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.

LES MILIEUX POREUX SONT LE SIEGE DE TRANSFERTS MULTIPLES QUI PEUVENT ETRE THERMIQUES, HYDRIQUES OU SOLUTAUX. CES PHENOMENES SONT IMPORTANTS DANS L'ETUDE DE LA SURETE DES CENTRES DE STOCKAGES DE DECHETS RADIOACTIFS, AFIN DE PREDIRE L'EVENTUEL RELACHEMENT DES RADIONUCLEIDES HORS DES COLIS. DEVANT DE TELS ENJEUX, IL EST ESSENTIEL DE S'INTERESSER AUX PHENOMENES COUPLES HABITUELLEMENT NEGLIGES PAR RAPPORT AUX EFFETS DIRECTS TELS QUE LA LOI DE FOURIER, LA LOI DE DARCY OU LA LOI DE FICK. LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL CONSISTE A ETABLIR UN MODELE MATHEMATIQUE RIGOUREUX, A PARTIR DE LA THERMODYNAMIQUE DES PROCESSUS IRREVERSIBLES, DES TRANSFERTS SE PRODUISANT DANS UN MILIEU POREUX NON SATURE SUPPOSE INDEFORMABLE. A PARTIR DU SYSTEME DE QUATRE EQUATIONS COUPLEES AUX DERIVEES PARTIELLES OBTENU, UNE MODELISATION NUMERIQUE A ETE REALISEE ET IMPLANTEE DANS LE CODE CALCUL CESAR-LCPC DEVELOPPE AU LABORATOIRE CENTRAL DES PONTS ET CHAUSSEES. L'ACCENT A ETE PORTE SUR L'EQUATION DE TRANSFERT DU SOLUTE SOUS L'INFLUENCE DE LA DIFFUSION MOLECULAIRE, DE LA DISPERSION MECANIQUE ET DE L'EFFET SORET. EQUIVALENT A LA THERMODIFFUSION POUR LES GAZ, L'EFFET SORET TRADUIT L'INFLUENCE DU GRADIENT DE TEMPERATURE SUR LE TRANSPORT DES SOLUTES.

Dans cette thèse, on présente une étude des transferts couplés de masse et de chaleur dans le sol en dimension deux d'espace. Le modèle qui gouverne ces transferts est constitué par un système de deux équations à deux inconnues, H la pression de l'eau liquide et T la température du milieu poreux. La première équation de ce système est elliptique-parabolique et la seconde est parabolique de type convection-diffusion. On présente un résultat d'existence de solution du système avant de passer à l'étude numérique. Dans la partie numérique, on présente deux algorithmes pour la résolution de l'équation pour le transfert de masse et on procède à une comparaison entre ces algorithmes à travers différents cas tests. On s'intéresse dans la dernière partie à la résolution numérique du système des deux équations couplées de transferts de masse et de chaleur. On présente deux algorithmes; l'un utilise une méthode des éléments finis standard déduit de l'algorithme de l'équation de masse, en rajoutant un couplage entre les deux équations pour la pression et pour la température, tandis que l'autre utilise la méthode des éléments finis mixtes pour le calcul du flux de l'eau qui apparaît comme le coefficient essentiel dans le terme de convection de l'équation pour la température, et la méthode des caractéristiques modifiées pour le calcul de la température. Dans le cas où d'une part la perméabilité présente des variations brutales et d'autre part le terme de convection domine sur le terme de diffusion dans l'équation pour la température, cette dernière méthode est particulièrement bien adaptée à notre problème.

CE MEMOIRE EST ESSENTIELLEMENT CONSACRE A L'ETUDE DES PHENOMENES FONDAMENTAUX DES REACTIONS SOLIDE-GAZ RENVERSABLES. CES REACTIONS SONT A LA BASE DES TRANSFORMATEURS THERMOCHIMIQUES DANS LESQUELS CES REACTIFS SONT MIS EN OEUVRE DANS DES BLOCS CONSOLIDES POREUX DENOMMES IMPEX. POUR CET OBJECTIF, UN MODELE PHENOMENOLOGIQUE A ETE CONSTRUIT, CELUI-CI PEUT INCORPORER A LA FOIS LA CINETIQUE CHIMIQUE ET LES TRANSFERTS DE MASSE ET DE CHALEUR COUPLES AU NIVEAU DU GRAIN REACTIF ET AU NIVEAU DU MILIEU POREUX. CETTE THESE COMPORTE TROIS PARTIES PRINCIPALES : MODELISATION DE CES PHENOMENES COUPLES, SIMPLIFICATION DU MODELE ET IDENTIFICATION DE PARAMETRES PHYSIQUES INTERVENANT DANS CE COUPLAGE. DANS LA PREMIERE PARTIE, LE DEVELOPPEMENT DU MODELE GENERAL ET L'ETUDE DE LA SENSIBILITE PARAMETRIQUE SONT DISCUTES EN DETAIL, SURTOUT POUR DETERMINER LES INFLUENCES DES PARAMETRES CONCERNANT LE TRANSFERT DE MASSE. LA SECONDE PARTIE A POUR BUT DE COMPARER LE MODELE GENERAL AVEC UNE APPROCHE SIMPLIFIEE. LES DEUX FRONTS DIFFUS DU MODELE GENERAL SONT CONFRONTES AVEC LES DEUX FRONTS RAIDES D'UN MODELE SIMPLIFIE. FINALEMENT, DANS LA TROISIEME PARTIE, LA CONFRONTATION AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX A ETE EFFECTUEE ET PRESENTE DE BONS RESULTATS. CETTE CONFRONTATION A DE PLUS PERMIS DE RENDRE COMPTE DE L'EVOLUTION NON-LINEAIRE DE LA PERMEABILITE DES BLOCS D'IMPEX EN COURS DE REACTION ET DE METTRE EN EVIDENCE L'IMPORTANCE DE LA LIMITATION DUE AU TRANSFERT DE MASSE SUIVANT LES CARACTERISTIQUES DE MISE EN OEUVRE DE L'IMPEX.

