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The research works briefly reviewed in this dissertation deal with questions related to the use of data in interactive simulations for applications in medicine and soft robotics. Geometrical modeling, (bio-)mechanical modeling as well as optimization techniques to reduce the computational footprint are presented. Using patient- specific or environment data with optimization techniques and simulation enables more realistic and predictive models and opens the way for new applications. Several examples are presented in the manuscript where our simulations were fed with data from medical images, videos streams or pre-operative data in order to provide more accurate medical simulations to provide better diagnoses or in the context of soft-robotics where visual servoing provides a more robust and stable control of soft-robots.; Les travaux de recherche examinés dans ce manuscrit traitent des questions liées à l’utilisation des données dans les simulations interactives pour des applications en médecine et en robotique déformable. La modélisation géométrique, la modélisation (bio-)mécanique ainsi que les techniques d’optimisation pour réduire l’empreinte de calcul sont présentées. L’utilisation de données spécifiques au patient ou à l’environnement avec des techniques d’optimisation et de simulation permet des modèles plus réalistes et prédictifs et ouvre la voie à de nouvelles applications. Plusieurs exemples sont présentés dans le manuscrit où nos simulations ont été alimentées avec des données provenant d’images médicales, de flux vidéo ou de données préopératoires afin de fournir des simulations médicales plus précises pour fournir de meilleurs diagnostics ou dans le contexte de la robotique déformable où l’asservissement visuel fournit un contrôle plus robuste et stable des robots souples.

Non-invasively estimating brain microstructure that consists of a very large number of neurites, somas, and glial cells is essential for future neuroimaging. Diffusion MRI (dMRI) is a promising technique to probe brain microstructural properties below the spatial resolution of MRI scanners. Due to the structural complexity of brain tissue and the intricate diffusion MRI mechanism, in vivo microstructure estimation is challenging.Existing methods typically use simplified geometries, particularly spheres, and sticks, to model neuronal structures and to obtain analytical expressions of intracellular signals. The validity of the assumptions made by these methods remains undetermined. This thesis aims to facilitate simulationdriven brain microstructure estimation by replacing simplified geometries with realistic neuron geometry models and the analytical intracellular signal expressions with diffusion MRI simulations. Combined with accurate neuron geometry models, numerical dMRI simulations can give accurate intracellular signals and seamlessly incorporate effects arising from, for instance, neurite undulation or water exchange between soma and neurites.Despite these advantages, dMRI simulations have not been widely adopted due to the difficulties in constructing realistic numerical phantoms, the high computational cost of dMRI simulations, and the difficulty in approximating the implicit mappings between dMRI signals and microstructure properties. This thesis addresses the above problems by making four contributions. First, we develop a high-performance opensource neuron mesh generator and make publicly available over a thousand realistic cellular meshes.The neuron mesh generator, swc2mesh, can automatically and robustly convert valuable neuron tracing data into realistic neuron meshes. We have carefully designed the generator to maintain a good balance between mesh quality and size. A neuron mesh database, NeuronSet, which contains 1213 simulation-ready cell meshes and their neuroanatomical measurements, was built using the mesh generator. These meshes served as the basis for further research. Second, we increased the computational efficiency of the numerical matrix formalism method by accelerating the eigendecomposition algorithm and exploiting GPU computing. The speed was increased tenfold. With similar accuracy, the optimized numerical matrix formalism is 20 times faster than the FEM method and 65 times faster than a GPU-based Monte Carlo method. By performing simulations on realistic neuron meshes, we investigated the effect of water exchange between somas and neurites, and the relationship between soma size and signals. We then implemented a new simulation method that provides a Fourier-like representation of the dMRI signals. This method was derived theoretically and implemented numerically. We validated the convergence of the method and showed that the error behavior is consistent with our error analysis. Finally, we propose a simulation-driven supervised learning framework to estimate brain microstructure using diffusion MRI. By exploiting the powerful modeling and computational capabilities that are mentioned above, we have built a synthetic database containing the dMRI signals and