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Flow of fiber suspensions is a major factor in the manufacturing process of discontinuous fiber composites, and which determines the characteristics of the resulting parts. To the present date, studying such problematic presents a challenge. In this thesis, we propose to use high performance computing tools in order to establish numerical simulation protocols allowing a better understanding of some critical aspects related to the issue. First, we present an Octree optimized numerical method to generate virtual isotropic and oriented discontinuous fibers microstructure. This has been achieved by developing a modified RSA algorithm based on no collisions and using particles of cylindrical shape. As a result, samples containing millions of fibers are quickly generated. Once this is done, flow through those microstructures is simulated using a stabilized finite element method associated with a multi-domain formulation. The computational domain is constituted of a unique anisotropic adapted mesh that encloses the different phases implicitly described by level-set functions. Two mains studies are carried: considering firstly a static fibrous architecture and secondly a dynamic fibers evolution. For the static case, an averaging method is applied, and permeability is determined by Darcy’s law. For the dynamic case, we present the evolution of a set of fibers within a Newtonian shear flow. Two approaches are tested and compared, a first one with weak coupling and a second one with strong coupling.; L'écoulement des suspensions de fibres est un facteur important dans le processus de fabrication des composites à fibres discontinues et qui détermine les caractéristiques des pièces obtenues. Dans cette thèse, nous proposons d'exploiter les moyens de calcul haute performance pour mettre en place des protocoles de simulations numériques permettant de mieux comprendre certains aspects critiques relatifs à cette question. Nous présentons tout d'abord un algorithme optimisé de génération de microstructures isotropes ou orientées. L’algorithme adopté est un algorithme de type adsorption séquentielle aléatoire (ASA) permettant de placer des fibres cylindriques sans collisions. Cet algorithme a été implémenté en séquentiel dans un premier temps, un algorithme de type Octree lui a été associé dans un deuxième temps, et finalement, il a été parallélisé. Par conséquent, une accélération importante est obtenue et des microstructures contenant des millions de fibres sont générées. Par la suite, l'écoulement à travers ces structures est simulé en utilisant une méthode d'éléments finis stabilisés associée à une formulation multi-domaine. Le domaine de calcul est constitué d’un maillage unique adapté autour des différentes phases implicitement décrites par des fonctions caractéristiques. Deux études principales sont menées: en considérant d'abord une architecture fibreuse statique et ensuite, une évolution dynamique des fibres. Pour le cas statique, une méthode d’homogénéisation est appliquée et la perméabilité est déterminée par la loi de Darcy. Pour le cas dynamique, nous présentons l'évolution d'un ensemble de fibres au sein d'un écoulement Newtonien de couette. Deux approches sont testées et comparées, une première avec couplage faible et une deuxième avec couplage fort.

International audience

Points clouds are mathematical objects that allows to describe discretely multivariable functions. They are mainly used in the statistical domain but also in geometrical manifolds. It is nowadays a real challenge to immerse the previous manifolds in finite element computation. Indeed, the immersion of those points clouds requires the reconstruction of the surface of the manifold and the generation of a surfacic mesh. As those operations are often based on an iterative process, they are extremely time-consuming as points clouds are usually massive. The method developed in this thesis allows to immerse points clouds in a meshed domain without the surface reconstruction and mesh generations steps. For that purpose, we use the Volume Immersion Method adapted to point clouds. We coupled this method with an adaped mesh generation technique. Then we are able to generate a monolithic anisotropic mesh, adapted around interest zones. We also use the variational multi-scale method to simulate fluid flow. This method is an extension of the classical finite element method and allows to simulate fluid flow. The last part of this thesis introduce some applications cases in the aerodynamic and urbans domains.; Les nuages de points sont des objets mathématiques permettant de décrire de manière discrète des fonctions à plusieurs variables. Ils sont principalement utilisés dans le domaine statistique mais on les retrouve également en géométrie afin de représenter des variétés géométriques complexes. Il est aujourd'hui difficile d'intégrer les objets représentés par ces nuages de points dans des calculs éléments finis car l'intégration de ces nuages de points requiert la reconstruction de la variété ainsi que la génération d'un maillage surfacique qu'il faut intégrer dans un maillage volumique. Ces opérations sont souvent basées sur des processus itératifs et sont extrêmement coûteuses en temps car les nuages de points utilisés sont de très grande taille. La méthodologie développée dans cette thèse permet d'immerger des nuages de points dans un domaine maillé sans passer par les étapes de reconstruction de surface et de génération de maillage. On utilise la technique d'immersion de volume adaptée aux nuages de points. Cette technique est couplée avec une méthode d'adaptation de maillage. Cela nous permettra de générer un maillage anisotropique adapté autour des zones d'intérêt. On utilise ensuite la méthode variationnelle multi-échelle afin de simuler des écoulements fluides. Cette technique est une extension de la méthode éléments finis classique permettant de simuler des écoulements à forte convection et à haut nombre de Reynolds. La dernière partie de ce manuscrit présente quelques cas d'application dans le domaine aérodynamique, hydrodynamique et urbains.

National audience; Grâce à une faible variation de la permittivité des polymères des hyperfréquences jusqu’à la fréquence optique d’une part, et au progrès dans la synthèse de chromophores de forte hyperpolarisabilité d’autre part, les polymères électro-optiques (EO) présentent un très fort potentiel pour la réalisation de composants opto-hyperfréquences de très large bande passante (110 GHz) et de faible tension de commande (< 1 V). Pour augmenter et concrétiser ce potentiel des polymères EO, des efforts sont à fournir pour améliorer leur effet EO et leurs propriétés fonctionnelles. Nous explorons une approche innovante qui consiste à incorporer des nanoparticules dans des polymères EO, en tirant profit de l’important effet de surface des nanoparticules sur les propriétés des polymères, comme cela a été démontré par une équipe de l’Université du Mans. La première étape de ce travail est la dispersion de nanoparticules et de chromophores dans une matrice polymère afin d’obtenir un mélange homogène et stable, condition indispensable à l’obtention de films, sans court-circuit ni craquelures, réalisés par spin-coating. Pour ce faire, nous avons associé le tensio-actif CTAB (bromure de cétrimonium) avec la sonication pour réaliser des films composites PMMA-DR1-TiO2, dont la résistivité est nettement améliorée grâce à une meilleure dispersion du chromophore DR1 (Red Disperse 1) et des nanoparticules TiO2 (dioxyde de titane) dans la matrice polymère PMMA (poly(méthacrylate de méthyle)).

International audience

Collective motions, deserts of mobile dunes and flows of giant micellles share in common the fact that the local injection of energy leads to complex collective dynamics. At a microscopic level, interactions may remain unknown or they reach a such level of complexity that it is necessary to simplify the elementary ingredients. Models allow to understand the weight of each ingredients on the global dynamics. We then get an understandable picture. This is the main goal of minimal models.But the underlying ideas on universality and minimal models have a narrower and a more accurate meaning in the framework of at-equilibrium statistical physics. Such concepts are linked to the existence of continuous transition. Similar theoretical results do not exist for driven systems. Then the data analysis of numerical simulations are usually done following analogies with critical phenomena.Here, we present three cases at three different steps of study. For collective motions, we show that analogies with ferromagnetic materials lead to wrong conclusions. A long careful study of numerical simulations reveals a discontinuous phase transition. An instability leads to a non-linear dynamical pattern which gets similar characteristics to solitary waves. Other recent studies make analogies with smectic phases.Models of deserts of dunes allow to understand the effects of the different dunes interactions. Thus we explained how deserts could self-organise in time and in space. When models are used far from the geophysical hypotheses, we get behaviours which have already been observed in other out-of-equilibrium physical systems: percolation, reaction-diffusion, mass transfer. However we show that none of those analogies are fully conclusive in regard to our results.Last, in considering flows of solutions of giant micelles, we propose a minimal model in the aim to give a better understanding of the mechanisms of shear banding.; Les mouvements collectifs d'animaux, les déserts de dunes mobiles etles écoulements de micelles géantes ont ceci de commun que l'injection d'énergie au niveau local conduit à une dynamique collective complexe. Les interactions au niveau microscopique peuvent être inconnues, ou alors sont tellement complexes qu'il est nécessaire de simplifier les ingrédients élémentaires. La modélisation permet de comprendre le poids de chacun des ingrédients sur la dynamique globale. On en obtient ainsi un tableau causal intelligible. C'est le premier intérêt des modèles minimaux.Mais les concepts d'universalité et de modèles minimaux ont une signification bien établie et plus restreinte dans le cadre de la physique statistique des systèmes à l'équilibre. Ils sont attachés à l'existence de transitions continues. Un cadre théorique équivalent à celui des phénomènes critiques n'existe pas lorsque le système est maintenu loin de l'équilibre. L'analyse des données issues des simulations numériques est habituellement réalisée par analogie en suivant les résultats analytiques obtenus à l'équilibre.Nous présentons trois cas à différentes étapes du projet de recherche. Dans le cas des mouvements collectifs, nous montrons que les analogies avec les matériaux ferromagnétiques ont mené à des conclusions erronées. Une longue étude critique des simulations numériques a montré que la transition est discontinue. Une instabilité dans les assemblées en mouvement produit un motif spatio-temporel similaire à une onde solitaire. D'autres études récentes proposent une nouvelle analogie avec les phases smectiques.Les modèles de déserts de dunes permettent d'ordonner les effets des différentes interactions entre dunes. Ainsi, nous avons donné une explication à l'auto-organisation des déserts. Lorsque les modèles sont étudiés sans prendre en compte leur dimension géophysique, nous obtenons des comportements déjà observés dans d'autres modèles de physique statistique hors d'équilibre~: percolation, réaction-diffusion, transfert de masse. Cependant nous montrons qu'aucune analogie ne permet d'expliquer de manière convainquante nos résultats.Enfin, considérant les écoulements de solutions de micelles géantes, nous proposons un modèle minimal permettant de mieux comprendre les mécanismes à l'oeuvre dans les écoulements en bande de cisaillement.

Collective motions, deserts of mobile dunes and flows of giant micellles share in common the fact that the local injection of energy leads to complex collective dynamics. At a microscopic level, interactions may remain unknown or they reach a such level of complexity that it is necessary to simplify the elementary ingredients. Models allow to understand the weight of each ingredients on the global dynamics. We then get an understandable picture. This is the main goal of minimal models.But the underlying ideas on universality and minimal models have a narrower and a more accurate meaning in the framework of at-equilibrium statistical physics. Such concepts are linked to the existence of continuous transition. Similar theoretical results do not exist for driven systems. Then the data analysis of numerical simulations are usually done following analogies with critical phenomena.Here, we present three cases at three different steps of study. For collective motions, we show that analogies with ferromagnetic materials lead to wrong conclusions. A long careful study of numerical simulations reveals a discontinuous phase transition. An instability leads to a non-linear dynamical pattern which gets similar characteristics to solitary waves. Other recent studies make analogies with smectic phases.Models of deserts of dunes allow to understand the effects of the different dunes interactions. Thus we explained how deserts could self-organise in time and in space. When models are used far from the geophysical hypotheses, we get behaviours which have already been observed in other out-of-equilibrium physical systems: percolation, reaction-diffusion, mass transfer. However we show that none of those analogies are fully conclusive in regard to our results.Last, in considering flows of solutions of giant micelles, we propose a minimal model in the aim to give a better understanding of the mechanisms of shear banding.; Les mouvements collectifs d'animaux, les déserts de dunes mobiles etles écoulements de micelles géantes ont ceci de commun que l'injection d'énergie au niveau local conduit à une dynamique collective complexe. Les interactions au niveau microscopique peuvent être inconnues, ou alors sont tellement complexes qu'il est nécessaire de simplifier les ingrédients élémentaires. La modélisation permet de comprendre le poids de chacun des ingrédients sur la dynamique globale. On en obtient ainsi un tableau causal intelligible. C'est le premier intérêt des modèles minimaux.Mais les concepts d'universalité et de modèles minimaux ont une signification bien établie et plus restreinte dans le cadre de la physique statistique des systèmes à l'équilibre. Ils sont attachés à l'existence de transitions continues. Un cadre théorique équivalent à celui des phénomènes critiques n'existe pas lorsque le système est maintenu loin de l'équilibre. L'analyse des données issues des simulations numériques est habituellement réalisée par analogie en suivant les résultats analytiques obtenus à l'équilibre.Nous présentons trois cas à différentes étapes du projet de recherche. Dans le cas des mouvements collectifs, nous montrons que les analogies avec les matériaux ferromagnétiques ont mené à des conclusions erronées. Une longue étude critique des simulations numériques a montré que la transition est discontinue. Une instabilité dans les assemblées en mouvement produit un motif spatio-temporel similaire à une onde solitaire. D'autres études récentes proposent une nouvelle analogie avec les phases smectiques.Les modèles de déserts de dunes permettent d'ordonner les effets des différentes interactions entre dunes. Ainsi, nous avons donné une explication à l'auto-organisation des déserts. Lorsque les modèles sont étudiés sans prendre en compte leur dimension géophysique, nous obtenons des comportements déjà observés dans d'autres modèles de physique statistique hors d'équilibre~: percolation, réaction-diffusion, transfert de masse. Cependant nous montrons qu'aucune analogie ne permet d'expliquer de manière convainquante nos résultats.Enfin, considérant les écoulements de solutions de micelles géantes, nous proposons un modèle minimal permettant de mieux comprendre les mécanismes à l'oeuvre dans les écoulements en bande de cisaillement.

International audience; La simulation en mécanique des fluides numérique nécessite dans de nombreux cas la réalisation manuelle de modèles3D. Cette étape est fastidieuse et nécessite des compétences spécifiques. Nous proposons une méthode pourréaliser directement des simulations d’écoulements sur des modèles 3D numérisés. A la différence des chaînes detraitement classiques, notre méthode permet de construire un maillage volumique tétraédrique anisotrope adaptéautour d’une surface échantillonnée par points, sans passer par une étape de reconstruction de surface. La chaînede traitement que nous présentons permet ainsi d’automatiser la simulation d’écoulements à partir de nuages depoints. Elle permet également d’obtenir un meilleur contrôle sur la précision géométrique proche de la surfacetout en gardant un nombre de noeuds de calcul limité, ce qui représente un enjeu crucial en mécanique de fluides.Computational fluid dynamics (CFD) requires in many cases designing 3D models manually, which is a tedioustask that requires specific skills. In this paper, we present a novel method to perform CFD directly on scanned3D models. Unlike the other classic workflows, ours allows to build an anisotropic volumetric tetrahedral meshadapted around a point-sampled surface, without surface reconstruction step. The workflow we present allows usto compute flows around point sampled geometries automatically. It gives us also a better control on precisionaround the surface with a limited number of computational nodes, which is a critical issue in CFD.