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« Contributions à la modélisation hydrodynamique et géochimique des fluides : des approches numériques aux applications » par Claude Mügler

Présentée par : Claude Mügler Discipline : Mécanique, Génie Mécanique, Génie Civil Laboratoire : LSCE

Résumé :
Les équations de la Mécanique des Fluides sont des équations fortement non linéaires pour lesquelles, en général, on ne dispose pas de solutions analytiques. Elles doivent donc être résolues numériquement en utilisant des méthodes adaptées. Le fil conducteur de mes travaux de recherche est l'utilisation de la modélisation et de la simulation numérique pour la compréhension de phénomènes complexes. Au cours de mon parcours professionnel, j'ai été amenée à étudier une très grande diversité de phénomènes, couvrant différentes échelles d'espace et différentes échelles de temps. A chaque fois, il a fallu développer des outils de modélisation et de simulation numérique avec le souci permanent de les appliquer soit à la compréhension d'expériences de laboratoire ou d'expériences de terrain, soit comme des outils purement prédictifs là où l'expérience n'est pas envisageable.
Au cours de cette présentation, j’illustrerai mes apports et perspectives dans les deux domaines suivants: (i) la modélisation des instabilités hydrodynamiques et (ii) la modélisation des écoulements de surface et souterrains. Dans chacun de ces domaines, je montrerai en priorité des travaux mettant en avant l'importance d'une bonne synergie entre approche expérimentale et modélisation.
Dans le domaine des instabilités hydrodynamiques, je rappellerai dans un premier temps des résultats anciens concernant l’étude de la phase déterministe de développement de l'instabilité de Richtmyer-Meshkov. Cette instabilité hydrodynamique particulière apparaît lorsqu'une interface séparant deux fluides de densités différentes est soumise à une accélération « impulsionnelle » créée, par exemple, par le passage d'une onde de choc.
Dans un second temps, j’évoquerai mes travaux actuels et futurs sur l'étude des instabilités convectives en milieu poreux, en m'intéressant plus particulièrement à ces instabilités comme sources de la convection hydrothermale au niveau des dorsales médio-océaniques. Ces sites hydrothermaux sont également le siège d'intenses réactions géochimiques entre fluides et milieux poreux, conduisant au relâchement de fluides à hautes températures et de compositions géochimiques très particulières. La modélisation du transport réactif en milieu poreux devrait permettre de mieux comprendre ces phénomènes fortement couplés.
Dans le domaine des écoulements de surface et souterrains, je présenterai d’abord un travail récent de modélisation de l'écoulement de surface et du transport d'un traceur non réactif sur une parcelle instrumentée par l'Institut de Recherche pour le Développement (IRD). Je montrerai comment les résultats expérimentaux à haute résolution spatiale et temporelle ont permis de tester différentes lois de ruissellement et d'établir et valider un nouveau modèle de frottement.
Pour finir, j'exposerai les perspectives que j’envisage dans ce domaine et qui concernent le développement de modèles intégrés 3D pour la modélisation du cycle hydrologique de bassins versants.

Abstract :
Equations of Fluid Mechanics are nonlinear equations with generally no analytical solutions. Specific numerical methods are needed to solve these equations. The guideline of my research work is the use of modeling and numerical simulation to better understand complex phenomena. All along my career, I studied a wide range of phenomena, at various spatial and temporal scales. Each time, I developed numerical tools with the constant concern for using them either to simulate experiments performed in laboratory or in situ, or as predictive tools when experiments were not possible.
During this presentation, I will illustrate my contributions and their perspectives in the two following fields: (i) modeling of hydrodynamic instabilities and (ii) modeling of surface and subsurface flows. In each field, I will focus on results which demonstrate the importance of interactions between experimental and numerical approaches.
In the field of hydrodynamic instabilities, firstly I will show some results about the deterministic phase of the development of the Richtmyer-Meshkov instability. This hydrodynamic instability appears when two different fluids are impulsively accelerated into each other by a shock wave. Secondly, I will discuss recent and future works about convective instabilities in porous media. I will show that such instabilities induce hydrothermal circulations at mid-ocean ridges. Such hydrothermal sites are also the location of intensive geochemical reactions between fluids and porous media. They are characterized by high-temperature geochemical fluids. Reactive transport modeling is expected to be a useful tool to better understand these hardly-coupled phenomena.
In the field of surface and subsurface flows, I will show recent results about the modeling of runoff and tracer transport experiments at the plot scale. I will show how high-resolution experiments allowed us to test various runoff laws and to validate a new roughness model.
Finally, I will present some perspectives about 3D numerical tools for modeling the hydrological cycle in a watershed.
Informations complémentaires
Patrick GOBLET, Directeur de Recherche à l’Ecole des Mines de Paris / Centre de Géosciences - Fontainebleau - Rapporteur
Philippe GOUZE, Chargé de Recherche CNRS à l’Université de Montpellier 2 / Centre de Géosciences - Montpellier - Rapporteur
Roger MOUSSA, Directeur de Recherche à l’INRA / Laboratoire d’étude des Interactions Sol-Agrosystème-Hydrosystème (LISAH) - Montpellier - Rapporteur
Laurent DUMAS, Professeur des Universités à l’Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines / Laboratoire de Mathématiques de Versailles (LMV) - Versailles - Examinateur
Serge GAUTHIER, Chargé de Recherche au CEA - Arpajon - Examinateur
Claudio PANICONI, Professeur à l’Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) - Québec (Canada) - Examinateur
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