microstructure parameters of 1.4 million artificial brain voxels. We have shown that this database can help approximate the underlying mappings of the dMRI signals to volume and surface fractions using artificial neural networks.; L'estimation non invasive de la microstructure du cerveau, qui se compose de nombreux neurites, de somas et de cellules gliales, est essentielle pour l'imagerie cérébrale. L'IRM de diffusion (IRMd) est une technique prometteuse pour sonder les propriétés microstructurelles du cerveau en dessous de la résolution spatiale des scanners IRM. En raison de la complexité structurelle du tissu cérébral et du mécanisme complexe de l'IRM de diffusion, l'estimation de la microstructure in vivo est un défi. Les méthodes existantes utilisent généralement des géométries simplifiées, notamment des sphères et des bâtons, pour modéliser les structures neuronales et obtenir des expressions analytiques des signaux intracellulaires. La validité des hypothèses faites par ces méthodes reste indéterminée. Cette thèse vise à faciliter l'estimation de la microstructure du cerveau par simulation en remplaçant les géométries simplifiées par des modèles réalistes de la géométrie des neurones et les expressions analytiques des signaux intracellulaires par des simulations d'IRM de diffusion. Combinées à des modèles précis de la géométrie des neurones, les simulations numériques d'IRMd peuvent donner des signaux intracellulaires précis et incorporer les effets dus, par exemple, à l'ondulation des neurites ou à l'échange d'eau entre le soma et les neurites.Malgré ces avantages, les simulations d'IRMd n'ont pas été largement adoptées en raison de l'inaccessibilité des fantômes numériques, de la faible efficacité de calcul des simulateurs d'IRMd et de la difficulté d'approximer les mappings implicites entre les signaux d'IRMd et les propriétés de la microstructure. Cette thèse contribue à la résolution des problèmes susmentionnés de la manière suivante : (1) en développant un générateur de maillage de neurones open-source et en rendant accessibles au public plus d'un millier de maillages cellulaires réalistes ; (2) en augmentant d'un facteur dix l'efficacité de calcul de la méthode du formalisme matriciel numérique ; (3) en mettant en œuvre une nouvelle méthode de simulation qui fournit une représentation de type Fourier des signaux IRMd ; (4) en proposant un cadre d'apprentissage supervisé basé sur la simulation pour estimer la microstructure du cerveau par IRM de diffusion.

An accurate description of the morphometry of the lung and airways, which are in line with the morphometric observations, is essential to perform numerical simulations related to the respiratory system. The lung is a complex organ, both because of its respiratory functions and of its particular structure. The airways are assembled together as a dichotomous tree with asymmetric bifurcations, that allows the transport of oxygen and carbon dioxide between the ambient air and the exchange surface with blood.During the thesis, we focused on the creation of a tool to create 3D representations of the morphological structures of the lungs, lobes and bronchial tree. This tool is patient-dependant and is based on the use of thoracic CT scans. The resulting meshes are used for numerical simulations modelling the lung compression during breath-hold diving.We first develop a 2.5D method for segmenting the lung lobes and the first generations of the bronchial tree. This algorithm is based on Deep-Learning methods, notably the U-Net architecture. We perform 2D segmentations of each slice for each axis (axial, coronal and sagittal) of the CT-Scan, allowing to compute a 3D matrix of predictions for each axis. Subsequently, we implemented a tool to combine and make the best of each prediction to generate 3D segmentations of the lung lobes and of the bronchi that are visible on the CT-Scans.Next, we implement a new step by step algorithm to generate patient-specific 3D models of the medium and small airways that are not visible in the CT-Scans. This model is based on the works of Tawhai et al. and Kitaoka et al., which we combine and update to take advantage of each method. We also develop original methods to build the tree structure. The resulting model for the bronchial tree reproduces well the lung morphometry. Our method uses as input data 3D reconstructions of the morphological envelopes of the lung lobes and of the first two levels of airway bifurcations. The mesh of the lung envelope is decomposed step-by-step in sets of sub-volumes of decreasing sizes. An airway is generated for each sub-volume using an original method that is based on how air could feed each sub-volume in an optimal way. The result is a hierarchical decomposition of the mesh of the lung volume and the mesh of the generated airway tree. The statistics of the airway tree resulting from our algorithm is validated against sets of morphometric data from the literature. The meshes resulting from our algorithm are generated to be directly usable by classical numerical methods, such as finite elements or