'accident.Ce travail de recherche, réalisé en collaboration entre l'Ecole des Mines d'Alès et le Cedre, s'inscrit dans l'amélioration de la compréhension du comportement d'un rejet de produit chimique liquide, flottant et soluble issu d'une épave. Cette étude expérimentale a été réalisée selon 3 points :- La phénoménologie du rejet à la brèche dont l'objectif est de quantifier le débit et les modes de rejet,- Le comportement hydrodynamique du produit libéré et son évolution lors de la remontée dans la colonne d'eau,- Le transfert de matière du produit lors de sa solubilisation dans la colonne d'eau.Pour chaque point, les résultats obtenus sont comparés à ceux prédits par les corrélations disponibles dans la littérature afin de proposer une modélisation globale des conséquences adaptée à la gestion des pollutions marines.

Les électrolyseurs à électrolyte polymère (PEM), employés dans le processus d'électrolyse de l'eau, ont une utilisation limitée due au manque de connaissances des phénomènes physiques en jeu, notamment au niveau de la membrane utilisée pour séparer l'eau. La compréhension des mécanismes de transfert de masse et d'ions au sein de cette membrane est essentielle pour améliorer le rendement de ces systèmes. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de développer une technique de caractérisation basée sur l'imagerie afin de mieux comprendre les phénomènes de transport dans la membrane d'une PEM. Le déroulement de cette thèse est organisé en deux parties.Dans la première partie de la thèse, une plateforme d'imagerie basée sur la spectroscopie infrarouge (IR) à transformée de Fourier (FTIR) et sur la thermographie IR est présentée. Le dispositif expérimental a été développé et utilisé pour étudier deux réactions acide-base exothermiques dans un canal microfluidique. Le champ de concentration 2D imagé permet de quantifier simultanément le transport de chaleur et de masse dans le canal microfluidique. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour valider une simulation du phénomène de diffusion-advection-réaction. Ces premiers résultats ont permis de montrer la viabilité du banc expérimental pour la caractérisation du transfert de masse dans une puce microfluidique.Dans la deuxième partie de la thèse, une PEM microfluidique a été spécifiquement développée afin de mesurer la teneur en eau dans la membrane via une technique de spectroscopie par transmission dans la gamme IR. Dans un premier temps, un dispositif de spectroscopie FTIR synchrotron a été utilisé pour étudier le processus de séchage et d'hydratation de la membrane. L'électrolyseur PEM microfluidique a ensuite été caractérisé sur une plateforme d’imagerie qui combine la spectroscopie IR et les mesures électrochimiques. Les cartographies 2D obtenues grâce à cette technique permettent de quantifier l'hydratation de la membrane sur une surface. La combinaison des images et des mesures électrochimiques a permis d'établir le lien entre les performances, les pertes ohmiques et le transport de masse dans la membrane. Les résultats de cette thèse montrent le potentiel des techniques IR basées sur la transmission pour comprendre les mécanismes de transport dans les PEM microfluidiques en fonctionnement. Ces techniques IR sans contact pourraient être utilisées pour quantifier d'autres phénomènes tels que la traînée électro- ou thermo-osmotique
Understanding and improving mass and ionic transport mechanisms within the membrane used in polymer electrolyte membrane (PEM) water splitting electrolyzers is vital for achieving improved efficiencies that would enable the use of water electrolysis in sustainable energy infrastructures. A better understanding of mass and ion transport within the PEM are essential to achieving the improved performance and efficiencies necessary for wide-scale commercialization of these devices. The work from this thesis aims to improve characterization methods for measuring PEM hydration using an operating microfluidic PEM electrolysis chip coupled with operando infrared (IR) spectroscopy. This development of this thesis is organized through two parts.In part one and prior to the development of the microfluidic electrolyzer, the experimental setup for IR characterization via Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and IR thermography was developed. This setup was tested through a microfluidic chip designed for semi-transparency in mid-wave IR light. Two exothermic acid-base reactions were imaged in the chip to simultaneously quantify heat and mass transport in the microfluidic channel. Concentration fields of each chemical species and thermal fields of the chemical reactions were resolved from the acquired IR images. Experimental results were used to validate an advection diffusion simulation of the chemical reaction within a meshed replica of the microfluidic chip, for which there was a strong agreement between the results from each dataset.In part two, the methods from part one were honed for the fabrication of the first microfluidic PEM water electrolyzer for transmission-based IR characterization. The water content within the PEM of the microfluidic water electrolyzer was characterized through two operando IR spectroscopy setups. The first IR experimental setup utilized a synchrotron FTIR spectroscopy setup, where the water content of the PEM was quantified using IR for the first time, albeit only at a single point. The second microfluidic PEM electrolyzer setup used a broadband IR source combined with other techniques to distinguish contributions from ohmic, kinetic, and mass transport losses while acquiring IR images. Images were acquired during potentiostatic operation for a range of anolyte concentrations. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and distribution of relaxation times (DRT) unveiled that higher anolyte concentrations were accompanied by reduced ohmic losses but higher kinetic and mass transport losses. The higher mass transport losses were investigated through images averaged over comparable time scales to EIS and DRT results, and implied that inefficient gas removal occurred at the cathode. These effects were further investigated through the PEM hydration (λ_(H_2 O)) via three characteristic regions where the adjacent channels were either wet, dry, or a mix of both. The local channel wetness was observed to strongly affect the PEM’s hydration through gradients that manifested between cathode and anode channels.Results from this thesis show the potential of transmission-based IR techniques for elucidating transport mechanisms in PEMs of operating microfluidic electrolyzers. Implementing layers that are traditionally implemented in fuel cells and electrolyzers for gas-liquid management into the microfluidic PEM electrolyzer could greatly improve results obtained from the presented methods. Consequently, IR techniques could potentially be used to achieve the contactless quantification of phenomena such as electro- or thermo-osmotic drag. The findings in this thesis provide valuable insights for membrane characterization in electrochemical devices with integrated PEMs, and will inform the next generation of electrolyzer design

Les matériaux placés au contact avec des aliments doivent répondre aux critères d'inertie définie par la réglementation européenne, qui fixe les limites de migration des substances qui peuvent être transférés aux aliments. Traditionnellement, ces niveaux de migration étaient déterminés expérimentalement par la mise en œuvre de tests de migration impliquant des moyens analytiques et des délais de temps importants. Récemment et par une évolution de la réglementation, les outils de modélisation ont été validés en tant que moyens d'estimation du niveau de migration des additifs dans les matériaux d'emballage plastiques. Néanmoins, les modèles appliqués nécessitent certains paramètres tels que le coefficient de diffusion (ou diffusivité), le coefficient de transfert de matière et le coefficient de partage. Ces coefficients, en particulier la diffusivité, peuvent être déterminés expérimentalement, ou par la voie de la modélisation prédictive. La microspectroscopie Raman a été utilisée pour développer une méthode de caractérisation du coefficient de diffusion, en utilisant comme matrice polymérique modèle le polystyrène amorphe. Cette méthode a été appliquée à deux familles (série homologue) de molécules qui présentent comme unité fondamentale un noyau benzénique, ceci dans le but de pouvoir établir des relations entre les variations des valeurs de diffusivité dans la matrice polymérique et les caractéristiques géométriques des molécules (volume, longueur, compressibilité) qui décrivent la mobilité des molécules en fonction de leur encombrement. Cette méthode a, par ailleurs, été adaptée de manière à être appliqué au polyéthylène basse densité dans le but d'établir les conditions opératoires qui permettent de caractériser simultanément la diffusivité et le coefficient de transfert de matière. Ce travail a ainsi permis de poser les bases d'un modèle de prédiction de la diffusivité qui repose sur des caractéristiques géométriques et dynamiques des molécules, sans imposer une puissance de calcul importante par rapport aux autres modèles proposés dans la littérature. En outre, ce travail a permis d'étudier la sensibilité des modèles mathématiques par rapport à la régression simultanée de plusieurs variables descriptifs des transferts de matière
Food contact materials must comply with the inertia criteria defined by European regulation, which establishes migration limits for substances that may be transferred into food. Traditionally, migration levels were determined experimentally by performing money and time-consuming migration tests. Recently, modelling tools have been approved to predict migration levels of additives from plastics. However, these models need of certain parameters: the diffusion coefficient or diffusivity, the mass transfer coefficient and the partition coefficient. These coefficients, particularly diffusivity, may be determined experimentally or by predictive modellingRaman microspectroscopy was used to develop a methodology for the characterisation of diffusivity, using amorphous polystyrene as model polymeric matrix. This methodology was applied to two families (homologous series) of molecules presenting the benzenic ring as fundamental unit, with the goal of establishing relationships between diffusivity in the polymeric matrix and geometrical characteristics of the molecules (volume, length, compressibility), describing molecular mobility in function of their hindrance.This method has also been adapted to LLDPE, with the goal of establishing the operating conditions allowing to simultaneously determine both diffusivity and mass transfer coefficient.This work has also allowed to lay the foundations of a diffusivity prediction model, based on geometrical and dynamical characteristics of molecules, without the need of a huge computing power compared to other models present in literature. As well, this work permitted to study the sensitivity of the mathematical models regarding simultaneous regression of several variables used in the description of mass transfer