CERTAINES POMPES A CHALEUR CHIMIQUES SONT BASEES SUR LA THERMICITE DE REACTIONS RENVERSABLES MISES EN UVRE DANS UN LIT POREUX. L'ETUDE NUMERIQUE DES TRANSFERTS DE MASSE ET DE CHALEUR DANS CE MILIEU POREUX REACTIF EST BATIE SUR UN MODELE A DEUX TEMPERATURES. AINSI, LES TRANSFERTS DE CHALEUR CONVECTIFS ET LES ECHANGES THERMIQUES ENTRE LA MATRICE SOLIDE ET LE FLUIDE SONT PRIS EN CONSIDERATION. CE MILIEU, FORME DE GRAPHITE INERTE (CHIMIQUEMENT VIS-A-VIS DU FLUIDE) ET D'UN HALOGENURE LIE A L'AMMONIAC OU A UN DERIVE DE CE GAZ, EST PLACE DANS DES CONDITIONS THERMODYNAMIQUES DE DESORPTION. LE SYSTEME D'EQUATIONS EST RESOLU PAR UNE METHODE DE VOLUMES FINIS. LES RESULTATS DE LA SIMULATION ONT ETE CONFRONTES A DES EXPERIENCES MENEES SUR LA DESORPTION: CACL#2, 4NH#3 (DONNE) 2NH#3 (PLUS) CACL#2, 2NH#3. AINSI, ONT PU ETRE IDENTIFIES QUELQUES PARAMETRES DONT LA CONDUCTIVITE THERMIQUE DU MILIEU (SOLIDE). CETTE CONFRONTATION A EGALEMENT MONTRE LES LIMITES DE LA CONNAISSANCE SUR LA CINETIQUE DE CETTE DESORPTION

Après une présentation des contextes industriels et scientifiques de l'étude, une première partie est consacrée à un modèle réaliste de transfert radiatif adapté aux supports de combustion de gaz constitué de canaux parallèles et à des configurations technologiques précises. Un modèle de milieu continu équivalent au support a été établi, justifié et caractérisé en précision. Dans une deuxième partie, le modèle de transfert radiatif précédent a été intégré dans un outil de simulation monodimensionnel applicable à un milieu poreux homogénéisé. Il a été couplé avec les autres types de transfert (combustion, réactions catalytiques, transferts thermiques, transferts de masse,etc,). Une attention particulière a été apportée à l'étude des transferts thermiques et des transferts d'espèces par réaction catalytique à l'interface entre le fluide et le solide. Les résultats obtenus avec une combustion, soit volumique soit catalytique, ont été comparés avec des données expérimentales. Un accord qualitatif a été observé. La troisième partie de ce travail s'inscrit dans une démarche globale de caractérisation des propriétés radiatives de milieux poreux de type mousse. Le travail principal a porté sur la détermination des propriérés radiatives d'un milieu poreux par une méthode de type Monte Carlo à partir de sa morphologie numérisée. Cette méthode permet d'accéder aux coefficients d'absorption et de diffusion d'un milieu semi-transparent équivalent, dans les limites de validité de l'approche homogénéisée, typiquement pour une porosité supérieure à 0,65. L'intérêt majeur de cette méthode est de caractériser précisément la fonction de phase du milieu, à partir d'un calcul direct, sans en imposer la structure, dès lors que l'identification conduisant au coefficient de diffusion est validée. Un autre intérêt de cette méthode est de recourir à des approches directes exclusivement. Celles-ci sont alors susceptibles de remplacer ou de compléter les approches fondées sur des méthodes inverses, moins précises, habituellement utilisées pour les caractérisations des milieux poreux.

LE BUT DE CE TRAVAIL EST DE CONTRIBUER A LA MISE EN PLACE D'UNE BIBLIOTHEQUE DE MODELES POUR LA SIMULATION DES TRANSFERTS THERMIQUES DANS L'HABITAT (PROJET ALMETH). IL EST PLUS SPECIALEMENT AXE SUR L'ETUDE DES TRANSFERTS DE CHALEUR ET DE MASSE DANS LE SOL POUR LE CALCUL DES TRANSFERTS DE CHALEUR ENTRE LE BATIMENT ET LE SOL AVOISINANT. IL COMPREND UNE ETUDE ANALYTIQUE DE L'EQUATION D'INFILATRATION DANS UN MILIEU POREUX ET UNE ETUDE NUMERIQUE DU SYSTEME DES DEUX EQUATIONS PARABOLIQUES COUPLEES DE TRANSFERT DE CHALEUR ET DE MASSE DANS LE SOL. DANS LE CADRE DE CETTE ETUDE NUMERIQUE NOUS AVONS UTILISE UNE TECHNIQUE ORIGINALE DE RACCORDEMENT DE SOUS-DOMAINES, QUE NOUS AVONS ETENDUE POUR LES SOUS-DOMAINES A DYNAMIQUES DIFFERENTES EN UTILISANT DES PAS DE TEMPS ADAPTES A CHACUN DES SOUS-DOMAINES