finite volumes.Finally, we study the compression of the lungs during breath-hold diving, where the respiratory system is submitted to extreme conditions such as high water pressure. We define a system of equations that models the effect of the dive on the lung, and then perform numerical simulations using finite elements to refine our predictions. The results of these simulations are used to predict the lung volumes during the descent and to evaluate the effect of an emblematic phenomenon occurring during deep diving, called the "blood shift". The "Blood Shift" is a physical and physiological reaction of the body whose effect is to redirect the blood flow to vital organs (brain, heart and lungs), de facto protecting them from hypoxia and high pressure. These numerical simulations provide a visual representation of the compressed lungs throughout the dive and allow to determine a first order of magnitude of the stress suffered by the lung during deep diving.This work allows to build a whole, realistic, personalised model of the lung and to better understand its physiology, such as during apnea diving.; Une description précise de la morphométrie du poumon et des voies respiratoires, conforme aux observations morphométriques, est essentielle pour réaliser des simulations numériques liées au système respiratoire. Le poumon est un organe complexe, tant par ses fonctions respiratoires que par sa structure particulière. Les voies respiratoires se présente comme un arbre dichotomique avec des bifurcations asymétriques, permettant le transport de l'oxygène et du dioxyde de carbone entre l'air ambiant et la surface d'échange avec le sang. Cette thèse présente la création d'un outil permettant de créer des représentations 3D des morphologiques des lobes pulmonaires et de l'arbre bronchique. Cet outil est dépendant du patient et utilise des CT-Scan. Les maillages obtenus sont utilisés pour des simulations numériques modélisant la compression des poumons au cours d'une plongée en apnée. Nous avons développé une méthode 2.5D pour segmenter les lobes pulmonaires et les premières générations de l'arbre bronchique. Cet algorithme est une méthode de segmentation par Deep-Learning, basé sur l'architecture U-Net. Nous effectuons des segmentations 2D de chaque coupe pour chaque axe (axial, coronal et sagittal) du CT-Scan, permettant de calculer une matrice 3D de prédictions pour chaque axe. Nous avons implémenté une méthode permettant de combiner et d'optimiser chaque prédiction pour générer des segmentations 3D des lobes pulmonaires et des bronches visibles sur les CT-Scan. Nous avons implémenté un nouvel algorithme déterministe pour générer des modèles 3D spécifiques au patient des voies respiratoires moyennes et petites qui ne sont pas visibles sur les CT-Scans. Ce modèle est basé sur les travaux de Tawhai et al. et Kitaoka et al., que nous combinons et actualisons pour tirer parti de chaque méthode. Nous développons également des méthodes originales pour construire l'arborescence. Le modèle de l'arbre bronchique obtenu s'inscrit bien la morphométrie du poumon. Notre méthode utilise comme entrée des reconstructions 3D des lobes pulmonaires et des deux premiers niveaux de bifurcations des voies aériennes. Le maillage de l'enveloppe pulmonaire est successivement décomposé en ensembles de sous-volumes de tailles décroissantes. Une branche est générée pour chaque sous-volume à l'aide d'une méthode originale qui se base sur le flux d'air alimentant chaque sous-volume de façon optimale. Le résultat est une décomposition hiérarchique du maillage du volume pulmonaire et la création d'un maillage de l'arbre bronchique. Les statistiques de l'arbre bronchique généré respectent l'ensembles de données morphométriques de la littérature. Les maillages obtenus par notre algorithme sont utilisables par des méthodes numériques classiques, telles que les éléments finis ou les volumes finis.Nous avons étudié la compression des poumons lors de la plongée en apnée, où le système respiratoire est soumis à des conditions extrêmes telles qu'une pression d'eau élevée. Nous définissons un système d'équations qui modélise l'effet de la plongée sur le poumon, puis nous effectuons des simulations numériques à l'aide d'éléments finis pour affiner nos prédictions. Les résultats de ces simulations sont utilisés pour prédire les volumes pulmonaires pendant la descente et pour évaluer l'effet d'un phénomène emblématique se produisant pendant la plongée profonde, appelé le "blood shift". Le "Blood Shift" est une réaction physique et physiologique du corps dont l'effet est de rediriger le flux sanguin vers les organes vitaux (cerveau, cœur et poumons), les protégeant de facto de l'hypoxie et de la haute pression. Ces simulations numériques fournissent une représentation visuelle des poumons comprimés et permettent de déterminer un premier ordre de grandeur du stress subi par le poumon lors de la plongée profonde. Ce travail permet de construire un modèle complet, réaliste et personnalisé du poumon et de mieux comprendre sa physiologie, notamment lors de la plongée en apnée.

The aim of this thesis is to implement a more realistic description of the structural and chemical heterogeneities. In many alloys and for instance in the steels used as structural materials in nuclear power plant pressurized reactors, solute can segregate to grain boundaries under thermal ageing or irradiation. These solute segregations can affect the mechanical properties of the materials, by either reinforcing the grain boundary cohesion (like carbon) or reducing it (like phosphorous). In order to predict the segregation of these solutes, models such as the ones derived by Mac Lean for binary systems or Guttmann for multi-component systems, require the knowledge of solute – grain boundary energies, which depend on the grain boundary characteristics. These data can be obtained by simulation at the atomic scale and are currently known only for few high symmetry tilt grain boundaries (e. g. ∑3, ∑5). In this work, six different (100) twist grain boundaries with more complex structure than tilt grain boundaries, that span low to high angle misorientations generated in for Fe have been investigated. Due to their complex structure, their minimum ground state structure is difficult to determine. A large part of this thesis has been dedicated to the establishment of twist grain boundary construction methodologies. This work relies heavily on EP calculations made and analyses the diversity of grain boundaries constructed. Usually, classical ɣ-method is used. In this thesis two methods using ɣ-method as an initial step have been developed. The addition of SIA sequentially inside a twist grain boundary structure, permits to approach a ground state, however a combination of a melt and quench treatment and addition of SIA seems to be more efficient to find a ground state grain boundary microstructure. The interaction of twist grain boundary constructed, with phosphorus has been calculated and analyzed based on different descriptors. White Coghlan segregation model which is adapted for atomistic studies has been used to quantify phosphorus segregation. The integration of the impact phosphorus segregation behavior on microstructure evolution in Kinetic Monte Carlo simulations is the subject of a future work. These advances will permit to envisage more quantitative simulations under PWR-type irradiation conditions over several decades of operation, and to better understand the radiation damage mechanisms of ferritic alloys at different scales; Le but de cette thèse est de mettre en œuvre une description plus réaliste des hétérogénéités structurelles et chimiques. Dans de nombreux alliages comme les aciers utilisés en tant que matériaux de structure dans les réacteurs sous pression des centrales nucléaires, les solutés peuvent venir ségréger au niveau des joints de grains par vieillissement thermique ou irradiation. Ces ségrégations de solutés peuvent affecter les propriétés mécaniques des matériaux, soit en renforçant la cohésion de la limite du joint de grain (comme le carbone) ou en la réduisant (comme le phosphore). Afin de prédire la ségrégation de ces solutés, les modèles tels que ceux dérivés par Mac Lean pour les systèmes binaires ou Guttmann pour les systèmes multi-composants, nécessitent la connaissance des énergies soluté – joint de grain, qui dépendent des caractéristiques des joints de grain. Ces données peuvent être obtenues par simulation à l’échelle atomique et ne sont actuellement connues que pour quelques joints de grain de flexion à symétrie élevée (par exemple : ∑3 et ∑5). Dans ce travail, on a étudié six joints de grain de torsion (100) différents, dont la structure est par définition plus complexe que les joints de grain de flexion, qui s’étendent sur des désorientations de faibles à élevées, générés pour Fe. En raison de leur structure complexe, les microstructures de plus basse énergie sont difficiles à déterminer. Une grande partie de cette thèse a été consacrée à l’établissement de méthodologies de construction des joints de grains de torsion. Ce travail s’appuie fortement sur les calculs en potentiel empiriques et l’analyse la diversité des joints de grain de torsion construits. La ɣ-méthode est la méthode la plus communément utilisée pour trouver un joint de grain de plus basse énergie. Dans cette thèse, deux méthodes utilisant la méthode ɣ comme première étape de construction, ont été développées. L’ajout de SIA séquentiellement à l’intérieur d’une structure de joint de grain de torsion permet d’approcher l’état de minimum d’énergie, mais une combinaison d’un traitement de fusion et de trempe et l’ajout de SIA séquentiellement semble être plus efficace pour déterminer une microstructure de plus basse énergie. L’interaction d’un joint de grain de torsion avec le phosphore a été calculée et analysée à partir de différents descripteurs. Le modèle de ségrégation de White Coghlan, adapté aux études atomistiques, a été utilisé pour quantifier la ségrégation du phosphore. L’intégration de l’impact du comportement de ségrégation du phosphore sur l’évolution de la microstructure dans les simulations de Monte Carlo Cinétique fera l’objet de futures études. Ces avancées permettront d’envisager des simulations plus quantitatives dans des conditions d’irradiation de type REP sur plusieurs décennies d’exploitation, et de mieux comprendre les mécanismes de dommages par rayonnement des alliages ferritiques à différentes échelles

In the realm of applied mathematics, this Ph.D. proposal is related to the numerical solution of partial differential equations through the discretization of the associated dependent variables. In the frame of finite element analysis, it is focused on the construction of high-order schemes on polygonal meshes. The industrial application of such developments is the solution to the Boltzmann equation that describes the transport of neutrons within the core of a nuclear reactor. In this context, many modern codes use a finite-element-based discretization (more precisely, an upwind discontinuous Galerkin scheme) on triangular or quadrilateral meshes spanning the spatial domain. This efficient and versatile method is well suited for the development of adaptive mesh refinement techniques. The objective of this Ph.D. work is the analysis and the development of such a scheme optimised for honeycomb meshes (i.e composed of regular hexagons) that are typical of the assembly pattern in sodiumcooled fast reactors. From the application point of view, this optimisation is required in order to improve the time-consuming multiphysics simulations of accidental transient for such reactors. In order to reach this goal, the idea is to construct high-order finite element bases over the hexagon. In particular, the development of such a new scheme will encompass a p−adaptive mesh refinement procedure that requires an a posteriori error estimation in such a way that the scheme order can be locally increases in order to decrease the error in an optimal way with respect to the computational time.; Cette proposition de thèse s'inscrit dans le cadre mathématique de la résolution numérique d'équations aux dérivées partielles par le biais d'une discrétisation des variables dépendantes. Elle s'intéresse, dans un formalisme d'éléments finis, à la construction de schémas d'ordre élevé (au sens de l'espace discrétisé) sur des maillages polygonaux. Le cadre industriel applicatif est la résolution de l'équation de Boltzmann appliquée au transport des neutrons dans le cœur d'un réacteur nucléaire. Dans ce contexte, beaucoup de codes modernes de calcul s'appuient sur une discrétisation par éléments finis (plus précisément, un schéma Galerkin discontinu décentré amont) pour des maillages triangulaires ou quadrilatères du domaine spatial. Cette méthode performante et polyvalente est propice au développement de méthodes de raffinement de maillage adaptatives. L'objectif de cette thèse est l'analyse et le développement d'un tel schéma optimisé pour des maillages en “nid d'abeille” (pavage hexagonal régulier) caractéristiques des réseaux d'assemblages des réacteurs rapides refroidis au sodium. Du point de vue applicatif, cette optimisation est requise pour l'amélioration des simulations multiphysiques coûteuses des transitoires accidentels de ces réacteurs. Pour atteindre cet objectif, on cherchera à mettre au point des bases d'éléments finis d'ordre élevé écrites directement sur l'hexagone. En particulier, on s'intéressera pour ce nouveau schéma au raffinement adaptatif en ordre qui requiert une estimation de l'erreur de discrétisation a posteriori pour permettre d'augmenter localement l'ordre du schéma afin de réduire l'erreur de manière optimale vis-à-vis du coût de calcul.

Flavins are derivatives of vitamin B2 that form a highly versatile group of chromophores found in a large variety of enzymes and photoreceptor proteins. They can adopt three different redox states with various protonation states, leading to at least five physiologically relevant forms, with distinct electronic absorption spectra. Despite the diverse photophysical properties of the flavin cofactors, there are only very few natural photo-responsive flavoproteins. The vast majority of flavoproteins perform non-light-driven physiological functions (“non-photoactive”), although ultrafast, reversible photoinduced redox reactions between flavins and surrounding residues still widely occur in these systems, which can be viewed as photo-protective “self-quenching”. The past few decades have seen a blooming in the study of flavoproteins for their photocatalytic and photo-biotechnological applications. Moreover, a newly emerging approach in the development of novel photocatalysts from canonical “non-photoactive” flavoenzymes is making use of the photochemistry of reduced flavins instead of the oxidized resting state. Furthermore, practical implications of photochemistry of yet different flavin species are envisaged, but a basic understanding of their mechanisms is still required. In this thesis, applying ultrafast absorption and fluorescence spectroscopy combined with molecular simulations and quantum chemistry approaches, a variety of fundamental photochemical processes in flavoproteins is investigated. First the photoreduction of oxidized flavins was revisited in a flavoprotein, ferredoxin-NADP+ oxidoreductase (FNR), with closely packed reactant configurations, allowing ultrafast formation of intermediate radical pairs. Combining experimental and modeling techniques allowed a detailed assessment of the influence of the environment on the spectral properties of both the anionic flavin and the cationic amino acid (tyrosine or tryptophan) radicals. We further investigated the photochemistry of protein-bound flavin species in different chemical states that are largely unexplored in the literature. It is demonstrated that photooxidation of anionic flavin radicals, which act as reaction intermediates in many biochemical reactions, efficiently occurs within ~100 fs in several flavoprotein oxidases. This process, effectively the reverse of the well-known photoreduction of oxidized flavin may constitute a universal decay pathway. The excited-state properties of fully reduced flavins were studied in several FNR systems where they are involved as functional intermediates, and compared with those in solution. Valuable information concerning their electronic structures and the flavin flexibility was obtained and compared with atomic simulations, with important catalytic implications. Finally, an unprecedented photo-dissociation phenomenon was revealed for a non-covalent charge transfer complex of flavin and a inhibitor in the flavoenzyme monomeric sarcosine oxidase. This process occurs on the timescale of a few hundred femtoseconds and can be attributed to a well-defined photoinduced isomerization of the inhibitor. Altogether, the described findings, which include the discovery of two hitherto undocumented photochemical processes in flavoproteins, expand the repertoire of photochemistry involving flavin cofactors. This work may open new avenues for the exploration of flavin photochemistry with ultimately possible practical implications as novel photocatalysts and optogenetic tools., Les flavines sont des dérivés de la vitamine B2 qui forment un groupe de chromophores très polyvalents présents dans une grande variété d'enzymes et de protéines photoréceptrices. Elles peuvent adopter trois états redox différents avec divers états de protonation, menant à au moins cinq formes physiologiquement pertinentes, avec des spectres d'absorption électronique distincts. Malgré les propriétés photophysiques diverses des cofacteurs flavine, il n'y a que très peu de flavoprotéines naturellement photoréactives. La grande majorité des flavoprotéines remplissent des fonctions physiologiques non générées par la lumière ("non-photoactives"), bien que des réactions d'oxydoréduction photo-induites ultra-rapides et réversibles entre les flavines et les résidus proches s’y produisent largement, ce qui peut être considéré comme "auto-quenching" photo-protectrice. Ces dernières décennies, l'étude des flavoprotéines a connu un essor pour leurs applications photocatalytiques et photo-biotechnologiques. De plus, une nouvelle approche émergeant dans le développement de nouveaux photocatalyseurs à partir de flavoenzymes canoniques "non-photoactives" utilise la photochimie de flavines réduites au lieu de l'état de repos oxydé. En outre, des implications pratiques de la photochimie d'espèces de flavine encore différentes sont envisagées, mais une compréhension fondamentale de leurs mécanismes est requise. Dans cette thèse, par l'application de spectroscopie d'absorption et de fluorescence ultrarapide combinée avec des simulations moléculaires et d’approches de chimie quantique, une variété de processus photochimiques fondamentaux dans les flavoprotéines est étudiée. Tout d'abord, la photoréduction des flavines oxydées a été revisitée dans une flavoprotéine, la ferrédoxine-NADP+ oxydoréductase (FNR), ayant des configurations des réactifs très compactes, permettant la formation ultrarapide de paires de radicaux intermédiaires. La combinaison de techniques expérimentales et de modélisation a permis une évaluation détaillée de l'influence de l'environnement sur les propriétés spectrales des radicaux anioniques de flavine et cationiques d'acide aminé (tyrosine ou tryptophane). Par ailleurs, nous avons étudié la photochimie de flavines liées aux protéines dans différents états chimiques largement inexplorés dans la littérature. Il est démontré que la photooxydation des radicaux anioniques de flavine, qui agissent comme des intermédiaires de réaction dans de nombreuses réactions biochimiques, se produit efficacement en ~100 fs dans plusieurs flavoprotéines oxydases. Ce processus, qui est effectivement l'inverse de la photoréduction bien connue de la flavine oxydée, pourrait constituer une voie de désactivation universelle. Les propriétés de l'état excité des flavines complétement réduites ont été étudiées dans plusieurs systèmes FNR où elles sont impliquées comme intermédiaires fonctionnels, et comparées à celles en solution. Des informations précieuses concernant leurs structures électroniques et la flexibilité des flavines ont été obtenues et comparées avec des simulations atomiques, avec des implications catalytiques importantes. Enfin, un phénomène de photo-dissociation sans précédent a été révélé pour un complexe de transfert de charge non covalent de la flavine et d'un inhibiteur dans la flavoenzyme sarcosine oxydase monomérique. Ce processus se produit sur une échelle de temps de quelques centaines de femtosecondes et peut être attribué à une isomérisation photoinduite bien définie de l'inhibiteur. Dans l'ensemble, les résultats décrits, qui incluent la découverte de deux processus photochimiques jusqu'alors non documentés dans les flavoprotéines, élargissent le répertoire de la photochimie impliquant des cofacteurs de flavine. Ce travail peut ouvrir de nouvelles voies pour l'exploration de la photochimie des flavines avec, à terme, des implications pratiques possibles comme nouveaux photocatalyseurs et outils optogénétiques.

International audience; La modélisation atmosphérique à très fine échelle permet d’analyser la dynamique de l’îlot dechaleur urbain en contexte de topographie complexe. Deux simulations (Urbaine et Non-Urbaine) mettenten évidence les effets associés à l'urbanisation. La taille des agglomérations, dans le cas de Lyon etGrenoble, n'influence pas la différence de température entre les deux simulations. Les conditions destabilité influencent fortement ces différences. L'ICU peut être intensifié par l'affaiblissement du vent oul’effet de piégeage et/ou le développement d’une couche d’inversion.

The numerical simulation codes based on element and finite volume methods require discretizing the studied domain - for example a mechanical part such as a motor, an airplane wing, a turbine, etc. - using a mesh. In 3 dimensions, a mesh is a set composed of simple volumic elements, most often tetrahedrons or hexahedra, which partition the field of study. The choice of tetrahedrons or hexahedra is mainly dictated by the application (fluid-structure interaction, hydrodynamics, etc.). If the automatic generation of tetrahedral meshes is a relatively controlled process today, generating hexahedral meshes is still an open problem. This is problematic for applications that just imperatively require hexahedral meshes since their generation is done semi-automatically, which can take several weeks to several months of engineer time! While the time devoted to the digital simulation process itself tends to decrease due to the power of the machines used, the bottleneck is now in the preparation of the data, namely to obtain a CAD model adapted to the computation, then generate a mesh.It is in this context that we propose to develop a hybrid approach combining:1. The development of (semi) -automatic algorithms for generating and modifying block-structured hexahedral meshes;2. The implementation of an interactive graphic software dedicated to the manipulation of block structures. The interaction mechanisms will also be used to guide the algorithms in their decision-making, whether at initialization (criteria to be affixed to particular CAD entities) or in the course of an algorithm (decision between several options on which the algorithm cannot pronounce itself).The objective of this thesis is therefore not to provide a universal automatic solution, which seems unattainable at present, but rather to reduce the engineering time devoted to the generation of the mesh by providing more adapted tools. In this context, we propose to place the study as an extension of [LED10, KOW12, GAO15, GAO17], which considered the problem of simplification and enrichment of hexahedral meshes by insertion and removal of mesh layers. In all these works, the proposed algorithms are simple 'greedy' algorithms where the mesh is modified step by step to converge towards a final solution Ef: At each step Ei, one makes the hypothesis that the 'best' solution Ef will be obtained by making the 'optimal' choice for Ei. However, in operational research, such an approach is known to be perfectible since the problem of optimization treated is nonlinear. The idea is to use usual approaches in operational research and more specifically multi-agent systems, coupled to interactive tools, to allow the generation of block structures on complex CA0s.; Les codes de simulation numérique reposant sur des méthodes de type éléments et volumes finis requièrent de discrétiser le domaine étudié – par exemple une pièce mécanique telle qu’un moteur, une aile d’avion, une turbine, etc. – à l’aide d’un maillage. En dimension 3, un maillage est un ensemble composé d’éléments volumique simples, le plus souvent des tétraèdres ou des hexaèdres, qui partitionnent le domaine d’étude. Le choix de tétraèdres ou d’hexaèdres est principalement dicté par l’application (interaction fluide-structure, hydrodynamique, etc.). Si la génération automatique de maillages tétraédriques est un processus relativement maîtrisé aujourd’hui, générer des maillages hexaédriques est toujours un problème ouvert. Ceci est problématique pour les applications qui justement nécessitent impérativement des maillages hexaédriques puisque leur génération se fait de façon semi-automatique, ce qui peut prendre plusieurs semaines à plusieurs mois de temps ingénieur ! Alors que le temps consacré au processus de simulation numérique à proprement parler tend à diminuer du fait de la puissance des machines utilisées, le goulot d’étranglement est désormais dans la préparation des données, à savoir obtenir un modèle de CAO adapté au calcul, puis en générer un maillage.C’est dans ce contexte que s’inscrit la thèse proposée en suivant une approche hybride mêlant :1.Le développement d’algorithmes (semi)-automatiques pour générer et modifier des maillages hexaédriques structurés par blocs ;2.La mise en place d’un logiciel graphique interactif dédié à la manipulation de structures de blocs. Les mécanismes d’interaction seront en outre utilisés pour guider les algorithmes dans leurs prises de décision, que ce soit à l’initialisation (critères à apposer sur des entités particulières de CAO) ou en cours d’algorithme (décision entre plusieurs options sur lesquelles l’algorithme ne peut se prononcer seul).L’objectif de cette thèse n’est donc pas de fournir une solution automatique universelle, ce qui semble inatteignable actuellement, mais plutôt de réduire le temps ingénieur consacré à la génération du maillage en fournissant des outils plus adaptés. