Dissertations / Theses on the topic 'Fracturation hydraulique – Simulation par ordinateur'

La maîtrise de la fracturation artificielle des roches est un enjeu économique essentiel pour le secteur des roches ornementales, les travaux publics et l'industrie pétrolière. Pour améliorer cette maîtrise, une étude des mécanismes de fracturation des roches par les techniques courantes de minage et de fracturation hydraulique est nécessaire. Ces techniques consistant à mettre en pression un fluide dans un forage éventuellement préfissuré, une analyse expérimentale ct théorique des mécanismes gouvernant l'initiation ct la propagation de fractures radiales autour d'un forage par injection contrôlée d'un fluide sous pression a donc été réalisée. Cette analyse procède par une revue bibliographique, par la mise au point et la réalisation d'essais de fracturation hydraulique contrôlée en laboratoire et par une étude théorique de l'influence d'un défaut de symétrie puis de l'anisotropie sur l'orientation des fractures. Malgré les symétries géométriques et de chargement des blocs, seul un faible débit d'injection a permis d'initier ct de propager une fracturation symétrique par rapport au forage. Un débit plus élevé a favorisé le développement uniforme d'une fracture selon l'axe du forage. Les fractures sont droites sur les faces des blocs, mais dévient légèrement du plan de symétrie censé les contenir. A débit fixé, les fractures se propagent à pression constante ou croissante. Le contrôle du débit d'injection a permis de maîtriser leur vitesse de propagation. La pression critique a été mesurée, ainsi que l'ouverture maximale de fracture à l'intérieur et en surface des blocs. L'étude théorique montre que ni un défaut de symétrie, ni la faible anisotropie mesurée n'expliquent, seuls, les légères déviations de fractures observées. Cependant, les résultats des calculs orthotropes ont une sensibilité aux variations des paramètres mécaniques de l'ordre des déviations observées. L'écart entre ces résultats et les déviations observées ne serait donc pas significatif
Rock fracture controlled growth is fundamental for several industries, among which dimension stone, civil engineering and oil industries. Unfortunately, controlled fracture growth is not fully achieved yet and still requires some investigation. Controlled fracture growth is related to fracturing techniques; mainly mining and hydraulic fracturing that can be considered as techniques of crack initiation and propagation from a borehole using fluid pressure loading. Consequently, a theoretical and experimental analysis of the mechanisms of crack initiation and propagation from a fluid pressurized borehole has been achieved. The analysis involved a review of previous work, conception and completion of a laboratory hydraulic fracturing testing program on granite blocks with specific instrumentation and a theoretical study of crack curvature involving anisotropy. The main experimental results are that cracks initiation and propagation around a borehole tend to be more symmetric with low injection rate, but also less simultaneous along the borehole's length. Cracks orientation seems to slightly deviate from expected plane of symmetry. With constant injection rate, cracks propagation occurs at constant or slightly increasing pressure. Crack speed control can be achieved using fine injection rate control. For a 12 mm borehole diameter with 4 mm grooves, the critical pressure lies between 7, 3 and 9,9 MPa. Maximum crack opening displacement measured during each test in several points, including points located inside the block, is in the order of a few tens of micrometers. From a theoretical standpoint, fracture curvature calculus doesn't exactly lead to the observed deviations, which are indeed very small. Nevertheless, anisotropic calculi show some sensibility to the variations of orthotropic model parameters, in the order of the observed deviations. Therefore the difference between anisotropic calculi results and observed deviations may not be significant

Dans ce travail, un nouveau modèle de liaison avec critère de rupture de cisaillement non linéaire est d'abord proposé et mis en œuvre dans PFC pour décrire le comportement mécanique de matériaux granulaires cohésifs isotropes tels que le grès. Un grand nombre de tests de compression ont été effectués sur des échantillons 3D. Les résultats montrent que l'effet de la pression de confinement sur la résistance à la compression et le modèle de rupture est bien décrit par ce modèle de liaison. Les effets du chemin de chargement et de la contrainte principale intermédiaire sur la déformation et la rupture ont également été étudiés. Après avoir étendu les paramètres d'élasticité et de résistance, deux modèles de liaison sont couplés pour caractériser l'anisotropie de la résistance et de la déformation dans les matériaux cohésifs anisotropes tels que les roches sédimentaires. Une série de test de compression avec différents chemin de chargement ont été effectués et les résultats numériques sont en bon accord avec les données expérimentales, en particulier pour les propriétés de réponse élastique et de résistance. La transformation du mode de défaillance entre la couche de faiblesse et la matrice de roche sous différentes pressions de confinement a été bien décrite. De plus, le modèle de liaison proposé a été étendu pour étudier le processus de fracturation hydraulique dans les matériaux cohésifs. Un processus de propagation de fracture hydraulique représentatif a été présenté. Enfin, nous avons développé une méthode de reconstruction dimensionnelle de l'irrégularité de la forme des blocs et étudié ses effets sur les impacts des blocs en utilisant une approche basée sur l'énergie
In this work, a new bond model with nonlinear shear failure criterion is first proposed and implemented in PFC for describing mechanical behavior of isotropic cohesive granular materials such as sandstone. A large number of compression tests have been performed on 3D samples. The results show that the effect of confining pressure on compressive strength and failure pattern is well described by the proposed bond model. Effects of loading path and the intermediate principal stress on deformation and failure have been also investigated. After further extending parameters on elastic and strength, two bond models: the proposed bond model and the improved smooth joint model, are coupled to character the anisotropy of strength and deformation in anisotropic cohesive materials such as sedimentary rocks. A series of conventional triaxial compression tests with different loading paths have been performed and numerical results are in good agreement with experimental data, especially for elastic response and strength properties. The failure mode transformation between weakness layer and rock matrix under different confining pressures has been well described. Furthermore, the proposed bond model has been extended to study hydraulic fracturing process in cohesive materials. A representative hydraulic fracture propagation process has been presented. Influences of different factors, such as confining pressure, fluid viscosity and fluid injection rate, on hydraulic fracture extension have been investigated. Finally, we have developed a dimensional reconstruction method of block shape irregularity and studied its effects on block impacts using an energy based approach

L'objectif de ce travail est d'évaluer les impacts environnementaux liés aux opérations de fracturation hydraulique à travers l'étude des mécanismes d'adsorption des produits chimiques utilisés dans les fluides de fracturation et prédire le devenir de ces additifs injectés dans la roche mère. A travers les résultats obtenus, Il s'avère que la bentonite a un pouvoir très adsorbant du xanthane par rapport aux autres minéraux contenus dans la roche mère. Les trois matrices modèles à savoir la bentonite, la calcite et la kaolinite ont le même pouvoir adsorbant du sp breaker. Il apparaît, aussi, que le xanthane est un produit biodégradable car c'est un biopolymère de fermentation utilisant le xanthomonas campestris, à l'inverse du sp breaker qui est un produit non biodégradable, nécessitant d'autres méthodes de traitement. Ces deux résultats nous ont permis de conclure que la bentonite peut être utilisée comme un adsorbant pour le traitement des eaux de retour afin l'éliminer des deux produits cités précédemment (xanthane et sp breaker) dont les quantités ne sont pas négligeables dans ces eaux (flow back) et qui posent un problème environnemental assez important. Les résultats obtenus à travers l'étude rhéologique ont montré que l'agent gélifiant (xanthane) à tendance à s'épaissir (forte viscosité) quand il est soumis à de faibles contraintes de cisaillement et à se fluidifier (faible viscosité) quand il est soumis à de fortes contraintes de cisaillement. De plus, cet additif présente une viscosité qui augmente avec le temps. Ainsi, les échantillons conservés pendant 24 heures nécessitent plus d'énergie pour être injectés dans le gisement. Le mélange eau-gélifiant se comporte comme un fluide rhéofluidifiant avec l'existence d'une contrainte critique d'écoulement. Cet écoulement n'est observé que lorsque la contrainte de cisaillement appliquée est supérieure à cette valeur critique. Par ailleurs, les essais analytiques, numériques et expérimentaux de fracturation hydraulique réalisés au laboratoire sur un certain nombre d'échantillons cylindriques de PMMA synthétisés nous ont permis de conclure que le débit et la taille des fissures initiales ont plus d'impact que la viscosité sur la pression de rupture. Un accord raisonnable a été obtenu entre les résultats des modèles analytiques et numériques comparés aux données expérimentales (réelles). Comparés aux résultats de l'étude analytique, les résultats de l'étude de simulation numérique sont les plus proches des résultats expérimentaux (réels). Cette bonne corrélation entre les résultats expérimentaux et numériques s'explique par le fait que l'étude analytique ne prend en compte que la profondeur de la fissure, à l'inverse de la simulation numérique, qui prend en considération la forme de la fissure semi-elliptique (demi-longueur et profondeur). Mots clés : schiste, fluide de fracturation roche mère, PMMA
The objective of this work is to evaluate the environmental impacts related to hydraulic fracturing operations by studying the adsorption mechanisms of chemicals additives used in fracturing fluids and to predict the evolution of these additives injected in large quantities into the shale. Based on the results obtained, it appears that bentonite has a high adsorption capacity of xanthan additive compared to other minerals contained in the shale. The three-model matrices bentonite, calcite and kaolinite have the same adsorption capacity of sp breaker additive. It also appears that xanthan is a biodegradable product, unlike sp breaker, which is a non-biodegradable product, requiring other treatment methods other than the biological method. These two results allowed us to conclude that Bentonite can be used as an adsorbent for the treatment of return water for the elimination of the two products (xanthan and sp breaker), both of which are present in significant quantities in the return water (flow back) and present a fairly significant environmental problem. The results obtained by the rheology studies showed that the gelling agent (xanthan) has a high viscosity when applied under low shear stress and a low viscosity when applied under high shear stress. This shear stress tends to increase for the samples conserved for 24 hours and needs more energy to be injected into the shale. The water-gelling agent mixture behaves like a rheofluidifying fluid with a critical flow stress and flow is only observed when the applied shear stress is above this critical value. In addition, analytical, numerical and experimental hydraulic fracturing tests carried out in the laboratory on a number of cylindrical samples of synthesized PMMA showed that the flow rate and the initial crack size has more impact than viscosity on breakdown pressure. A good agreement was obtained between the results of the analytical and numerical models compared to the experimental results. The results of the numerical simulation study are nearly the same as the experimental (real) results compared to the analytical study, because the analytical study only takes into account the depth of the crack, but the numerical simulation, which considers the shape of the semi-elliptical crack (half-length and depth). Key Words: shale, fracturing fluid, source rock, PMMA

La perméabilité des roches est fortement influencée par la présence de fractures car ces dernières constituent un chemin préférentiel pour l’écoulement des fluides. Ainsi la présence de fractures naturelles est un facteur déterminant pour la productivité d’un réservoir. Dans le cas de roches à faible conductivité, des techniques de stimulation telle que la fracturation hydraulique sont utilisées pour en augmenter la perméabilité et rendre le réservoir exploitable d’un point de vue économique. A l’inverse, dans le cas du stockage géologique, la présence de fractures dans la roche représente un danger dans la mesure où elle facilite le transport et la migration des espèces disséminées dans la roche. Pour le stockage de CO2, les fuites par les fractures présentes dans les couvertures du réservoir et la réactivation des failles constituent un risque majeur. Et en ce qui concerne le stockage géologique de déchets radioactifs, la circulation de fluide dans des réseaux de fractures nouvelles ou réactivées au voisinage de la zone de stockage peut aboutir à la migration de matériaux nocifs. Il est donc important de prévoir les effets de la présence de fractures dans un réservoir. Le but de cette thèse est le développement d’un outil numérique pour la simulation d’un réseau de fractures et de son évolution sous sollicitation hydro-mécanique. Grâce à sa commodité, la méthode des éléments finis étendue (XFEM) sera retenue et associée à un modèle de zone cohésive. La méthode XFEM permet en effet l’introduction de fissures dans le modèle sans nécessairement remailler en cas de propagation des fissures. L’écoulement du fluide dans la fissure et les échanges de fluide entre la fissure et le milieu poreux seront pris en compte via un couplage hydro-mécanique. Le modèle est validé avec une solution analytique asymptotique pour la propagation d’une fracture hydraulique plane dans un milieu poroélastique en 2D comme en 3D. Puis, nous étudions la propagation de fractures hydrauliques sur trajets inconnus. Les fissures sont initialement introduites comme des surfaces de fissuration potentielles étendues. Le modèle de zone cohésive sépare naturellement les domaines adhérents et ouverts. Les surfaces potentielles de fissuration sont alors actualisées de manière implicite par un post-traitement de l’état cohésif. Divers exemples de réorientation de fissures hydrauliques et de compétition entre fissures voisines sont analysés. Enfin, nous présentons l’extension du modèle aux jonctions de fractures hydrauliques
The permeability of rocks is widely affected by the presence of fractures as it establishes prevailing paths for the fluid flow. Natural cracks are then a critical factor for a reservoir productiveness. For low permeability rocks, stimulation techniques such as hydrofracturing have been experienced to enhance the permeability, so that the reservoir becomes profitable. In the opposite, when it comes to geological storage, the presence of cracks constitutes a major issue since it encourages the leak and migration of the material spread in the rock. In the case of CO2 storage, the scenario of leakage across the reservoir seal through cracks or revived faults is a matter of great concern. And as for nuclear waste storage, the fluid circulation in a fracture network around the storage cavity can obviously lead to the migration of toxic materials. It is then crucial to predict the effects of the presence of cracks in a reservoir. The main purpose of this work is the design of a numerical tool to simulate a crack network and its evolution under hydromechanical loading. To achieve this goal we chose the eXtended Finite Element Method (XFEM) for its convenience, and a cohesive zone model to handle the crack tip area. The XFEM is a meshfree method that allows us to introduce cracks in the model without necessarily remeshing in case of crack propagation. The fluid flow in the crack as well as the exchanges between the porous rock and the crack are accounted for through an hydro-mechanical coupling. The model is validated with an analytical asymptotic solution for the propagation of a plane hydraulic fracture in a poroelastic media, in 2D as well as in 3D. Then we study the propagation of hydraulic fractures on non predefined paths. The cracks are initially introduced as large potential crack surfaces so that the cohesive law will naturally separate adherent and debonding zones. The potential crack surfaces are then updated based on a directional criterion appealing to cohesive integrals only. Several examples of crack reorientation and competition between nearby cracks are presented. Finally, we extend our model to account for the presence of fracture junctions

Le cadre général de la thèse concerne la valorisation sous forme de production d'énergie électrique de la chaleur présente à quelques kilomètres de profondeur (3 à 5 km), en général dans des milieux peu perméables et fracturés. Notre objectif principal est d'étudier le phénomène des microséismes induits relativement au refroidissement, en nous basant sur une expérience de terrain de longue durée, menée sur le site de Rosemanowes (Cornwall, UK). Pour cela nous avons procédé à la mise en place d'un outil de calcul, FRACAS, capable de simuler ce phénomène en introduisant une approche à double milieu thermique pour mieux simuler le refroidissement du réservoir dû à l'injection de fluide à long terme, responsable des nouveaux mécanismes de ruptures dus à la traction de la roche. Dans ce contexte nous avons introduit un nouvel algorithme pour prendre en compte les manifestations d'instabilités, un mécanisme de « stick-slip » avec prise en compte d'une friction statique et d'une friction dynamique. La possibilité d'induire des microséismes est ensuite étudiée à partir des données issues d'un site particulier, avec deux modèles 3D proposant des approches géométriques différentes, un modèle déterministe et un modèle stochastique, dont les propriétés géométriques et physiques ont été tirées des observations et travaux antérieurs effectués sur ce site de Rosemanowes. La simulation thermo-hydro-mécanique (THM) du modèle déterministe nous a permis de modéliser les échanges thermiques en régime transitoire dans le réservoir formé par le système de forages RH12/RH15 et d'estimer un ordre de grandeur des tractions d'origine thermique. Pour mieux étudier l'effet induit par la contraction des blocs de roche dans le temps nous utilisons le modèle 3D stochastique dont l'objectif principal est de simuler de façon plus réaliste la progression dans l'espace les ruptures en cisaillement. Avec ce modèle nous avons constaté l'apparition différée d'une activité et l'effet d'un cycle de pulses de pression, ce qui suggère un moyen d'atténuer les fortes magnitudes potentielles des ruptures en cisaillement dues au refroidissement
The general framework of our research deals with the development of geothermal energy for electricity production using the heat stored in geological formations at depths ranging in 3 to 5 km, Generally the environment is poorly permeable and fractured. Our main objective is to study the phenomenon of induced micro-earthquakes in relation to the cooling of the rock. The work is based on field experiences including long duration tests, conducted on the Rosemanowes site (Cornwall, UK). For this, we proceeded to the development of a calculation tool, FRACAS, able to simulate this phenomenon by introducing a dual thermal approach to better simulate the cooling of the reservoir due to long term fluid injections, which might be responsible for new failure mechanisms due to the induced tractions. In this context, we introduced a new algorithm to describe shear in stabilities, a mechanism of "stick-slip" type with the consideration of static/dynamic friction coefficients. The possibility of inducing micro-seismicity is then studied using the in situ data base, with two 3D models offering different geometric approaches, a deterministic model and a stochastic model whose geometrical and physical properties were obtained from observations and previous work on this Rosemanowes site. The Thermo-Hydro-Mechanical (THM) simulation using the deterministic model has allowed us to calibrate the transient heat transfer in the reservoir formed by the drilling system RH12/RH15 and to give an estimate of tensile stress of thermal origin. To better study the effect induced by the contraction of the rock during time, we use the stochastic 3D model whose main objective is to simulate a more realistic spatial migration of shear ruptures. With this model we found a delayed onset of shear activity and discuss the effect of pressure step tests. The results suggest a way to mitigate the potential impact of shear ruptures due to cooling

Cette thèse vise à développer un modèle numérique de type lattice permettant de simuler la propagation de fissures sous l’effet d’une injection de fluide dans un milieu hétérogène quasi-fragile. Si la finalité de l'étude concerne l'étude de matrices rocheuses naturelles, dans les différentes parties du manuscrit détaillée ci-après et dans un souci de validation, le modèle a été régulièrement confronté à des résultats expérimentaux obtenus sur des matériaux cimentaires similaires à des roches naturelles en termes de comportements mécaniques et de transport mais présentant des hétérogénéités mieux contrôlées. La première partie du document est dédiée à l'étude du processus de fissuration caractéristique des matériaux quasi-fragiles présentant une zone d'élaboration. Un outil d'analyse statistique basé sur les fonctions de Ripley et permettant d'extraire une longueur caractéristique à partir d'un nuage de points -- lieux d'un endommagement mécanique -- et présenté. Il est ensuite utilisé dans le cadre d'essais numériques et expérimentaux de rupture par flexion 3 points sur des éprouvettes de bétons. Les résultats montrent que le modèle numérique de type lattice est capable de rendre compte à la fois du processus global de fissuration mais également du processus local de fissuration. Par ailleurs, cet outil permet également de montrer l'influence du mode de sollicitation sur le développement de l'endommagement au sein d'une structure. La deuxième partie du document présente une loi de comportement élasto-plastique endommageable représentative du comportement de joints. L'originalité du modèle réside dans le couplage entre l'endommagement sous sollicitation normale et la plasticité sous sollicitation tangentielle. Cette nouvelle loi permet de reproduire correctement des résultats d'essais de cisaillement indirects effectués sur des joints de plâtre séparant des épontes en mortier alors qu'un modèle de Mohr-Coulomb classique ne le permet pas. La troisième partie est dédiée à l'introduction d'un couplage hydromécanique complet dans le modèle lattice utilisé précédemment. Le couplage hydromécanique est introduit au travers du comportement poromécanique du milieu basé sur une description mécanique-hydraulique duale et intrinsèque du modèle lattice. La contrainte totale fait le lien entre la contrainte mécanique du lattice mécanique et la pression de pore du lattice hydraulique au travers du coefficient du Biot du milieu alors que la perméabilité locale pilotant le gradient de pression hydraulique est indexée sur les ouvertures locales de fissures estimées au travers du lattice mécanique. Les résultats obtenus par ce modèle hydro-mécanique dual ont été confrontés à des solutions analytiques données dans la littérature pour des fissures de type "bi-wings", et il est montré que les deux approches sont cohérentes pour une fissure parfaitement rectiligne. Après les différentes étapes de validation du modèle présentées dans les parties précédentes, la quatrième et dernière partie est dédiée à la simulation numérique du couplage hydromécanique sous-jacent à la propagation libre d'une fissure propageant sous l'effet d'une injection de fluide et de son interaction avec un joint rocheux naturel. Les trajets de fissuration, non maillés a priori, et les profils de pression au sein de la matrice poreuse sont obtenus et comparés en fonction de l'inclinaison du joint rocheux. Par ailleurs, le traitement statistique concernant les lieux d'endommagement développé en première partie est repris ici afin de caractériser l'évolution des longueurs de corrélation entre point s'endommageant au cours de la propagation de la fissure et de son interaction avec le joint. Il est montré que le modèle hydromécanique lattice permet de représenter différent mécanismes de ré-initiation de fissure à partir d'un joint suivant son inclinaison
This research study aims at developing a lattice-type numerical model allowing the simulation of crack propagation under fluid injection in a quasi-brittle heterogeneous medium. This numerical tool will be used to get a better understanding of initiation and propagation conditions of cracks in rock materials presenting natural joints where the coupling between mechanical damage and fluid transfer properties are at stake. If the final goal of the study does concern natural rocks, the model has been validated by different comparisons with experimental results obtained on cementitious materials mimicking natural rocks in term of mechanical and transport behaviours but presenting heterogeneities which are better controlled. The first part of the manuscript presents a general state of the art. The second part of the manuscript is dedicated to the study of crack propagation in quasi-brittle materials where a significant fracture process zone is evolving upon failure. Only the solid phase is studied here and a statistical tool based on Ripley’s functions is adapted in order to extract a characteristic length representative of the correlations appearing between a set of point undergoing mechanical damage. This tool is then used in the context of numerical and experimental fracture tests on 3 point bending concrete beams. The results show that the lattice-type numerical model is able to capture the global fracture process – in term of force vs. crack opening mouth displacement – but also the local fracture process – in term of dissipated energy and correlation length evolution between damage points. Moreover, this statistical tool shows how the solicitation mode may influence the development of damage within a structure. The third part presents a new elasto-plastic damage constitutive law for joint modelling. The originality of the model lies in the coupling between mechanical damage under normal strain and plasticity under tangential strain. This new constitutive law is able to reproduce indirect shear experimental tests performed on mortar specimens presenting a plaster joint where a classical Mohr-Coulomb criterion fails. The fourth part is dedicated to the representation of the full hydro-mechanical coupling within the lattice-type numerical model. The hydro-mechanical coupling is introduced through a poromechanical framework based on the intrinsic and dual hydro-mechanical description of the lattice model, which is based on a "hydraulic" Voronoï tessellation and a "mechanical" Delaunay triangulation. The total stress links the mechanical stress and the pore pressure through the Biot coefficient of the medium whereas the local permeability, which drives the hydraulic pressure gradient, depends on the local crack openings. The numerical results are compared with analytical solutions from the literature for "bi-wings" shape cracks and it is shown that both approaches present similar results for a perfect straight crack. Once the lattice-model has been successfully validated within the former parts of the manuscript, its fifth and last part is dedicated to the numerical simulation of the fully hydro-mechanical coupling problem of a free crack propagation due to fluid injection and its interaction with a natural joint in an heterogeneous rock medium. Different crack paths, which are not pre-meshed a priori, and different pressure profiles are obtained and compared for different joint inclinations. Finally, our statistical tool, which has been primarily developed for the analysis of the failure behaviour of the solid phase, is used to characterise the evolution of correlation lengths between points undergoing damage upon the crack propagation and its interaction with a natural joint. It is shown that the hydro-mechanical lattice model is able to represent different mechanism of crack stop and restart from a joint depending on its inclination

Les tranchées de rétention / infiltration sont utilisées pour limiter les débits de ruissellement des eaux pluviales urbaines. Bien que techniquement et économiquement performants ces ouvrages sont sous-utilisés. Cette thèse vise à lever certains des obstacles à leur utilisation. L’étude du fonctionnement des tranchées expérimentales de rétention – allure des lignes d’eau et des hydrogrammes produits - a permis d’améliorer les connaissances sur le comportement hydraulique d’une tranchée munie de drains. Elle a en particulier montré que les tranchées remplies avec du matériau granulaire de forte porosité, galet 20-80, se comportaient sur le plan hydraulique plus comme des conduites de forte rugosité que comme des sols. Un autre résultat important est que les échanges d’eau entre les drains et le corps de la tranchée ne semblent pas limités par les fentes de diffusion. Ces connaissances nouvelles ont servi de base à la construction d’un modèle de simulation hydraulique des tranchées de rétention. Une procédure originale a ensuite été mise en place pour accélérer le vieillissement d’une tranchée d’infiltration. Cette procédure a permis d’observer la diminution des capacités d’infiltration de l’ouvrage pour une durée de fonctionnement équivalente à 6 ans. L’objectif de cette partie de la recherche était d’améliorer les connaissances sur le vieillissement et le colmatage des tranchées. Cette étude a permis de montrer que le modèle de Bouwer représente bien le fonctionnement de la tranchée à différents stades de colmatage. Ces résultats ont permis de coupler le modèle de Bouwer avec le modèle de stock
The detention/infiltration trenches are used to limit the flows of urban stormwater. Although they are technically and economically efficient these hydraulic works remain underused. This PhD thesis aims at overcoming some of the obstacles to their use. The study of the way experimental detention trenches work (based on the aspect of water profiles and outflow hydrographs) has allowed to improve knowledge on the hydraulic behaviour of a trench supplied by french drains. It specifically showed that the trenches filled with granular material of strong porosity (gravel 20-80) behave the hydraulic level rather as a pipe with strong roughness than as a soil. Another important result is that water exchanges between the drains and the trench body do not seem to be limited by the diffusion slits. This new knowledge has been used as a basis to build a hydraulic model to simulate the detention trenches behaviour. An original method was then defined to accelerate the ageing of an infiltration trench. This method has made it possible to observe the reduction of the structure’s infiltration capacities for an equivalent operating time of 6 years. The objective of this part of the research was to improve knowledge on trenches ageing and clogging. These results made it possible to couple Bouwer’s model with the storage model

Ce projet de maîtrise a pour but d'améliorer l'uniformité de l'écoulement en entrée de turbine dans le banc d'essai du Laboratoire de Machines Hydrauliques (LAMH) de l'Université Laval. Pour cela, une approche numérique a été utilisée. Diverses simulations numériques de ce banc d'essai ont été réalisées sur le logiciel de simulation numérique ANSYS CFX, afin de permettre la comparaison de différentes solutions techniques. Une simulation utilisant l'approche URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) avec un modèle de turbulence k-e a d'abord été réalisée pour analyser le comportement de l'écoulement dans le banc d'essai initial du laboratoire. La validation de ce modèle est basée sur un travail antérieur donnant le comportement expérimental de l'écoulement en certains endroits dans le banc d'essai, en amont d'une turbine bulbe. Cette simulation a montré qu'une modification majeure de l'amenée aurait un effet bénéfique sur l'écoulement. Les autres simulations, utilisant une approche RANS (Reynolds Average Navier-Stokes), ont servi à comparer différentes solutions technologiques envisageables selon la littérature pour une application dans le banc d'essai, et qui seraient, à priori, bénéfiques pour la stabilité de l'écoulement. L'analyse de diverses caractéristiques de cet écoulement a permis de mettre en avant deux solutions aux résultats prometteurs dans ces conditions d'expérimentation, à savoir l'installation d'un coude avec deux aubes directrices avant la section d'essai, et l'installation d'une plaque stabilisatrice d'écoulement dans un tuyau droit en amont de la turbine. Cette dernière solution est celle qui aura été retenue par le LAMH pour son nouveau projet de recherche : Tr-Francis.
The objetive of this project is to improve the uniformity of the inlet flow of a turbine within the test bench of the Laboratory of Hydraulic Machines, LAMH, of Université Laval. For this purpose, a numerical approach has been employed. Several numerical simulations have been carried out on the software "ANSYS CFX" and compared with one another, after validation of the simulation conditions and assumptions. A simulation using the URANS (Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes) approach with a turbulence model k-e was first used to analyze the flow behavior in the original test bench installed in the laboratory. The validation of the model is based on a previous project giving the experimental flow behavior at certain locations in the test bench upstream a bulb turbine. The simulation showed that a major change in the configuration upstream of the turbine in the test bench would be beneficial on the effect it has on the flow. Other simulations using the RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) approach compared several technological solutions for application in the modified test bench, which, according to the literature, would be beneficial for flow stability. The analysis of various flow characteristics higlighted two potential solutions in this situation : the installation of a curved pipe with two guided vanes upstream of the test section, or the installation of a flow stabilizer plate in a straight pipe to replace the upstream tank, upstream the turbine. This second solution is the one the LAMH put to use for its next project : Tr-Francis.