Le Code de la Santé Publique fixe les exigences sur la qualité de l’eau au point d’usage et les matériaux utilisés au contact de l’eau sont soumis à l’obtention d’une Attestation de Conformité Sanitaire. Toutefois des cas de dégradation organoleptique de l’eau subsistent aux points d’usage des consommateurs. Une revue bibliographique a montré que la dégradation organoleptique de l’eau pouvait être causée par la présence de composés provenant des matériaux organiques constituant les réseaux intérieurs. Un modèle à compartiments développé modélise le transfert et le transport des composés organiques des matériaux dans l’eau. Ce type d’approche permet de coupler l’étude du transfert de composés organiques des matériaux dans l’eau et l’étude de l’hydrodynamique dans les réseaux intérieurs. Son application donne la possibilité i)- d’observer l’impact des conditions opératoires dynamiques sur la concentration en composés organiques au point de puisage ii)- de réaliser des diagnostics de réseaux pour éviter les désagréments au point d’usage et encore iii)- de quantifier les composés organiques acheminés au point d’usage dans des scénarios de puisage complexes. L’étude du transfert de composés organiques en condition dynamique a permis de montrer que la température de l’eau, l’agitation turbulente et la durée d’utilisation du matériau organique avaient un impact sur les cinétiques de migration de composés organiques. Toutefois, les expériences réalisées à l’aide du modèle à compartiments ont indiqué que la contribution de la migration en mode dynamique était négligeable devant la contribution en mode statique. En revanche, il a été vu que l’hydrodynamique pouvait avoir un impact important sur la qualité de l’eau au point de puisage notamment à cause de phénomène d’intercommunication. Enfin, l’élaboration de scénarios complexes basée sur les habitudes alimentaires des consommateurs au robinet a montré la corrélation entre les pratiques de consommation des usagers et la quantité de composés organiques ingérée. Cette démarche peut s’inscrire dans des approches de type Valeur Toxicologique de Référence basées sur la prédiction de la quantité de composés chimiques ingérés quotidiennement
The French Public Health Code sets out the requirement on tap water quality and the materials used in the contact of drinking water are subject to the Attestation of Sanitary Conformity. However, organoleptic degradation can remain in tap water. A bibliographic study has shown that organoleptic degradation could be caused by the presence of chemicals migrating from materials and by complex hydrodynamic phenomenon. A compartmental model has been developed. It models the transfer and the transport of chemicals from materials to water. This approach allows to combine the study of transfer of chemical from the material and the study of hydrodynamics in private water installations. It provides the opportunity i)- to observe the impact of dynamic operating conditions on the concentration of chemicals in tap water ii)- to make diagnostics of the installation to avoid disagreements and iii)- to study the quantity of chemicals deliver in tap water in function of consumption habits of the users. The study of chemicals transfer phenomenon in dynamic conditions has shown the impact of water temperature, turbulent agitation and duration of the use of materials on migration kinetics of chemicals. However, the experiences made with compartmental model have indicated that the leaching of chemicals in dynamic conditions was negligible compared with the leaching of chemicals in static conditions. Indeed, the static contact time is far more important that the dynamic one. However, it has been shown that the hydrodynamics could have a significant impact on tap water quality, particularly due to exchanges between different parts of the networks. Finally, the complex scenario development based on consumption habits of the users have shown that the quantity of chemicals ingest by the consumers were strongly dependant of the consumption behaviour of the users. The approach could be a part of a process like the threshold of toxicological concern based on the prediction of the daily quantities of chemicals ingest

Ce travail de these porte sur des etudes experimentales relatives aux transferts monodimensionnels d'humidite sous differents gradients thermiques dans des materiaux poreux qui sont: le beton autoclave non expanse, la vermiculite, deux roches extraites de carrieres (rouffach et rorschach) servant a la restauration de monuments historiques. Un dispositif experimental est utilise pour le suivi continu des evolutions de teneurs en eau (methode gammametrique) et de temperatures (sondes thermiques) durant des essais de condensation et de sechage. L'objectif principal de ce travail est la determination des coefficients de transfert pour chaque materiau, determination basee sur la theorie classique du transfert de masse et de chaleur de de vries. Les coefficients de transfert sont calcules par un procede de regression entre les variables mesurees: flux de masse, gradient de temperature et gradient de teneur en eau, on donne leurs evolutions avec la teneur en eau et pour differentes temperatures. D'autres experiences sont aussi realisees donnant les conductivites thermiques et les isothermes d'adsorption permettant, ainsi, d'acquerir des informations sur le comportement des materiaux vis a vis du transfert de chaleur et de vapeur d'eau

L'objectif de cette thèse était de caractériser, de modéliser et de hiérarchiser les mécanismes acteurs de la croissance de bulles dans un fromage à pâte pressée non-cuite à l'échelle de la bulle. Pour cela, trois étapes majeures ont été envisagées. Une première étape de mise au point d’une méthode de détermination des paramètres du modèle mécanique (modèle de Maxwell généralisé) par ajustement de courbes expérimentales de compression-relaxation a été effectuée. Une deuxième étape de validation a consisté en la réalisation d'un dispositif expérimental permettant de soumettre une bulle isolée dans un cylindre de fromage à diverses sollicitations mécaniques, à suivre l'évolution du dispositif en temps réel et de façon non invasive par IRM, et à confronter ces résultats à des simulations reproduisant les conditions d'acquisition. Une dernière étape a consisté à rajouter la prise en compte du transport de matière (CO2) au sein du fromage dans la modélisation. Les résultats de simulation ont dans un premier temps été confrontés au comportement moyen des bulles au sein d'un bloc de fromage, et dans un deuxième temps un dispositif expérimental de validation similaire à celui de l'étape précédente a été développé. La caractérisation mécanique du fromage a montré que les propriétés rhéologiques n'évoluent pas au cours de l'affinage, mais qu'elles sont soumises à un fort gradient spatial. Le modèle de Maxwell a été validé expérimentalement dans des conditions de sollicitations mécaniques uniquement et une étude de sensibilité a permis de montrer la forte influence des temps de relaxation les plus longs (plusieurs heures) et de la position de la bulle sur la croissance. L'étude du couplage entre transport de quantité de mouvement et transport de matière dans un contexte de croissance d'une seule bulle a permis de montrer la grande influence des paramètres de transport de matière sur la croissance de bulle, en particulier pour le coefficient de diffusion et le taux de production de CO2. Dans un contexte où deux cavités gazeuses sont mobilisées, les paramètres géométriques (position, dimensions, forme des cavités) se sont montrés aussi importants que les paramètres de transport de matière
The objective of this PhD thesis was to characterise, model and rank the mechanisms involved in the growth of bubbles in semi-hard cheeses, at the bubble scale. Three steps were considered. First, a mechanical characterisation of the material enabled to define a rheological model to describe the behaviour of the material (generalised Maxwell model), and to set-up a method to determine the model parameters by fitting of compression-relaxation data. Secondly, the Maxwell model consisted in setting up an experimental validation procedure allowing studying different loads on a single bubble surrounded by a cheese cylinder. Experiments were monitored in real-time in a non-invasive manner by MRI imaging and were compared to simulations reproducing the experimental conditions. Finally, mass transport (CO2) was also taken into account in the model. Simulation results were first compared to the average bubble growth in cheese blocks, and then a dedicated experimental set-up similar to that used previously was used. Mechanical characterisation of semi-hard cheese showed the rheological properties did not evolve during ripening, but presented a steep spatial gradient. Despite its simplicity, the Maxwell model showed good agreement with the experimental results. A sensitivity study demonstrated that the highest relaxation time (about several hours) and the bubble position were the most influent parameters over bubble growth, when only the mechanical model was involved. Coupling between mass and momentum transport in a single bubble case demonstrated the great influence of the mass transport parameters on bubble growth, especially diffusivity and CO2 production rate. In the case where two gaseous cavities are involved, geometric parameters (cavities positions, dimensions and shape) proved to be as important as the mass transport parameters on the bubble growth

Ce travail s'intéresse à l'impact du couplage hétérogénéité physique du milieu-réactivité chimique sur le transport de contaminants dans les milieux souterrains. L'objectif est d'établir les lois macroscopiques du transport réactif dans les milieux poreux hétérogènes en commençant par les réactions d'adsorption non linéaires et hors équilibre. Nous avons développé un outil numérique modélisant le couplage physico-chimique basé sur une approche Lagrangienne, qui généralise la méthode du suivi de particules pour des solutés réactifs. La phase liquide est discrétisée en paquets d'eau dont la concentration en soluté évolue selon les réactions chimiques qui se produisent lors du trajet dans le milieu. L'effet du couplage transport-cinétique-non linéarité est d'abord étudié en milieu homogène puis en milieu hétérogène. Par ailleurs, une expérimentation en laboratoire a été initiée afin de valider les résultats des simulations numériques et étudier des processus réactifs plus complexes.

Les techniques ultramicroélectrochimiques engageant des électrodes de très faibles dimensions ont été appliquées à l'étude des phénomènes de transport de matière en absence d'électrolyte support lors des réactions électrochimiques. L'analyse des effets de migration a porté d'abord sur des transformations électrochimiques engageant une seule étape. Le comportement des systèmes i-/i#3#, br#/br#3#, br#/br#2 et le système du diphenylpicrylhydrazyle dpph-/dpph dans les solvants organiques a été précisé. La variation des courants limites en présence ou absence d'électrolyte a pu être quantifiée simplement. L'analyse a été étendue à des systèmes engageant plusieurs etapes, les uns faisant intervenir des espèces chargées (i#/i#3#/i#2, br#/br#3#/br#2, br#/br#2/br#+ et dpph#/dpph/dpph#+), les autres faisant intervenir des espèces moléculaires (la réduction du tetracyanoquinodimethane (tcnq), l'oxydation de la tetramethyl-p-phenylenediamine (tmppd) et la réduction de l'iode). Les effets d'exaltation sont également prévisibles à partir du modèle proposé

Ce travail presente une approche nouvelle des processus electrochimiques non reversibles, reposant sur l'utilisation d'operateurs. Cette approche permet notamment de separer les contributions thermodynamique et cinetique dans la reponse du systeme a une sollicitation donnee, d'ou son interet dans l'analyse des phenomenes d'hysteresis. L'objectif est en fait de proposer une demarche alternative qui dispense de recourir a des modeles connus (fick, nernst, butler-volmer,), souvent inadequats pour l'etude de systemes electrochimiques complexes. Le principe de la methodologie consiste a representer chacune des etapes de la reaction electrochimique (transfert de charge, transferts de matiere) par un operateur. Celui-ci pouvant etre determine directement a partir des donnees experimentales, il n'est plus necessaire de postuler un modele theorique pour decrire le mecanisme de la reaction etudiee. De plus, le traitement propose est valable pour tout type de transfert obeissant a des equations lineaires. La validation experimentale de cette approche a ete realisee dans des conditions de complexite croissante: tout d'abord, dans le cas d'un couple redox a transfert de charge reversible (n-methyl phenothiazine), on a montre que l'on pouvait caracteriser le transfert de matiere et s'en servir pour prevoir la reponse du systeme a une perturbation quelconque. Puis, pour un couple redox a transfert de charge non reversible (ferro-ferricyanure), on a pu quantifier l'influence de la cinetique dans la reponse du systeme, en definissant des composantes a l'equilibre et hors equilibre experimentalement mesurables. Enfin, lorsque se superposent les effets d'un transfert de charge non reversible et de transferts de matiere mal definis (cas du polypyrrole), l'application de la methodologie a conduit a des informations originales concernant le comportement electrochimique d'un film de polymere conducteur depose sur une electrode

L'hydrogène est un vecteur énergétique prometteur pour la décarbonation de secteurs tels que l'industrie ou la mobilité. Sa nature de gaz fait aussi de l'hydrogène un moyen adapté pour le stockage de l'électricité renouvelable. Les piles à combustible permettent de produire de l'électricité à partir d'hydrogène. Plusieurs technologies existent mais les piles à combustible PEM offrent efficacité, compacité et polyvalence. En plus de l'électricité, elles produisent de la chaleur et de l'eau comme sous-produits et ces derniers doivent être correctement gérés pour assurer le bon fonctionnement des systèmes. Une température trop élevée entraine un vieillissement prématuré des matériaux. Une membrane trop sèche diminue le rendement du système et se dégrade plus rapidement. A l'inverse, si la cellule de pile contient trop d'eau, les réactifs ne peuvent plus assurer les réactions électrochimiques et les performances s'en voient diminuées. La modélisation des phénomènes de transport d'eau et de chaleur dans les piles PEM permet d'en améliorer leur conception par un meilleur design ou la sélection de meilleurs matériaux, ainsi que par un pilotage adapté qui préserve les cellules de conditions de travail délétères. Ces modèles contiennent des paramètres qu'il convient d'estimer expérimentalement afin de les rendre les plus réalistes possibles. Ce travail, après avoir placé le rôle de l'hydrogène et des piles à combustible dans le contexte énergétique, vise à estimer des paramètres cruciaux pour le transport de l'eau et de la chaleur dans les cellules. Tout d'abord, un modèle de transport de l'eau est développé et un plan d'expérience est mis en place afin d'estimer les coefficients de diffusion de l'eau en phase vapeur et adsorbée. Différentes méthodes et matériaux sont comparés, amenant à des résultats cohérents avec la littérature. L'influence de la sorption d'eau liquide par la membrane est aussi explorée. Ensuite, une expérience originale permet d'estimer la résistance thermique entre l'assemblage membrane-électrodes et les plaques bipolaires. Le couplage entre transport de l'eau et transport de la chaleur permet d'estimer la température dans le cœur de la cellule. Une conductivité thermique effective est estimée. Enfin, des expériences en cycles de charge son réalisées afin d'étudier le stockage de l'eau lors d'un régime dynamique. Des bilans d'eau sont réalisés en parallèle de mesure d'impédance et permettent d'explorer le stockage de l'eau dans la cellule. Les résultats expérimentaux préliminaires sont comparés à un modèle transitoire couplé de transport d'eau et de chaleur
Hydrogen is a promising energy carrier for the decarbonization of sectors such as industry and mobility. Its nature as a gas also makes hydrogen a suitable medium for storing renewable electricity. Fuel cells allow the production of electricity from hydrogen. Several technologies exist but PEM fuel cells offer efficiency, compactness and versatility. In addition to electricity, they produce heat and water as by-products and these must be properly managed to ensure proper operation of the systems. Too high temperature leads to premature aging of the materials. A membrane that is too dry decreases system performance and degrades more quickly. Conversely, if the cell contains too much water, the reactants can no longer carry out the electrochemical reactions and performance is reduced. The modeling of water and heat transport phenomena in PEM cells allows to improve their conception by a better design or the selection of better materials, as well as by an adapted piloting which preserves the cells from deleterious working conditions. These models contain parameters that must be estimated experimentally in order to make them as realistic as possible. This work, after having placed the role of hydrogen and fuel cells in the energy context, aims at estimating crucial parameters for water and heat transport in the cells. First, a water transport model is developed and design of experiment is set up to estimate the diffusion coefficients of water in the vapor and sorbed phases. Different methods and materials are compared, leading to results consistent with the literature. The influence of liquid water sorption by the membrane is also explored. Then, an original experiment allows to estimate the thermal resistance between the membrane-electrode assembly and the bipolar plates. The coupling between water transport and heat transport allows to estimate the temperature in the cell. An effective thermal conductivity is estimated. Finally, load cycle experiments are performed to study the water storage during a dynamic regime. Water balances are performed in parallel with impedance measurements and allow to explore the water storage in the cell. Preliminary experimental results are compared to a coupled transient model for water and heat transport

Ce travail porte sur la modélisation macroscopique des transferts de masse et de chaleur dans un milieu poreux surchauffé parcouru par un écoulement liquide-vapeur avec changement de phase. Dans le cadre du non équilibre thermique local entre les trois phases du système, un modèle macroscopique quasi-stationnaire à trois températures est établi par prise de moyenne volumique des équations de transport locales. Un des aspects attrayants de la technique de changement d'échelle réside ici dans le développement d'une forme fermée du taux d'évaporation à l'échelle macroscopique dépendant des températures moyennes et des propriétés effectives. Le modèle macroscopique résultant peut être vu comme une généralisation des modèles à trois températures existants obtenus dans le cadre d'une approche heuristique. Les principales différences sont la présence de termes de transport supplémentaires et un couplage entre les différents continuums (phase et interface) qui semble plus complexe. L'intérêt majeur de l'approche développée ici est de proposer des problèmes de fermeture permettant de déterminer les coefficients de transports effectifs, tels que les tenseurs de dispersion et les coefficients d'échange, à partir d'une description locale sur une cellule représentative du milieu considéré. Ces problèmes ont été résolus pour des cellules unitaires simples pour obtenir une première estimation des propriétés effectives. Pour ces cellules et pour des problèmes de diffusion-évaporation, des comparaisons avec des solutions numériques du problème local ont permis d'illustrer l'intérêt pratique et les potentialités du modèle macroscopique. Pour des cellules unitaires plus complexes, une simulation numérique directe de l'écoulement diphasique à l'échelle locale a été effectuée permettant d'avoir accès au champ de vitesse et à la topologie des interfaces. L'outil de simulation numérique directe développé est basé sur une méthode à interface diffuse. Ces méthodes sont bien adaptées aux longueurs caractéristiques à l'échelle locale du milieu poreux et les développements menés montrent que l'on peut envisager de prendre en compte le changement de phase dans le cadre des modèles de Cahn-Hilliard. Les résultats obtenus sur des cellules 2D soulignent le rôle important de la répartition des phases et indiquent que les corrélations pour les propriétés effectives, en fonction de la saturation et des nombres de Péclet, peuvent être relativement complexes.

Le système microvasculaire est un acteur essentiel du fonctionnement cérébral. Il est en effet responsable de l’approvisionnement des cellules en oxygène et glucose ainsi que de l’évacuation des déchets métaboliques comme le dioxyde de carbone. Ce système est composé d’une multitude de petit vaisseaux appelés artérioles, veinules et capillaires, qui sont entourés de tissu cérébral. Ces vaisseaux forment un immense réseau qui étend ses ramifications à travers tout le cerveau. A cause de son rôle prépondérant dans l’homéostasie cérébrale le système microvasculaire est impliqué dansde nombreuses pathologies, allant de l’accident vasculaire cérébral aux maladies neurodégénératives. Ces dernières décennies ont été marquées par des avancées significatives dans le domaine de l’imagerie du vivant (e.g. la microscopie multi-photonique) qui ont permis l’observation du système microvasculaire cérébral avec un niveau de précision sans précédent. Ces techniques génèrent cependant de grandes quantités de données qu’il est difficile d’analyser sans outils théoriques adaptés. C’est pourquoi, dans cette thèse, nous développons des modèles capables de décrire l’écoulement sanguin ainsi que le transport de soluté au sein de vastes réseaux microvasculaires anatomiques. La principale difficulté dans la résolution de tels problèmes, vient de la taille de ces réseaux. En effet, même s’ils ne représentent qu’une fraction du système microvasculaire, ils sont composés de plusieurs dizaines de milliers de vaisseaux et possèdent des géométries complexes. Il est donc inenvisageable de résoudre l’écoulement sanguin et le transport de soluté par le biais de méthodes classiques comme les volumes finis ou les éléments finis. Afin de surmonter cette difficulté, nous combinons une approche réseau de pores avec des méthodes de changement d’échelles (prise de moyenne volumique et développements asymptotiques) et des fonctions de Green. Cela nous permet de simplifier à la fois la description de l’écoulement sanguin et du transport de soluté tout en restant cohérent avec la physique sous-jacente. Pour nous assurer de la pertinence de ces simplifications nous validons systématiquement nos modèles en les comparant à des mesures in vitro et in vivo si elles existent et à des solutions analytiques de référence sinon. Une fois validés, nous utilisons nos modèles afin d’élucider le rôle joué par le système microvas- culaire aux stades précoces de la maladie d’Alzheimer. En effet, il a été récemment montré qu’une baisse du débit sanguin cérébral était le premier marqueur quantitatif de la maladie. Simultanément, nos collaborateurs, les professeurs Schaffer et Nishimura de l’université de Cornell, ont observé chez les souris malades qu’une faible proportion (2%-4%) des capillaires étaient obstrués par des globules blancs. En conséquence ils ont injecté un anticorps inhibant l’adhésion de ces derniers. Les vaisseaux se sont alors débloqués, entraînant une augmentation du débit sanguin ainsi qu’une amélioration des capacités cognitives chez les souris malades. Si l’on suppose qu’après l’injection le débit sanguin retrouve sa valeur de référence, on peut estimer que les occlusions capillaires réduisent de 20 % à 30 % le débit sanguin. Une si faible proportion de capillaires obstrués peut-elle avoir un impact aussi important sur le débit sanguin cérébral ? Il est difficile de répondre simplement à cette question en se fiant uniquement à l’expérience puisqu’il est quasiment impossible d’isoler un tel phénomène in vivo que ce soit chez la souris ou chez l’humain. Pour contourner ce problème nous utilisons nos modèles et simulons numériquement l’impact de ces occlusions sur le débit sanguin. Nous trouvons que 2% à 4% d’occlusions capillaires conduisent à une baisse de débit pouvant aller jusqu’à 12%, faisant de ces occlusions un mécanisme important dans l’apparition de la maladie d’Alzheimer. Pour finir, nous quantifions leurs conséquences sur les échanges moléculaires
The cerebral microvascular system is central in the remarkable machinery of the brain. It is responsible for the delivery of vital molecules (e.g. oxygen, glucose) and clearance of metabolic wastes (e.g.carbone dioxide, amyloid) to and from brain cells. Such a system is composed of small vessels (i.e. arterioles, venules and capillaries), embedded in brain tissue, which form a very large and intricate network spanning over the whole brain. Due to its critical role in brain homeostasis, the cerebral microvascular system is also involved in various pathologies, ranging from stroke toneurodegenerative diseases. During the last decades, significant advances in imaging techniques have been made, such asmulti-photon microscopy, that enabled the observation of the cerebral microvascular system with anunprecedented level of accuracy. However, these techniques generate large amounts of data that aredifficult to interpret without a proper theoretical framework. In this thesis, we address this need bybuilding computationally efficient models that accurately describe blood flow and solute transport in the cerebral microvascular system, more specifically in large anatomical networks.The biggest challenge in the resolution of blood flow and solute transport problems dwells inthe scale of such anatomical networks. Indeed, even though they represent only a fraction of thecomplete cerebral microvascular system, they are made of tens of thousand of vessels and exhibithighly complex geometries. Consequently, this prohibits the resolution of the blood flow and solutetransport problems by means of classic numerical methods, e.g. finite volume or finite elements. Toget around this computational issue, we combine a pore network approach to upscaling methods(volume averaging and multiscale asymptotics) and Green’s functions to simplify the formulation ofboth blood flow and solute transport problems while still capturing the underlying physics. In orderto assess the relevance of such simplifications we systematically validate our models against in vitroand in-vivo measurements, and against reference analytical solutions otherwise. We then use our models to investigate the role of the cerebral microvascular system during theonset of Alzheimer’s disease. Indeed, it has been recently shown that a significant decrease in the cerebral blood flow is the earliest biophysical marker of the disease. Coincidently, our collaborators,Professors Schaffer and Nishimura from Cornell University, have observed in Alzheimer’s diseasedmice that a small proportion (2% to 4%) of capillaries were abnormally occluded by white blood cells adhering to the inflammatory vessel walls. They subsequently injected antibodies inhibiting the whiteblood cells adhesion. This resulted in the unclogging of the capillary vessels, causing a substantialincrease in cerebral blood flow and ultimately leading to a significant cognitive improvement of thediseased animals. Assuming that such antibody injections restored the cerebral blood flow to itsbaseline value leads to estimate that capillary occlusions were previously reducing the cerebral blood flow by 20% to 30%. This raises the critical question: can 2% to 4% of capillary occlusions cause up to 30% reductionin cerebral blood flow? This question is challenging to answer only using experiments since it istremendously difficult to isolate the contribution of such a biophysical process in vivo in mice or humans. Instead, we use our models to numerically investigate the impact of such capillaryocclusions on cerebral blood flow. We find that 2% to 4% capillary occlusion cause up to 12% cerebral blood reduction making them a significant mechanism in the onset of Alzheimer’s disease. Finally,we go on to investigate the consequences of such occlusions on molecule exchange

L'extraction sous pression réduite (SVE) se distingue en tant que solution largement employée pour assainir in situ les sols contaminés par des composés organiques volatils (COVs). En appliquant un vide à la matrice du sol, un flux d'air est produit à travers celle-ci, conduisant les contaminants volatils vers des puits d'extraction qui évacuent les polluants du sol. Des études expérimentales en laboratoire et sur site ont été réalisées afin de fournir une analyse complète de la SVE en suivant les polluants dans les gaz sortants. Une amélioration de cette technique avec la méthode thermique a été étudiée (T-SVE). Le transport et transfert de masse durant les expériences de laboratoire ont été simulés numériquement. Deux modèles de sol ont été choisis et caractérisés : 100 % de sable (sol 1) et du sable mélangé à 5 % de kaolin (sol 2). Des dispositifs expérimentaux sont utilisés pour analyser différents paramètres caractérisant le système d'extraction. Des essais hydrodynamiques ont été réalisés en utilisant trois teneurs massiques en eau différentes dans chaque sol. Des expériences sur des sols contaminés par deux contaminants testés (décane et toluène), en situation mono et double pollution, ont été réalisées avec des échantillons dans des conditions sèches et humides et à des débits d’extraction de 10 et 16 L.min-1. Les expériences ont été réalisées dans les conditions de température ambiante et de température égale à 60°C. Des tests d’extractions sur un site réel contaminé par des hydrocarbures ont aussi été réalisés. Il a été démontré que la quantité d’eau mobile est largement influencée par la composition du sol. Les résultats obtenus ont montré que la présence d'argile dans le sable permet une plus grande rétention des contaminants (phénomène d’adsorption) par rapport à un sol composé uniquement de sable. Des temps d’élimination plus faibles ont été observés pour le contaminant ayant la pression de vapeur plus grande (toluène). Des diminutions légères et non significatives du rendement, d'environ 1%, en passant d'un débit de 16 L.min-1 à un débit de 10 L.min-1 ont été obtenues. Il a été démontré que l'augmentation de la teneur en eau du sol rend le processus de dépollution moins efficace. Les taux d'extraction des contaminants en double pollution sont nettement inférieurs à leurs taux d'extraction en mono-pollution. Le processus T-SVE, comparé à la SVE conventionnelle, est plus efficace en termes de temps de dépollution, ainsi qu’en termes de rendement d’extraction. L´allure des courbes de l´évolution de concentrations des polluants et de dépressions obtenues en essais terrain où les conditions sont plus complexes et variables présente des tendances similaires à celle observée en laboratoire. Une première approche numérique concernant la simulation du transport / transfert de masse en se basant sur les résultats d’expériences sur colonne 1D a été effectuée. Le modèle proposé est capable de simuler les courbes d’extraction avec une bonne concordance par rapport aux résultats expérimentaux
Soil Vapour Extraction stands out as a widely used solution for the in situ remediation of soils contaminated with volatile organic compounds (VOCs). By applying a vacuum to the soil matrix, a flow of air is produced through it, carrying the volatile contaminants to extraction wells that remove the pollutants from the soil. Experimental studies in the laboratory and on site have been carried out to provide a complete analysis of SVE by tracking pollutants in the outgoing gases. An improvement to this technique using the thermal method was studied (T-SVE). Transport and mass transfer during the laboratory experiments were numerically simulated. Two soil models were chosen and characterised: 100% sand (soil 1) and sand mixed with 5% kaolin (soil 2). Experimental set-ups were used to analyse various parameters characterising the extraction system. Hydrodynamic tests were carried out using three different water mass contents in each soil. Experiments on soils contaminated by the two contaminants tested (decane and toluene), in single and double pollution situations, were carried out with samples in dry and wet conditions and at extraction rates of 10 and 16 L.min-1. The experiments were carried out at room temperature and at 60°C. Extraction tests were carried out on a real site contaminated by hydrocarbons. It has been shown that the quantity of mobile water is largely influenced by the composition of the soil. The results obtained showed that the presence of clay in the sand resulted in greater retention of contaminants (adsorption phenomenon) compared with a soil composed solely of sand. Lower elimination times were observed for the contaminant with the highest vapour pressure (toluene). Slight and non-significant decreases in yield, of around 1%, were obtained when going from a flow rate of 16 L.min-1 to a flow rate of 10 L.min-1. It has been shown that increasing the water content of the soil makes the depollution process less effective. The extraction rates of contaminants in double pollution are significantly lower than their extraction rates in monopollution. The T-SVE process, compared with conventional SVE, is more efficient in terms of clean-up time and extraction yield. The trends in pollutant concentration and depression curves obtained in field trials, where conditions are more complex and variable, are similar to those observed in the laboratory. An initial numerical approach to the simulation of mass transport/transfer based on the results of experiments on a 1D column was carried out. The proposed model is capable of simulating the extraction curves with good agreement with the experimental results

Lors d'une electrolyse menee en regime de controle diffusionnel, le transfert de charge est limite par la vitesse de renouvellement des especes electroactives a l'interface. Par le biais de l'effet magneto-electro-hydrodynamique on peut generer une modification de l'hydrodynamique parietale et ainsi agir sur le transfert. Une revue bibliographique non exhaustive des etudes experimentales traitant de l'influence du champ magnetique, sur les differentes etapes du processus d'electrolyse, est presentee. Son action la plus significative concerne la modification du transfert de matiere, obtenue meme pour des intensites moderees de champ. Les possibilites offertes par ce procede de magnetoelectrolyse sont donc importantes. Un modele mathematique simplifie est propose pour la simulation numerique de ce couplage triple : electrochimie/mecanique des fluides/electromagnetisme. Des situations de magnetoelectrolyse en limite diffusionnelle et en regime hydrodynamique de convection forcee ou naturelle ont ete simulees. Les resultats des differents calculs sont confrontes a des mesures experimentales existantes. Un bon accord avec ces dernieres est observe, ce qui valide en premiere approche le modele propose.

Détermination des propriétés de transport de la couche d'alumine au moyen d'une méthode électrochimique sur l'étude des courbes caractéristiques V-I obtenues pour différentes pressions partielles d'oxygène. Développement théorique d'un formalisme reliant les courbes caractéristiques aux propriétés de conductivité des couches d'alumine, application à l'oxydation d'un alliage NiAl à 1100°C dans l'oxygène pur et l'air synthétique.

Peut-on prévoir le déplacement de l'eau dans les aquifères à partir des espèces carbonées dissoutes? Répondre à cette question implique de préciser le comportement du carbone inorganique dissous dans son environnement. Pour ce faire, la technique du traçage (artificiel et naturel), principalement par les isotopes du carbone 13c et 14c, est utilisée à différentes échelles: décimétrique (colonne de matériau remanié); métrique (site expérimental sur l'aquifère de la craie semi-captif à Béthune, Pas de Calais); hectométrique, voire kilométrique (aquifères captifs dits de l'Astien (Hérault) et de l'ensemble sables de Bracheux-craie sous le marais de Sacy, Oise). Ces expériences mettent en évidence un retard des espèces carbonées vis-à-vis des autres traceurs utilisés. Le retard est lié à des interactions dont les caractéristiques permettent de proposer que le principal phénomène de rétention est un échange isotopique (voire un échange isotopique moléculaire) entre les espèces carbonées présentes dans la phase mobile et celles d'une phase immobile carbonée solide ou liquide. Dans certaines conditions sur le terrain, ces échanges échapperaient au contrôle effectué par les teneurs en l3c ce qui pourrait expliquer la faiblesse des âges radiométriques corrigés, principalement par ledit 13c, dans certains aquifères. Compte tenu des caractéristiques cinétiques de l'interaction, les modèles de transport mis au point simulent assez bien les distributions de temps de séjour et les retards observés lors des expériences de traçage artificiel. L'identification de la valeur des paramètres caractéristiques du transport avec interaction, connus ou inconnus par l'expérimentation, amène une discussion sur la validité des modèles employés. Dans le cas du traçage naturel par le radiocarbone dans les aquifères, la modélisation avec coefficient de retard donne une assez bonne approximation à l'ordre 1, qui devient parfois une condition nécessaire à l'application de la théorie du transport et à l'utilisation de la méthode radiométrique comme outil d'évaluation approchée du taux de renouvellement des eaux.

Cette étude décrit un ensemble de méthodes numériques applicables aux problèmes de transport-diffusion. Ceci est développé dans un contexte éléments finis. Néanmoins une synthèse des recherches effectuées dans ce domaine est faite et un grand nombre de références bibliographiques est donné. Un rappel des équations de mécanique des fluides est faite pour des fluides incompressible, compressible, turbulent, des écoulements à surface libre et pour le charriage et la suspension des sédiments. Puis nous décrivons rapidement les formulations variationnelles et la discrétisation par éléments finis de chacun de ces problèmes. Avant de présenter des méthodes plus sophistiquées, nous rappelons les méthodes de Newton, Quasi-Newton et les méthodes de gradient conjugué généralisé. Puis nous abordons l'étude de l'équation modèle de transport-diffusion en non-stationnaire. Une étude de la stabilité et de la connaissance des schémas d'Euler nous conduisant aux méthodes de Taylor-Galerkin. Pour chaque schéma numérique, nous calculons l'équation équivalente, le facteur d'amplification et la vitesse de phase. De cette étude nous retenons 3 algorithmes. Ces algorithmes utilisent la méthode des pas fractionnaires. Puis une approche stationnaire est abordée. Nous rappelons les méthodes de Petrov-Galerkin et proposons une nouvelle méthode permettant d'obtenir une solution exacte aux nœuds et ceci sans condition sur le maillage. Enfin un certain nombre de résultats significatifs est proposé.

Le comportement d’un fluide confiné dans un milieu poreux peu perméable (micro- and méso-pores) a été étudié en ce qui concerne ses propriétés de diffusion de masse, de conductivité thermique et de thermodiffusion. Pour ce faire des simulations de dynamique moléculaire hors équilibre ont été réalisées sur des mélanges binaires modèles placés dans des conditions thermodynamiques diverses, confinés dans des milieux poreux de géométrie lamellaire de différentes natures (lisse ou atomique, plus ou moins adsorbant) en utilisant l’ensemble __//_ et l’ensemble grand canonique. Les résultats ont montré que les effets du milieu poreux sur les propriétés de transport sont d’autant plus marqués que lataille de pore est petite, que l’adsorption est forte et que la température est basse. Les résultats ont permis d’évaluer quantitativement ces effets. Il a aussi été montré que la rugosité des murs a un impact très important sur le coefficient de diffusion de masse et non négligeable sur celui de thermodiffusion
The aim of this work was to study how a fluid confined in a low permeability porous medium (micro- and meso-porous) behaves concerning its properties of mass diffusion, thermal conductivity and thermal diffusion. For this purpose, non-equilibrium molecular dynamics simulations have been performed on simple binary mixtures placed in various thermodynamic conditions, confined in a porous medium of lamellar geometry of different types (structure-less or atomistic, more or less adsorbent) in __//_ and grand canonical ensembles. The results show that the effects of porous medium on transport properties are more pronounced when the pore size is small, the adsorption is strong and the temperature is low. The results allowed to evaluate these effects quantitatively. In addition, it has been found that the wall roughness has a major impact on the mass diffusion coefficient and a non negligible one on the thermal diffusion coefficient

Deux processus de transport des sediments fins sont etudies: i) l'erosion d'un lit depose de vase et le transport en suspension par un courant, ii) le transport lagrangien de vase induit par l'action de la houle dans une couche de vase fluide. I) une etude experimentale de l'erosion d'un lit depose de vase par un courant est realisee dans le canal sedimentologique a circulation du laboratoire d'hydraulique de france. Cette etude est precedee d'une etude hydrodynamique qui precise les conditions pour lesquelles le courant applique un frottement quasiment uniforme sur toute la surface du lit et produit une erosion reguliere du lit. Une analyse theorique montre que les effets de stratification du sediment en suspension sont negligeables lorsque la concentration moyenne sur la verticale est inferieure a 5 g/l. Les variations temporelles de la concentration de sediment en suspension permettent de mesurer l'erosion du lit. Les resultats experimentaux mettent en evidence une loi d'erosion adimensionnelle ou le taux d'erosion varie lineairement avec la difference entre le frottement exerce sur le fond par le courant et la rigidite du lit a sa surface. La dependance du coefficient de proportionnalite avec le nombre de richardson et le gradient de rigidite a la surface du lit est etudiee. Les experiences montrent que l'erosion du lit diminue significativement lorsque le gradient de rigidite a la surface du lit augmente. Ii) le transport lagrangien de vase induit par l'action de la houle dans une couche de vase fluide est etudie theoriquement dans un systeme visqueux a deux couches a partir des equations du mouvement ecrites en coordonnees de lagrange. La comparaison des resultats avec les mesures de sakakiyama & bijker (1989) montre un bon niveau de concordance

L'objectif de cette thèse est le développement de nouvelles méthodes d'analyse et de commande pour une classe d'équations aux dérivées partielles couplées permettant de modéliser le transport combiné du flux magnétique et de la pression (produit de la densité et de la température) dans les plasmas tokamak. Le système couplé est représenté par deux équations 1D de diffusion résistive. Dans cette thèse, on a obtenu deux types de modèles: le premier repose sur des principes physiques et le second exploite les données obtenues en utilisant des techniques d'identification des systèmes. La conception de commande est basée sur l'etude en dimension infinie en utilisant l'analyse de Lyapunov. Le contrôle composite est synthétisé en utilisant la théorie des perturbations singulières pour isoler la composante rapide de la composante lente. Tout le travail théorique est implémenté et testé dans des simulations basées sur la physique avancée en utilisant le simulateur de plasma pour les tokamaks DIII-D, ITER et TCV
The objective of this thesis is to propose new methods for analysis and control of partial differential equations that describe the coupling between the transport models of the electron pressure (density multiplied by the temperature) and the magnetic flux in the tokamak plasma. The coupled system is presented by two1D resistive diffusion equations. In this thesis two kinds of control models are obtained. The first is a first-principle driven model and the second one is the data-driven model obtained using system identification techniques. The control design is based on an infinite dimensional setting using Lyapunov analysis. Composite control is designed using singular perturbation theory to divide the fast from the slow component. All the theoretical work is implemented and benchmarked in advanced physics based on simulations using plasma simulator dor DIII-D, ITER and TCV tokamaks

Un gaz à l'intérieur d’un microsystème ou d’un milieu poreux est dans un état hors équilibre, car le libre parcours moyen des molécules est comparable à la dimension caractéristique du milieu. Ce même état degaz, appelé raréfié, se retrouve en haute altitude ou dans un équipement de vide à basse pression. Ces gaz raréfiés suivent des types d’écoulements qui peuvent être décrits par des modèles cinétiques dérivés de l'équation de Boltzmann. Dans ce travail nous présentons les principaux modèles et leurs mises en oeuvre numériquepour la simulation des écoulements de gaz raréfiés. Parmi les modèles utilisés nous présentons les deux modèles complets de l'équation de Boltzmann, le modèle de Shakhov(S-model) pour un gaz monoatomique et le modèle de McCormack pour un mélange de gaz toujours monoatomiques. La méthode des vitesses discrètes est utilisée pour la discrétisation numérique dans l'espace des vitesses moléculaires et le schéma de type TVD est mis en œuvre dans l'espace physique. L’aspect original de ce travail se situe sur les régimes transitoires et, en particuliersur les comportements non-stationnaires des transferts de chaleur et de masse. Cependant, pour certaines configurations nous considérons uniquement les conditions stationnaires des écoulements et un schéma implicite est développé afin de réduire le coût de calcul. En utilisant ces approches numériques, nous présentons les résultats pour plusieurs types d’écoulements non-stationnaires, de gaz raréfiés monoatomiqueset de mélanges binaires de gaz monoatomiques
A gas inside the microsystems or the porous media is in its non-equilibrium state, due to the fact that the molecular mean free path is comparable to the characteristic dimension of the media. The same state of a gas, called rarefied, is found at high altitude or in the vacuum equipment working at low pressure. All these types of flow can be described by the kinetic models derived from the Boltzmann equation. This thesis presents the development of the numerical tools for the modeling and simulations of the rarefied gas flows. The two models of the full Boltzmann equation, the Shakhov model (S-model) for the single gas and the McCormack model for the gas mixture, are considered. The discrete velocity method is used to the numerical discretization in the molecular velocity space and the TVD-like scheme is implemented in the physical space. The main aspect of this work is centered around the transient properties of the gas flows and, especially, on the transient heat and mass transfer behaviors. However, for some configurations only steady-state solutions are considered and the implicit scheme is developed to reduce the computational cost. Using the proposed numerical approach several types of the transient rarefied single gas flows as well as the binary mixture of the monoatomic gases are studied

Le mecanisme de la reaction d'electrodissolution du cuivre en milieu hcl, aux faibles densites de courant, implique simultanement des reactions en phase adsorbee et le transport d'especes electroactives volumiques. La structure du mecanisme est telle que les flux interfaciaux de ces especes electroactives ne sont pas, en regime dynamique, proportionnels a la densite de courant faradique. Les impedances de concentration ne sont pas, dans ce cas, de simples impedances de diffusion convection et le graphe de l'impedance faradique peut presenter une boucle basse frequence d'une forme plus compliquee que celle d'un arc de diffusion convection classique. L'etude theorique du mecanisme de dissolution du cuivre par la technique de construction des diagrammes de zones cinetiques permet de caracteriser les differents comportements cinetiques du modele. Les courbes courant, tension stationnaires et les diagrammes d'impedance experimentaux sont traces pour differentes vitesses de rotation de l'electrode de cuivre. Ces diagrammes d'impedance sont valides par l'utilisation des relations de kramers-kronig. Le nombre eleve de points experimentaux permet de caracteriser precisemment l'impedance d'electrode et l'evolution de la frequence du sommet de l'arc basse frequence lie au transport de matiere. Une variation de cette frequence avec la tension d'electrode peut ainsi etre mise en evidence. L'accord global entre les resultats experimentaux et l'etude theorique permet d'effectuer l'identification de certains parametres du modele

Le champ électrique d'une puissance suffisante peut provoquer une augmentation de conductivité et perméabilité de la membrane cellulaire. L'effet est connu comme l'électroporation, attribuée à la création de voies aqueuses dans la membrane. Quantifier le transport de la matière dans le cadre d'électroporation est un objectif important. Comprendre ces processus a des ramifications dans l’extraction du jus ou l’extraction sélective des composés de cellules végétales, l'amélioration de l'administration de médicaments, et des solutions aux défis environnementaux. Il y a un manque de modèles qui pourraient être utilisés pour modéliser le transport de la matière dans les structures complexes (tissus biologiques) par rapport à l'électroporation. Cette thèse présente une description mathématique théorique (un modèle) pour étudier le transport de la matière et le transfert de la chaleur dans tissu traité par l’électroporation. Le modèle a été développé en utilisant les lois de conservation et de transport et permet le couplage des effets de l'électroporation sur la membrane des cellules individuelles au transport de la matière ou la chaleur dans le tissu. Une solution analytique a été trouvée par une simplification, mais le modèle peut être étendu avec des dépendances fonctionnelles supplémentaires et résolu numériquement. La thèse comprend cinq articles sur l'électroporation dans l'industrie alimentaire, la création de modèle pour le problème de diffusion, la traduction du modèle au problème lié à l’expression de jus, validation du modèle, ainsi que des suggestions pour une élaboration future du modèle. Un chapitre supplémentaire est dédié au transfert de la chaleur dans tissu
An electric field of sufficient strength can cause an increase of conductivity and permeability of cell membrane. Effect is known as electroporation and is attributed to creation of aqueous pathways in the membrane. Quantifying mass transport in connection with electroporation of biological tissues is an important goal. The ability to fully comprehend transport processes has ramifications in improved juice extraction and improved selective extraction of compounds from plant cells, improved drug delivery, and solutions to environmental challenges. While electroporation is intensively investigated, there is a lack of models that can be used to model mass transport in complex structures such as biological tissues with relation to electroporation. This thesis presents an attempt at constructing a theoretical mathematical description – a model, for studying mass (and heat) transfer in electroporated tissue. The model was developed employing conservation and transport laws and enables coupling effects of electroporation to the membrane of individual cells with the resulting mass transport or heat transfer in tissue. An analytical solution has been found though the model can be extended with additional dependencies to account for the phenomenon of electroporation, and solved numerically. Thesis comprises five peer-reviewed papers describing electroporation in the food industry, model creation for the problem of diffusion, translation of the model to the mathematically-related case of juice expression, model validation, as well as suggestions for possible future development, extension, and generalization. An additional chapter is dedicated to transfer of heat in tissue

La présente thèse porte sur la prédiction numérique de l’impact des transferts thermique et massique sur la qualité de l’air et sur le confort thermique à l’intérieur des cavités ventilées ou non et remplies de polluant. En effet, les cavités ventilées sont généralement considérées comme étant une approximation pour la modélisation des locaux ventilés.Pour mener à bien cette étude, nous avons choisi un modèle numérique basé sur la résolution des équations régissant les transferts de quantité de mouvement, de chaleur et de masse. La première partie du mémoire est consacrée à quelques généralités sur la ventilation, la qualité de l’air et le confort thermique ainsi qu’à la revue bibliographique des travaux réalisés. La démarche suivie est décrite dans le chapitre 2. Celle-ci est basée sur l’approximation de Boussinesq. Le modèle RNG k-ε est utilisé pour traiter la turbulence. La discrétisation des équations est réalisée à l’aide de la méthode des volumes finis associée à l’algorithme SIMPLEC pour traiter le couplage pression-vitesse. Dans la seconde partie, nous considérons d’abord la convection thermique et la convection thermosolutale dans des cavités fermées. Le principal but visé est: a) de valider le modèle considéré en confrontant nos résultats avec ceux de la littérature et b) d’étudier l’influence du nombre de Rayleigh thermique et du rapport de flottabilité. Les résultats obtenus révèlent que le modèle adopté prédit correctement les transferts thermique et massique.Ensuite, nous appliquons cette approche au cas des cavités bidimensionnelles ventilées soumises à des gradients de température et de concentration. Les indices de qualité de l’air et d’efficacité de la ventilation sont calculés et discutés. Nous achevons ce travail en analysant l’influence de la ventilation sur la qualité de l’air intérieur dans une pièce tridimensionnelle en régime transitoire. Cette analyse concerne différents scénarios de ventilation mécanique simple flux en vue de trouver la meilleure configuration en termes d’efficacité et de qualité de l’air intérieur
This thesis deals with the numerical prediction of heat and mass transfer impact on the air quality and thermal comfort within either ventilated or not cavities filled with pollutants. Indeed, ventilated areas are first modeled to be as ventilated cavities in a first approximation.To carry out this study, we adopt a numerical model based on solving equations governing momentum, heat and mass transfer. The first part of this thesis is dedicated to some generalities on ventilation, air quality and thermal comfort and the bibliographic review of previous works. The adopted approach is described in Chapter 2. It is based on the Boussinesq approximation. The RNG k-ε model is used to handle turbulence. The finite-volume method (FVM) is used to discretize of the set of equations, and the pressure-velocity coupling is achieved via the SIMPLEC algorithm. In the second part, we consider the thermal convection and thermosolutal convection in closed cavities. The main aim is a) to validate the considered model by comparing our results with those of literature, and b) to investigate influence of the thermal Rayleigh number and the buoyancy ratio. Our findings indicate that the model accurately predicts heat and mass transfer.Then, we apply this approach to the case of two-dimensional ventilated cavities subjected to temperature and concentration gradients. The indices of air quality and ventilation efficiency are calculated and discussed. We end this work by analyzing the influence of ventilation on the quality of indoor air in a three-dimensional room in transient regime. This investigation covers different scenarios from the simple flow mechanical ventilation which aims to find the best configuration in terms of efficiency and quality of indoor air

Les recents developpements de la chimie du sol gel peuvent s'appliquer a la preparation de particules d'oxydes mineraux capables de generer une structure microporeuse apres frittage. A cette echelle, les interactions entre le materiau membranaire et les solutes deviennent tres importantes. Zro#2 et mgal#2o#4 ont ete choisis comme materiaux membranaires en raison de leur stabilite thermique. Apres optimisation des conditions de synthese au moyen de caracterisations statiques sur poudres, ces deux oxydes mineraux ont presente une structure entierement microporeuse avec des particules de taille nanometrique. De plus, ils ont developpe de grandes surfaces specifiques qui induisent des densites de charge elevees. Le developpement de la membrane zircone s'est poursuivi par une optimisation du processus d'elaboration et de depot de la couche microporeuse. Des retentions en solutes modeles dans la gamme de la nanofiltration ont ete obtenues avec des permeabilites elevees. La forte densite de charge de la zircone stabilisee assure la retention de 90% d'ions sulfates a ph basique. Le caractere amphotere du materiau membranaire a ete mis en evidence. Les caracterisations des interactions membrane-solute ont montre l'influence de l'adsorption specifique des ions sur la retention en electrolytes. Aux fortes pressions, une chute de la retention en electrolytes a ete observee et des modeles ont ete proposes pour tenter d'expliquer ce phenomene. Le modele de diagenese, utilise en geophysique des sols a permis de mettre en relation les flux developpes avec la structure granulaire du materiau. En particulier, il a ete demontre que la couche mesoporeuse intermediaire du support contribuait enormement a la resistance hydraulique totale de la membrane

L’extrapolation des réacteurs catalytiques nécessite l’acquisition des données cinétiques sur des réacteurs à petite échelle dans les conditions opératoires industrielles. Le critère de dimensionnement utilisé lors de la réduction d’échelle est la conservation de la vitesse volumique horaire, ce qui conduit à des vitesses de circulation très faibles dans les réacteurs pilotes à lit-fixe. A ces vitesses, les flux de transfert de matière externes peuvent devenir limitant par rapport au flux de réaction. Dans ce contexte, une nouvelle géométrie de réacteur a été imaginée pour intensifier les transferts de matière et chaleur et pour augmenter les vitesses de circulation des fluides : le réacteur "filaire". Il s’agit d’un réacteur dont le diamètre est égal ou proche de celui des grains de catalyseur et avec un ratio longueur sur diamètre très élevé. Le principal objectif de cette thèse est de caractériser ce réacteur en termes d’hydrodynamique et de transferts de matière externes pour définir ses limites d’utilisation. En écoulement diphasique, ce réacteur est relativement piston et la rétention liquide est élevée, ce qui permet d'assurer un mouillage total du catalyseur. En ce qui concerne les vitesses des transferts de matière externe, celles-ci sont proches de celles d'un réacteur agité avec panier et sont supérieures à celles caractéristiques d'un réacteur pilote à lit-fixe conventionnel. Cette observation est liée à l’augmentation des vitesses locales du liquide et à la présence d'un écoulement du type Taylor modifié. En conclusion, le réacteur "filaire" constitue une alternative efficace aux réacteurs pilotes à lit-fixe pour l’étude de catalyseurs mis en forme
Small size fixed-bed reactors are a common choice for testing industrial supported catalyst under industrial operating conditions. The most common criterion for reactor’s scale-down is based on the conservation of the liquid hourly space velocity which leads to a very low fluid flow velocity at the laboratory scale. Under these conditions, the external mass transfer flux can become the limiting step of the process. In this context, a new reactor geometry was proposed to intensify mass and heat transfers and to increase fluid flow velocities: the single pellet string reactor. This reactor is composed of a tube with an internal diameter close to that of the catalyst particles and with a high length over diameter ratio. The main goal of this thesis is to characterise the hydrodynamic and external mass transfer performances of this new reactor in order to define its application domain. In two-phase gas-liquid flow, the reactor flow is plug flow and the liquid hold-up values are high, which insures a complete wetting of the catalyst particles. The mass transfer coefficients were quantified and the measured rates are much higher than those observed in conventional pilot fixed-bed reactors, which can be explained by the increased local liquid velocities and by the modified Taylor flow regime. Catalytic tests with a very fast model reaction revealed that the external mass transfer performances of the single pellet string reactor are close to those measured in a stirred tank reactor equipped with a catalytic basket. In conclusion, the single pellet string reactor represents a new and efficient alternative to fixed-bed pilot reactors to study shaped catalysts