Le présent mémoire a pour objectif d’améliorer la prédiction des phénomènes de perte dans les aspirateurs de turbines hydrauliques. Pour ce faire, l’écoulement dans un aspirateur caractérisé par une diminution abrupte du coefficient de récupération près du meilleur point de fonctionnement a été étudié. Une méthode avancée de modélisation de la turbulence, le DES, a été mise à l’essai, afin de déterminer les gains associés à une représentation plus fine des mouvements turbulents dans cette composante. Les requis méthodologiques liés à cette approche, notamment par rapport à la condition d’entrée, ont été explorés, dans le but de développer une meilleure expertise d’utilisation du DES. Il a été démontré que le profil de vitesse radiale imposé dans le plan d’entrée du domaine de calcul altère de façon significative l’écoulement en aval et les performances prédites. Avec le profil de vitesse radiale mesuré expérimentalement, l’allure de la courbe de performance de l’aspirateur a pu être assez bien reproduite avec l’approche de modélisation de la turbulence URANS. Toutefois, certains aspects des simulations ne concordent pas bien avec les mesures expérimentales, c’est notamment le cas de l’écart de débit entre les deux canaux de sortie. Il a été établi que les structures d’écoulement en rotation sous les aubes de la roue nécessitent une discrétisation spatiale et temporelle extrêmement fine pour éviter qu’elles se diffusent prématurément sous le plan d’entrée. Toutefois, au point d’opération considéré, leur influence sur les performances de l’aspirateur s’est avérée très faible. Les simulations DES et URANS de l’aspirateur où des conditions d’entrée axisymétriques ont été imposées ont prédit des performances similaires. Cependant, le DES permet de simuler une dynamique tourbillonnaire beaucoup plus riche, avec un maillage et un pas de temps similaire au URANS, tout en étant largement moins dépendant des quantités turbulentes modélisées imposées dans le plan d’entrée.
The work carried throughout this thesis has for objective to enhance losses predictions in hydraulic turbines draft tube. In order to acheive this, the flow in a draft tube charaterized by a sharp drop in the pressure recovery coefficient near the best efficiency point was studied. Detached Eddy Simulation (DES), an advanced turbulence modeling approach, was put to the test, in order to asses the gain attributable to a finer and more precise description of turbulent motions in this component. The numerical methods required associated to this approach, especially regarding the inlet boundary condition, were investigated. It was shown that the radial velocity profile specified at the inlet of the computational domain alters significantly the flow downstream and the predicted performance. With the measured radial velocity profile specified at the inlet of the draft tube, reasonnable agreement was found between URANS numerical results and experimental measurements of pressure recovery. However, some aspects of the numerical simulations does not agree well with experimental data. It is the case for flow imbalance between the two outlet bays. It was established that rotating flow structures underneath the runner blades require extremely fine grid and time step resolution to avoid their premature diffusion underneath the inlet plane. Nevertheless, at the studied operating point, their influence on draft tube performance was found to be very limited. DES and URANS simulations of the draft tube where axisymmetric inlet boundary conditions were imposed predicted similar pressure recovery. However, DES enables to simulate much more complex and rich turbulent motions, at a computational cost similar to the one of a URANS simulatation and with much less influence from the modeled turbulent quantities specified at the inlet plane.

Les travaux effectues dans le cadre de la thèse portent sur l'étude du couplage hydromécanique dans le béton, avec pour objectif une application au calcul prédictif du comportement des barrages. L'approche proposée est basée sur la mécanique des milieux poreux saturés couplée à la mécanique de l'endommagement anisotrope. Sont ainsi pris en compte les transferts de fluide sous pression, les phénomènes de dégradation orientée de la matrice, et les répercussions de cet endommagement sur les paramètres de couplage hydromécaniques. Une procédure expérimentale autorisant le pilotage simultané de la pression interstitielle et des contraintes va permettre l'identification des paramètres introduits dans le modèle. Les évolutions de ces paramètres sont alors simulées et comparées à d'autres approches proposées pour ce type de problème. L'implantation numérique du modèle ainsi identifié est réalisée dans le code de calcul par éléments finis Castem 2000. Une méthode de régularisation du problème de localisation des déformations est mise en œuvre avec succès pour le modèle d'endommagement. Une simulation d'un essai de fissuration hydraulique sur une structure pré-entaillée est alors effectuée, et prouve que le caractère dégradable des paramètres hydromécaniques influence fortement la réponse post-pic. On procède ensuite a la simulation du comportement d'un barrage poids soumis a une crue. Les résultats produits permettent de retrouver les principaux aspects mis en évidence sur ouvrages réels

La simulation numérique est un outil essentiel pour le développement technologique de disciplines très variées comme la mécanique des fluides et la géologie. Ce travail a pour objectif de développer des outils efficaces et précis pour résoudre les équations régissant les écoulements et les transferts de masse en milieux fracturés tridimensionnels très hétérogènes. L'hétérogénéité des milieux fracturés est multi-échelles et la géométrie des réseaux de fractures est complexe. Dans la première partie, nous avons simplifié les configurations pénalisantes dans les réseaux de fractures et nous avons maillé des réseaux très complexes avec des maillages de bonne qualité. Dans la deuxième partie, nous avons validé notre solution approchée et analysé la précision de notre méthode. Dans la troisième partie, nous avons parallélisé notre code et calculé la solution dans des réseaux de grandes tailles, aidant à la recherche des lois d'échelles.

L'onde de choc générée par une explosion ou par pulsation électrique, peut être utilisée pour des fins industrielles. Pour la fabrication de pièces mécaniques, dans l'industrie automobile ou aéronautique, la pratique utilisée est l'emboutissage. Les difficultés numériques rencontrés dans l'emboutissage, comme le retour élastique, nécessitent le passage d'un calcul explicite à un calcul implicite, car le temps d'amortissement de la structure est relativement long par rapport au temps de chargement. L'emboutissage pose aussi un problème de coût industriel. Le chargement dynamique due à la présence de la presse dans un problème d'emboutissage, peut aussi être généré par des pressions ou ondes de choc provoquées par une ou plusieurs explosions dans un milieu hydrodynamique. Le but de cette recherche, dont une partie est expérimentale, validée par des simulations numériques, consiste à modéliser le chargement dynamique dans les problèmes à dynamique rapide, en utilisant une suite de points et d'instants de détonation. Les ondes de choc générés par les différentes détonations provoquent dans un milieu hydrodynamique, un chargement dynamique sur la structure, et donc une interaction fluide structure, similaire au chargement de la presse. Ce chargement se produit dans un milieu fluide ( eau) dont les propriétés d'amortissement des vibrations de la structures sont plus importantes et plus efficaces que dans le milieu atmosphérique. La modélisation numérique des phénomènes de détonation nécessitent la résolution des équations de Navier Stokes compressibles pour le fluide et les équations de la dynamique des structures, en utilisant un algorithme de couplage fluide structure
A choc wave generated by an underwater explosion or electric pulsed power can be used for industrial applications. Ln automotive and aerospace industry, sheet metal forming is usually used for parts production. Ln metal forming we usually encounter numerical difficulties as spring back problems, which requires implicit time integration, since the time for the structure to damp out from high frequency vibrations is long compare to loading time. Metal forming has a high cost for industrial applications. . Pressure loading due to the press machine in metal forming can be generated through pressure waves from detonation points in hydrodynamic medium. The aim of this work, which has an experimental part, that is validated by numerical simulation, consists of generating pressure waves for dynamic problems, through discrete detonation points, at different locations and detonating at different detonation time. Pressure waves from detonation create a structure loading similar to the one created by the press machine in metal forming. The problem is a fluid structure interaction problem, where the fluid has high damping properties compare to those of ambient air. The fluid is solved using compressible Navier-Stokes equations with equation of state relative to explosive material, the structure is solved with structural dynamic equations, using explicit time integration

La détermination de l'état des contraintes initiales dans un massif rocheux est l'un des problèmes importants et complexes de la géotechnique. La mesure des contraintes par surcarottage est une des méthodes les plus utilisées. Elle est bien adaptée aux roches réputées dures et saines. Mais appliquée à des roches ayant un comportement partiellement élastique, elle se heurte à de nombreuses difficultés parmi lesquelles on peut citer le comportement non élastique de la roche, la présence des fractures naturelles ou celles induites par l'opération de surcarottage. Ces particularités ne permettent pas d'obtenir des mesures de déformation correctes et interprétables en termes de contraintes. Pour y parvenir, on a développé une nouvelle méthode en exploitant les déformations enregistrées au début du surcarottage alors que la méthode classique permet de traiter uniquement la fin des enregistrements correspondant à la détente complète. Dans ce mémoire une synthèse à été faite sur les principales méthodes de détermination des contraintes, dont nous avons présenté les principes, les atouts et les limites. L’accent a été mis sur la méthode de surcarottage : nous avons décrit la méthode classique d'interprétation et tenté de clarifier les facteurs limitant son application. Pour contourner ces restrictions, nous avons proposé une nouvelle méthode d'interprétation, elle est basée sur l'exploitation des déformations transitoires. Cela nécessite la détermination des matrices des coefficients d'influence propre à chaque pas de surcarottage à l'aide de la simulation numérique tridimensionnelle. Avant la mise en œuvre de cette méthodologie, nous avons effectue une étude paramétrique par simulation numérique bidimensionnelle de l'essai afin d'évaluer l'influence des principaux paramètres intervenant dans l'essai sur les déformations transitoires. Pour la validation de cette méthodologie, nous avons effectué des vérifications sur les outils utilisés. Ensuite nous avons présenté les résultats de son application sur deux cas réels. Enfin, pour pouvoir utiliser cette nouvelle méthodologie de manière opérationnelle sans obligation de recourir aux calculs numériques très lourds, nous avons élaboré une base de données permettant une interprétation rapide des mesures effectuées in situ.

Ce memoire de these propose une demarche de conception en vue de realiser une suspension automobile active. La methode est basee sur la modelisation bond graph exploitee en simulation dans les domaines frequentiel et temporel. Cette demarche presente deux aspects: d'une part elle repose sur un decoupage du vehicule (organe de suspension, suspension monoroue, suspension bicycle). Les chapitres s'articulent en suivant cette decomposition. D'autre part, elle developpe une analyse systematique des modeles a travers une premiere etude lineaire exploratoire ; affinee par la suite lors de l'etude non lineaire. Le premier chapitre presente les particularites de la suspension oleopneumatique de base. Le compromis confort-tenue de route est mis en evidence a travers des tests simples. Le second chapitre aborde l'etude d'une suspension monoroue. Les lois de commande sont testees dans le cadre d'une strategie d'activation precise. Ces tests s'appliquent a des modeles de plus en plus fideles a la realisation automobile. Le chapitre trois est dedie a la modelisation des organes hydrauliques de commande. Dans un premier temps on aborde l'ensemble correcteur-initiateur, qui distribue le fluide vers les verins de suspension. Dans un deuxieme temps on envisage la conception d'un accelerometre hydraulique base sur le principe d'un regulateur de pression. Le quatrieme chapitre se consacre a la modelisation d'une suspension bicycle transversal pour mieux repondre a la sollicitation de roulis. Il propose une architecture hydraulique interessante qui apporte de l'amortissement en roulis. La derniere partie, resultats et conclusion, montre le bien fonde de cette demarche de conception qui a conduit a la realisation de plusieurs prototypes. Les performances en tangage et roulis sont deduites de releves experimentaux
This work deals with a design procedure allowing the development of active automobile suspensions. Bond graph modeling technics are used to carry out simulations in both the frequency and time domains. The approach presents two different aspect : on the one hand the suspension in broken down into its hierarchical components (quater car diagram, bicycle suspension. . . ) and the chapters are arranged according to this breakdown. On the other hand systematic study of the models is carried outgoing through, first of all, exploratory linear studies followed by more in-depth non-linear studies. The first chapter deals with the specificities of the basic hydraulic suspension. The second chapter is dedicated to the quater car model. Within the framework of a precise activation strategy, control laws are tested through application to increasingly realistic automobile models. The third chapter treats modeling of hydraulic control devices. The flow spool, the valve which supplies liquid to the suspension jack, is first covered. Secondly design of an accelerometer sensor according to the principals of a pressure spool is investigated. The fourth chapter deals with a transversal bicycle suspension model aimed at allowing better control of roll motion (roll-damping). The final section, concerning the results and conclusions, highlights the validity of the design procedure which resulted in the development of several prototypes

L’endommagement des massifs rocheux fait l'objet de cette thèse. Après une étude bibliographique, on décrit les dispositifs expérimentaux mis en place pour cette étude, les techniques expérimentales utilisées ainsi que les résultats des essais réalisés sur trois roches différentes : le granite du lac du Bonnet (Canada), la diorite d'Aspo (Suède) et le granite de la Vienne (France). La modélisation est réalisée sur la base d'un modèle phénoménologique élasto-endommageable. Une étude paramétrique est réalisée et des modifications de ce modèle sont proposées pour mieux décrire la physique du phénomène. La validation du modèle est réalisée par la simulation des essais au laboratoire. Le modèle simule très bien les essais de compression triaxiale et les essais d'extension latérale. Le modèle modifié est implanté dans UDEC et une application au calcul d'ouvrages in situ on abordé ensuite les modèles micromécaniques et microstructuraux, ou après une discussion du modèle de Nemat-Nasser et Obata, on propose un modèle microstructural. La philosophie de ce modèle est de modéliser non pas la réponse du matériau, mais l'évolution de la géométrie de la fissuration. Le but de la construction de ce modèle est de proposer une approche générale pour la modélisation des massifs rocheux. L’idée est simple : si on connait la géométrie de la fissuration et son évolution, on peut prédire toutes les propriétés influencées par la fissuration. On choisi comme méthode numérique, les méthodes dites sans maillage, et on a construit un code de calcul mixte éléments finis - éléments libres de Galerkin. Le modèle micromécanique est implanté dans ce code et des calculs de structures ont été réalisés. Les résultats de ces calculs mécaniques sont comparables à ceux de l'approche phénoménologique.

En 1996, une nouvelle norme (NF EN 752-2) concernant la conception des réseaux d'assainissement est parue. Elle abandonne la notion de période de retour d'évènements pluvieux pour s'appuyer sur celle de période de retour de dysfonctionnement (mise en charge ou débordement). Si ce choix est fondamentalement judicieux, il n'en reste pas moins qu'il n'existe pas actuellement de méthode permettant de dimensionner directement canalisations et bassins de rétention selon cette notion. La question se pose donc de savoir comment les "anciennes" méthodes basées sur le concept de pluie de projet répondent à cette nouvelle exigence réglementaire. L'étude décrite ci-après a pour objectif d'apporter des éléments de réponse. Basée sur une analyse statistique des pluies, d'une part, et des débits et volumes qu'elles génèrent sur un réseau test synthétique, d'autre part, elle montre que, pour les canalisations, l'utilisation de pluies de projet répond à la norme NF EN 752-2 mais qu'elles n'optimisent pas le dimensionnement et que, pour les bassins de rétention, cette même méthode n'apporte pas de certitude quant au respect de la norme NF EN 752-2.

Les environnements côtiers en Normandie sont propices à de multiples aléas (érosion, submersion marine, inondation par débordement de cours d’eau ou remontée de nappe, crue turbide par ruissellement, mouvement de versant côtier ou continental). Des interactions entre aléas vont se produire au sein des versants et des vallées où les populations côtières et leurs activités tendent à se densifier depuis le XIXe siècle. Dans ce contexte, il s’avère nécessaire, d’adopter une démarche multi-aléas et multirisques tenant compte de la concomitance spatiale ou temporelle de plusieurs aléas et de leurs possibles effets en cascades et d’évaluer les impacts multisectoriels engendrés par ces aléas.Dans le cadre de cette thèse, ainsi que dans le programme ANR RICOCHET, trois sites d’étude ont été sélectionnés à l’embouchure des rivières littorales : de Auberville à Pennedepie, de Quiberville à Dieppe et de Criel-sur-Mer à Ault en raison d’importants enjeux socio-économiques et de fortes interactions entre les phénomènes hydrologiques et gravitaires. Deux principaux objectifs ont été menés à bien : (1) un développement méthodologique sur les analyses des conséquences potentielles en considérant les éléments exposés au sein d’un territoire d’étude à travers une approche multiscalaire ; (2) la mise en évidence et la quantification des effets des concomitances hydrologiques (lame d’eau et extension spatiale) liés aux blocages des écoulements fluviaux par la mer dans les embouchures à partir d’une analyse spatiale et d’une modélisation hydraulique sous HEC RAS
The coastal environment in Normandy is conducive to a convergence of multiple hazards (erosion, marine submersion, flooding by overflowing streams or upwelling of a water table, turbid flooding by runoff, coastal or continental slope movement). Because of their interface positions, important regressive dynamics go between the marine and continental processes. This interaction will occur within the slopes and valleys where coastal populations and their activities have tended to become more densified since the 19th century. In this context, it is necessary to adopt a multi-hazard and multi-risk approach considering the spatial or temporal confluence of several hazards and their possible cascading effects and to assess the multi-sector impacts generated. by these vagaries.As part of this thesis, as well as in the ANR RICOCHET program, three study sites were selected at the outlet of the coastal rivers: from Auberville to Pennedepie, from Quiberville to Dieppe and from Criel-sur-Mer to Ault due to significant issues and strong interactions between hydrological and gravitational phenomena. Two main objectives have been carried out: (1) an methodological development on analyses of potential consequences by considering all the elements at risk within a study territory through a multiscaling approach; (2) an analysis of hydrological concomitances through a both statistical and spatial approach

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une Convention Industrielle de Formation par la Recherche (CIFRE) issue du partenariat entre le laboratoire Roberval de l'Université de Technologie de Compiègne et l'entreprise HYDRO LEDUC. Cette dernière fabrique et conçoit des composants hydrauliques tels que des pompes et moteurs à pistons, des accumulateurs, des vérins, mais aussi des outils spécifiques destinés à des applications diverses et variées. La discipline de l'hydraulique de puissance est omniprésente dans de nombreuses applications industrielle. Elle constitue une solution incontournable pour toutes les utilisations qui nécessitent des puissances élevées. Elle touche ainsi de nombreux domaines d'activité tels que les transports, l'aéronautique, les machines-outils, le BTP et bien d'autres. Les circuits hydrauliques, que ce soit en termes d'entrainement ou de contrôle, présentent de nombreux avantages. IIS permettent entre autre de transmettre des efforts considérables, garantissent un contrôle précis des récepteurs qu'ils soient linéaires ou rotatifs, et ont une durée de vie élevée. Les pompes hydrauliques sont le véritable cœur de tous les circuits hydrauliques. Dotées d'une puissance massique inégalable, elles sont capables de travailler à des hautes pressions tout en conservant un haut rendement global. Les contraintes environnementales ainsi que l'augmentation du prix de l'énergie font croître la demande en composants toujours plus performants. Afin de rester compétitif, les fabricants sont contraints de répondre à ces exigences tout en contrôlant leurs coûts de développement et production. La méthode conventionnelle d'amélioration des produits basée sur des cycles essais/erreurs est une démarche financièrement coûteuse et chronophage. Les vingt dernières années ont vu la puissance de calcul des ordinateurs croître de manière exponentielle, faisant de la simulation numérique un véritable outil de compréhension des phénomènes physiques et d'amélioration des produits. L'enjeu de notre travail consiste à s'approprier et à analyser les multiples données et savoirs théoriques issues de nombreuses années de travaux de recherche. A partir de ce socle de connaissances, l'objectif est de mettre au point une méthode de conception mettant en oeuvre la démarche des plans d'expériences et reposant sur la modélisation ainsi que sur la simulation dans la conception intégrée de composants hydrauliques. Cette dernière a été appliquée à une pompe à pistons axiaux à cylindrée variable. En effet, associée à des stratégies de conception dûment établies, la simulation numérique permet de réduire considérablement les temps de développement et d'amélioration des produits tout en diminuant de manière drastique le nombre d'essais expérimentaux
This thesis has been achieved as part of the partnership between HYDRO LEDUC company and Roberval laboratory located at the "Université de Technologie de Compiègne". HYDRO LEDUC designs and makes hydraulic components such as piston pumps and motors, accumulators, cylinders and specific tools reserved for varied applications. A large amount of applications uses fluid power transmission. Indeed, because of its high power density, hydraulic solutions are unavoidable. Thus, this latter is present in various fields such as transport, aeronautical, machine tool, building industry and many others. Hydraulic circuits allow delivering considerable efforts. They enable a very accurate control of receptors and ensure a high life time to systems and components. Hydraulic pumps can be considered as the heart of every hydraulic systems. Their matchless high power density makes them to perform at high pressure while keeping a high efficiency level. Environment constraints, energy cost rise and global market have led manufacturers to make products more efficient while decreasing their manufacturing and development costs. Conventional design methodology relies on test/error cycles, which is a development strategy that can be expensive and time consuming. Computing power of computers have been increasing sharply over the last 20 years. In that sense, numerical simulation has become the mainstream in terms of design, research and development and physical analysis. The objective of our work is to gather, and analyse data and theoretical knowledge stem from many years of research investigations. From this point, the second goal of our work is to choose and develop a design strategy, which employs Design of Experiments method, and relying on numerical modelling and simulation applied to hydraulic components. This latter has been applied to a variable displacement axial piston pump. Hence, performing a design strategy that integrates Design of Experiments, numerical simulation and modelling for hydraulic components leads to reduce considerably the time and the cost of the design process

Le travail a pour thème général l'étude des bassins à houle. Dans un bassin de carène de type canal, on se propose d'étudier les commandes en boucle ouverte des batteurs de manière à générer une houle donnée : onde plane ou superposition d'ondes planes. Le modèle représentatif de la propagation de la houle dans le bassin est un système d'équations aux dérivées partielles, équations linéarisées de l'hydrodynamique. Nous avons envisagé deux méthodes de résolution numérique des équations. La première technique est basée sur la méthode des éléments finis en espace et un schéma d'intégration de Newmark en temps. Etant donné que le nombre d'inconnues croît avec la taille du bassin, cette technique est rapidement devenue trop coûteuse en temps calcul et a dû être abandonnée. Par contre, la méthode de décomposition spectrale de l'opérateur stationnaire du problème donne des formules explicites et, par suite, demande un faible coût calcul. C'est pour cette raison que tous les essais ultérieurs ont été pratiqués selon cette seconde méthode. Nous avons tout d'abord appliqué cette technique au calcul du mouvement de la houle dans le bassin. Ensuite, le problème de contrôle a été abordé sous différents aspects. Nous avons effectué la création et l'entretien de la houle par des techniques d'optimisation, avec un ou deux batteurs contrôlables. Enfin, les effets liés au second ordre ont également été étudiés. Enfin, les problèmes de contrôlabilité exacte sont abordés en utilisant les techniques développées par J. L. Lions dans le cadre de la méthode HUM.

Les futurs réacteurs expérimentaux comme ITER ou JT-60SA réaliseront des réactions de fusion thermonucléaire au sein de plasmas de plusieurs millions de degrés. Le confinement de la réaction au centre de la chambre est assuré par des champs magnétiques très intenses générés par des aimants supraconducteurs. Ces bobines sont refroidies à 4.4 K via une circulation forcée d’hélium supercritique. Le fonctionnement cyclique des machines engendre des charges thermiques pulsées qui devront être absorbées par les réfrigérateurs de plusieurs mégawatts de puissances électriques. L’expérience HELIOS, construite au CEA Grenoble, est une maquette à échelle réduite du système de distribution d’hélium du tokamak JT-60SA constituée d’un bain d’hélium à saturation et d’une boucle en hélium supercritique. Les travaux de thèse présentés ici explorent les possibilités d’HELIOS afin de réaliser les études expérimentale et numérique de trois stratégies de lissage de charges thermiques : l’utilisation du bain saturé en tant que volant thermique ouvert, la variation de la vitesse du circulateur et l’utilisation de la vanne de by-pass de la charge thermique. Le modèle EcosimPro développé ici rend bien compte des phénomènes de couplage transitoire entre le dépôt d’énergie, la montée en pression et en température de la boucle de circulation, de même que le couplage entre la boucle de circulation et le bain saturé. Des contrôles avancés ont été testés numériquement puis validés expérimentalement pour améliorer la stabilité du réfrigérateur et optimiser la puissance de réfrigération
Future fusion reactor devices such as ITER or JT-60SA will produce thermonuclear fusion reaction inplasmas at several millions of degrees. The confinement in the center of the chamber is achieved byvery intense magnetic fields generated by superconducting magnets. These coils have to be cooleddown to 4.4 K through a forced flow of supercritical helium. The cyclic behavior of the machinesleads to pulsed thermal heat loads which will have to be handled by the refrigerator.The HELIOS experiment built in CEA Grenoble is a scaled down model of the helium distributionsystem of the tokamak JT-60SA composed of a saturated helium bath and a supercritical helium loop.The thesis work explores HELIOS capabilities for experimental and numerical investigations on threeheat load smoothing strategies: the use of the saturated helium bath as an open thermal buffer, therotation speed variation of the cold circulator and the bypassing of the heated section. Thedeveloped model describes well the physical evolutions of the helium loop (pressure, temperature,mass flow) submitted to heat loads observed during experiments. Advanced controls have beentested and validated to improve the stability of the refrigerator and to optimize the refrigerationpower

L'objectif de ce travail est de modéliser le comportement hydro-mécanique de massifs rocheux fissurés. Ceci concerne précisément l'amélioration et l'extension d'un modèle par éléments discrets appelé BRIG3D. Ce modèle assimile un massif rocheux fissuré à un assemblage de blocs rigides qui interagissent au niveau de leurs interfaces. La déformation de ces interfaces est reliée aux déplacements relatifs des blocs. Sous l'effet des sollicitations du massif, chaque bloc, en interaction avec d'autres, se déplace vers une position d'équilibre. Les améliorations concernent la reformulation mécanique de BRIG3D. De nouvelles descriptions concernant le mouvement d'un corps rigide, la position des interfaces et le champ des contraintes sont introduites. Ce travail de recherche concerne également l'introduction d'un modèle par éléments frontières décrivant un écoulement laminaire, permanent et plan aux interfaces des blocs. Le couplage de ces deux modèles à permis d'analyser le comportement hydro-mécanique de massifs rocheux fissurés soumis à diverses sollicitations. Une étude particulière a été consacrée à l'analyse du comportement d'une fondation de barrage.

Le Liban se caractérise par ses hautes montagnes fortement urbanisées. Traversé par plusieurs failles principales et secondaires, ce pays présente de forts risques sismiques. Il a déjà subi plusieurs tremblements de terre destructeurs. Dans le futur, on craint un tremblement de terre majeur. Face à une telle situation, il est nécessaire de mener des travaux de recherche pour analyser ce risque. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce cadre. Le travail est réalisé à l’aide d’une modélisation numérique avancée fondée sur la méthode des éléments distincts. Les études ont été effectuées à l’aide du code de calcul (UDEC). Les analyses sont établies sur des cas réels identifiés à partir de plusieurs visites de terrain. Un travail important a été aussi consacré à la collecte des informations relatives aux propriétés mécaniques des matériaux. La première partie de la thèse est consacrée à une synthèse bibliographique en rappelant les paramètres qui caractérisent la géométrie des discontinuités des massifs rocheux et leur comportement mécanique en compression et en cisaillement. Des méthodes d’analyse de la stabilité des milieux rocheux fissurés et quelques exemples réels publiés dans la littérature sont exposés. La seconde partie comporte des analyses sismiques menées sur un massif du site de Jezzine au Liban Sud. Les modélisations traitent différentes configurations : massif sans fractures, massif avec fractures horizontales et massif avec un réseau de fractures horizontales et verticales. On présente également les résultats obtenus avec un renforcement du massif par ancrage. La dernière partie présente une étude de l’influence de la présence de l’eau sur le comportement sismique des massifs rocheux
Lebanon is characterized by high-urbanized mountains, which could be subjected to severe earthquakes, because of the presence of a major fault and some secondary faults. Lebanon was previously subjected to several destructive earthquakes, particularly in 551, 1202, 1759 and 1837 and more recently in the years 1956 and 2008. Experts predict a major seismic event in the future. Prevention constitutes an efficient way to minimize the earthquake consequences (casualties and property damage). This thesis aims to develop a methodological approach for the seismic stability of fractured rocks and to apply this methodology to the analysis of real case in Lebanon. The work is based on an advanced numerical modeling using the UDEC software to analyze the behavior of massive fractured rocks under seismic loading, taking into account the presence of water in the fractures. Due to lack of field data, significant work has also been devoted to the collection of data collection related to mechanical properties of the materials and joints. The first part of the thesis presents a literature review of the characterization of the rock discontinuities and methods used for the analysis of the stability of fractured rock masses. The second part presents seismic analysis of a real case in South Lebanon (Jezzine). Numerical calculations were carried on different configurations: rock mass without fractures, rock mass with horizontal fractures and rock mass with both horizontal and vertical fractures. Analysis was also conducted on the use of anchors for the rock mass stabilization. The last part presents a study of the influence of the presence of water on the seismic behavior of fractured rock masses

Le potentiel de production d'hydroélectricité à l'aide de micro centrales hydroélectriques est sous-exploité en Europe. L'exploitation de petites chutes d'eau, à l'aide des vis d'Archimède, est un moyen de production d'énergie renouvelable récent et en voie de développement. Cette thèse étudie les performances hydrauliques de ce type de turbine. Une première partie du travail a porté sur la mise en place d'un dispositif expérimental, à échelle réduite, permettant de tester pour des conditions hydrauliques et des paramètres géométriques variés les performances hydrauliques d'une vis d'Archimède. Un modèle théorique semi-analytique permettant de déterminer les performances de la vis a été développé puis validé à l'aide des résultats expérimentaux. Les écoulements complexes au sein de cette turbine sont étudiés par le biais d'une modélisation numérique 3D instationnaire, validée expérimentalement. La compréhension de la structure de l'écoulement a alors permis de développer un nouveau modèle théorique permettant de déterminer avec plus de précision le débit de fuite qui est à l'origine d'une perte significative de rendement. Ces résultats permettent d'envisager l'implémentation d'un modèle de dimensionnement industriel
The potential for hydropower generation using micro-hydro plants is still under exploited in Europe. The Archimede Screw Generators are a growing technology convenient for low-head hydraulic sites. This thesis studies the hydraulic performance of this turbine. The first part of thiswork presents an experimental device using a laboratory screw scale. This device allows to test screw performance for various hydraulic conditions and geometrical parameters. A theoretical model predicting the screw performance has then been developed and validated with experimental results.The complex flows occurring within the screw are studied thanks to 3D and unsteady numerical simulations. The numerical results are validated experimentally. The insights provided on the flow structure permit to develop a new leakage model. These leakages are a major source of efficiency loss. Eventually, all these results will allow the implementation of an industrial dimensioning model

Les travaux de cette thèse concernent la modélisation et la simulation numérique de la propagation d'ondes acoustiques en présence d'un écoulement. Le modèle retenu pour ces études est l'équation de Galbrun. Les travaux faits sur l'équation de Galbrun ont essentiellement porté sur le régime harmonique. En revanche, la plupart des études mathématiques et numériques du problème de l'aéroacoustique est en régime transitoire. C'est pourquoi, il est intéressant pour nous d'étudier l'équation de Galbrun en régime transitoire. Pour résoudre cette équation en régime transitoire, notre approche a reposé sur la transformée de Laplace, qui nous permet de faire l'échange entre le domaine harmonique et le domaine réel. Un autre sujet abordé dans cette thèse est celui du traitement des conditions aux limites non réfléchissantes en écoulement uniforme et non-uniforme. Nous proposons la méthode PML pour l'équation de Galbrun. Inspirée par la méthode de Hu, nous proposons un nouveau modèle PML associé à l'équation de Galbrun, qui a toujours conduit à une solution exponentiellement décroissante dans la couche, même en présence d'ondes inverses. Les simulations acoustiques montrent étonnamment d'erreur de convergence pour les deux modèles classiques et nouveaux. Nous validons notre modèle PML à travers plusieurs exemples numériques dans l'écoulement uniforme et non-uniforme. Le dernier objectif est de proposer des modèles de sources aéroacoustiques associées à l'équation de Galbrun. Après une présentation en détail des modèles existants, on adapte une méthode hybride (EIF) à l'équation de Galbrun. Pour assurer la validité de l'approche globale, certains tests classiques sont choisis parmi la littérature et les résultats sont comparés avec les approches existantes et les solutions analytiques.

Depuis plusieurs décennies, une importante activité scientifique se concentre sur la description numérique, théorique ou expérimentale de l'hydrodynamique des écoulements multiphasiques. Ces écoulements sont caractérisés par l'existence d'interfaces, et d'une force à l'interface, la tension superficielle, séparant généralement deux fluides non miscibles. Un cas d'étude dans ce contexte est le problème du drainage d'une unique goutte dans une phase continue, l'ensemble étant soumis à la gravité. Ce système fait apparaître des écoulements récemment décrits pour une goutte d'eau dans l'huile de paraffine. Ce système constitue également un modèle simple pour l'étude des propriétés aux interfaces, Mais d'un point de vue numérique, se pose alors le problème de la stabilité des algorithmes pouvant être utilisés. Les effets aux interfaces impliquent en effet des domaines spatiaux très limités dans lesquels les grandeurs physiques entre les deux fluides sont discontinues. D'importants artéfacts numériques peuvent alors être générés dans les simulations et faire perdre la richesse de la physico-chimie du système considéré. Le problème de la simulation d'écoulements multiphasiques intéresse aussi bien le monde académique que le monde industriel. L'objectif de ce travail de thèse est donc d'implémenter les techniques numériques les plus récentes et de développer un code pour permettre la simulation de l'hydrodynamique de systèmes dispersés. Pour parvenir à ce but, il reste encore des problèmes algorithmiques importants à résoudre comme la prise en compte des effets thermocapillaires et thermosolutaux. Ces deux derniers points sont l'objet de cette thèse
For several decades, an important scientific activity has focused on the numerical, theoretical and experimental hydrodynamics of drops. This work presents numerical results of a single droplet in the gravity field and in non-isothermal conditions. The simulation such a multiphase system is important in both academic and industrial world. This is particularly the case in the field of emulsions, wetting problems and evaporation. To achieve this goal, there are still important algorithmic problems due to the free moving interfaces and the description of capillary effects. Here, a Volume of Fluid technique has been implemented with high order temporal and spatial schemes to preserve the sharpness of the drop interface. The system under consideration is a simplified model consisting in a single water droplet in a continuous paraffin oil phase. These liquids are immiscible and non-compressible and the overall evolution is unsteady. Capillary contributions such as temperature and surfactant dependent surface tension are fully accounted for. This presentation is aimed to show the capabilities of VOF techniques for the simulations of unsteady multiphase systems in non-isothermal configurations. The role of the droplet initial position and temperature field is described with good numerical stability. There are still important problems remaining in the simulation of free interface systems with such a technique. Spurious currents induced by the description of capillarity can in particular come into play. But these latter can be controlled once the droplet average velocity due to drainage becomes large enough

Cette thèse porte sur l’étude des microcentrales hydroélectriques à vis d’Archimède. Il s’agit dans ces travaux de proposer une solution alternative à l’hydroélectricité à petite échelle, en exploitant les ressources inutilisées telles que les petites rivières ou les cours d’eau. Ces microcentrales inversent le principe de fonctionnement de la pompe à vis d’Archimède. Elles exploitent la puissance hydraulique disponible dans les usines hydroélectriques de très basses chutes. A partir de l’état de l’art, un modèle numérique est établi pour estimer les rendements, la production d’énergie et la rentabilité pour un fonctionnement à vitesse variable des microcentrales hydroélectriques à vis d’Archimède. Les différents résultats théoriques et de simulation ont été validés expérimentalement sur le prototype de l’INSA de Strasbourg, développé dans le cadre de cette thèse. Enfin, des actions sont menées sur le prototype expérimental afin de maximiser le transfert d’énergie et de limiter les pertes. Pour finir, une stratégie MPPT (Maximum Power Point Tacking) très spécifique est développée et est actuellement en cours d’implémentation
This work focuses on a small hydro plant which uses the Archimedes screw. This is an alternative solution to smallscale hydropower as it employs unused resources such as small rivers or streams. Archimedes screw plants reverse the pump use principle and employ the available stream power for energy production in very low head application. Based on the state-of-the-art, a numerical model is established to estimate efficiencies, energy production and profitability of variable speed operations for a small hydro plant using Archimedes screw. Several theoretical results and simulations are proposed. We validated them experimentally on the prototype of INSA Strasbourg, developed within the framework of this thesis. Finally, actions carried out on the experimental prototype led to maximizing the transfer of energy and limiting losses. Then a very specific MPPT (Maximum Power Point Tracking) control strategy is developed and is currently being implemented

Un des enjeux de la Directive Cadre sur l'Eau (2000) est de rétablir la migration piscicole aval à travers notamment une baisse de la mortalité des poissons au niveau des turbines des centrales hydroélectriques. Les grilles ichtyocompatibles constituent une des solutions possibles grâce à un arrêt physique des poissons couplé à un guidage vers un exutoire de contournement. Dans ce contexte, nous avons mené une étude expérimentale et numérique afin de caractériser différents types de grilles en termes de pertes de charge et de courantologie. Cela a permis de déterminer d'une part les pertes d'énergie liées à la proximité des barreaux pour diverses configurations et d'autre part les vitesses que les poissons sont susceptibles de rencontrer le long des grilles jusqu'à l'exutoire. Ces deux sujets complémentaires ont été abordés via l'utilisation de deux installations hydrauliques couplées à plusieurs systèmes de mesure adaptés à nos modèles de grille. Des mesures de hauteur d'eau ont permis d'établir des nouvelles lois de pertes de charge tandis que des mesures de vitesse avec des systèmes de vélocimétrie acoustique par effet Doppler (ADV) et de vélocimétrie par images de particules (PIV) ont permis de déterminer les angles pour lesquels les grilles satisfont les critères d'ichtyocompatibilité. Certains points de l'étude, liés à la caractérisation des exutoires notamment, ont été résolus grâce à des simulations numériques avec le logiciel OpenFOAM. L'ensemble des résultats obtenus a permis de dimensionner et de comparer les différentes solutions de grilles dans un cas de prise d'eau réel, soulignant ainsi les avantages et problématiques inhérents à chacune des solutions
The Water Framework Directive (2000) particularly aimed at restoring the fish downstream migration and at preventing fish from being injured or killed in hydropower plant turbines. Fish-friendly trashracks, which physically stop fish and guide them towards bypasses, are one of the possible solutions.In this context, we have carried out an experimental and numerical study focused on the characterization of head losses and velocity distributions for various kinds of trashrack. This helped to quantify the energy loss due to the narrow bar spacing and to assess the magnitude of velocities that fish may face in different trashrack configurations. Two hydraulic installations coupled with several measurement devices allowed the study of both topics on model trashracks. Water depth measurements resulted in new head loss equations while velocity measurements with acoustic Doppler velocimetry (ADV) and particle image velocimetry (PIV) systems allowed the determination of fish-friendly angles in different trashrack configurations. Some other points of the thesis, concerning for instance bypasses, have been investigated with numerical simulations using OpenFOAM software. All the results allowed the conception and the comparison of various trashrack solutions for a real water intake case, highlighting the advantages and drawbacks relative to each of these solutions

L'objectif de cette thèse est de caractériser l'influence de la présence d'obstacles dans les passes à poissons à fentes verticales. Deux types d'éléments sont couramment insérés, à l'heure actuelle, dans les passes : les seuils et les macro-rugosités. Dans un premier temps, l'effet de ces deux dispositifs à la fois sur l'écoulement et sur le comportement des poissons est étudié. Dans le but de favoriser le passage des petites espèces à travers le dispositif de franchissement, une solution technique est ensuite proposée, sous la forme de plusieurs rangées de cylindres flexibles placées en sortie de fente. La caractérisation du comportement hydraulique d'une passe à poissons équipée de ces obstacles est effectuée par des mesures expérimentales de niveau d'eau à l'aide de sondes acoustiques et des mesures de vitesses tridimensionnelles avec un vélocimètre acoustique à effet Doppler (ADV). La base de données générée par ces mesures est ensuite utilisée pour définir une loi de dimensionnement, qui prend en compte les paramètres influençant le fonctionnement hydraulique de l'ouvrage en vue d'améliorer sa conception. Les simulations numériques 3D instationnaires URANS et LES de l'écoulement permettent une analyse volumique fine des grandeurs caractéristiques de la turbulence qui règne dans les bassins en fonction du type d'obstacle inséré. En obstruant une partie de la fente, la présence d'un seuil accentue la tridimensionnalité de l'écoulement tandis que les macro-rugosités créent une zone de plus faible vitesses et des abris utilisables par les espèces de fonds. L'insertion des structures souples permet une meilleure dissipation de l'énergie du jet et réduit l'énergie cinétique turbulente dans une partie du volume des bassins. Les manipulations réalisées avec différentes espèces de poissons, permettent de mieux comprendre l'effet de la modification des grandeurs cinématiques de l'écoulement, par l'insertion d'obstacles, sur le comportement des poissons pour pouvoir adapter les passes à poissons existantes aux espèces dotées de faibles capacités de nage
The aim of this work is to characterize the influence of two kinds of obstacles, sills and macro-roughnesses, on the flow inside a vertical slot fishway (VSF) and the behavior of several species of fish. Another objective is to study a technical solution to allow the passage of small fish species, which take the form of flexible cylinders placed in the jet at the entrance of each pool of the VSF. A hydraulic characterization is made by experimental measurements of the water level in each pool with acoustic sensors and by measurements of three-dimensional velocity components with an acoustic Doppler velocimeter (ADV). The data acquired by these measurements are then used to define a predictive law that takes into account the presence of sills or macro-roughnesses, to help the design of devices that are as efficient as possible. Unsteady RANS and LES three-dimensional numerical simulations of the flow allow performing a careful volume analysis of the turbulence characteristics inside the pools when obstacles are presents in the flow. By obstructing a part of the slot, sills enhance the three-dimensionality of the flow while macro-roughnesses generate a low velocity layer and shelters for benthic species. Flexible elements produce a better dissipation of the energy of the jet and reduce the turbulent kinetic energy in a part of the volume of the pools. The effect of the modification of the flow kinematic properties, by the presence of obstacles, on the behavior of various fish species is evaluated. It provides important insights on how to adapt the flow in existing fishways to fish species with low swimming capacity

La stabilité des exploitations à ciel ouvert (mines ou carrières) excavées dans des massifs rocheux dépend de leur géométrie, des caractéristiques géométriques de la fracturation (orientation et espacement) du massif et des caractéristiques mécaniques du massif et des discontinuités. L'évaluation du risque d'instabilité rocheuse dépend de la quantité et la qualité des informations disponibles sur le massif rocheux et des méthodes d'analyse mises en œuvre pour évaluer le comportement mécanique de l'assemblage de blocs rocheux. Différents sites de talus naturels, d'excavation routière et de carrières et mines à ciel ouvert présentés dans le mémoire montrent que les informations connues peuvent beaucoup varier d'un site à l'autre. Les étapes de collecte et de synthèse des données, puis de modélisation afin d'analyser la stabilité d'une pente rocheuse conduisent à des incertitudes. Le mémoire traite plus particulièrement de l'influence des incertitudes géométriques et différentes méthodes de regroupement des fractures en familles sont explorées. La combinaison du travail proposé par différents auteurs conduit à une nouvelle méthode nommée PSMY. Cette méthode ainsi que la méthode spectrale ont été programmées sous l'environnement Mathematica et les résultats sont comparés à des regroupements "manuels" réalisé avec le logiciel DIPS. Les méthodes de regroupement sont présentées selon le pourcentage d'orientations classé par la méthode. L’orientation et l’espacement des familles de fractures sont ajustées à des lois statistiques. Les paramètres statistiques sont comparés en fonction de la méthode regroupement. Ces paramètres influencent la construction d'un modèle géométrique du massif rocheux appelé DFN (Discrete Fracture Network). L'influence des regroupements sur l'analyse de stabilité est étudiée à partir de modélisation stochastiques à l'équilibre limite utilisant les logiciels SWEDGE et RESOBLOK. Ces logiciels ne prennent pas en compte les mêmes incertitudes et en sortie ils fournissent des indicateurs de stabilité différents. Une analyse de sensibilité des indicateurs (nombre de blocs instables, volume moyen du bloc instable, volume total instable) aux méthodes de regroupement et aux orientations de talus est réalisée. Une analyse de variance permet de préciser l'influence de ces deux facteurs. Une évaluation de l’état de stabilité global du massif, en fonction de la cohésion et de l'angle de frottement est proposée. L'influence de la méthode de modélisation est évoquée en comparant des calculs tridimensionnels à l'équilibre limite et des modélisations bidimensionnel et tridimensionnels en éléments discrets rigides ou déformables. Un couplage entre le logiciel RESOBLOK (équilibre limite) et LMGC90 (éléments discrets) permet de comparer les analyses pour une même géométrie. Pour le cas de la déviation d'Ax-les-Thermes et certaines configurations géométriques instables l’influence des paramètres de modèles sur stabilité du talus est testée. Plusieurs variantes sont comparées. La simulation d’une excavation en 3D multi phases est réalisée et l’indice de mobilisation est étudié pour comparer les divers types de contacts dans LMGC90 par rapport à l’éventuel glissement des blocs dans les étapes successives
The stability of open-cast operations (mines or quarries), excavated in rock mass depends on their geometry, the geometrical characteristics of the rock mass fractures (orientation and spacing) and the mechanical characteristics of the rock mass and the discontinuities. The assessment of the rock instability risk depends on the quantity and quality of the available information on the rock mass and the analysis methods used for the evaluation of the mechanical behavior of the rock block collection. Different sites of natural rock slopes, of road cuts, and of open-cast mines and quarries, described in the present document, show that the known information can vary a lot from one site to the other. The steps of data gathering and analysis, then the modelling step used to analyze the stability of the rock slope, lead to uncertainties. The present work deals in particular with the influence of the geometrical uncertainties, and the different clustering methods, to define families of fractures, are examined. The combination of works suggested by several authors leads to a new method called PSMY. This method, together with the spectral method, was coded in the Mathematica platform, and the obtained results are compared with "hand-made" clusters, done with the DIPS software. The clustering methods are presented according to the ratio of classified orientations. The orientation and spacing of fracture families are fitted by statistical law. The statistical parameters are compared according to the clustering method used. These parameters have an influence on the construction of the rock mass geometrical model, called DFN (Discrete Fracture Network). The influence of the clusters on the stability analysis is studied from the stochastic models based on the limit equilibrium analysis, in the SWEDGE and RESOBLOK software. These programs do not take into account the same uncertainties, and as a result, they give different stability indicators. A sensitivity analysis of these indicators (number of unstable blocks, average volume of unstable blocks, and total volume of unstable blocks) versus the clustering methods used, and the orientation of the slopes, is carried out. A variance analysis allows an evaluation of the influence of these factors. The assessment of the global stability condition of the rock mass, depending on the cohesion and the friction angle, is proposed. The influence of the modeling method is analyzed by comparing 3D calculations using the limit equilibrium calculations, and 2D and 3D models using discrete rigid and deformable blocks. A coupling between RESOBLOK (limit equilibrium) and LMGC90 (discrete elements) allows the comparison of results on the same original geometry. For the case of Ax-les-Thermes road-cut, and for various unstable geometries, the influence of the model parameters is tested. Several cases are compared. The 3D simulation of an excavation, at different steps, is performed, and the mobilization index is studied, in order to compare several types of contacts, within the LMGC model, in relation to the possible sliding of blocks, at those different steps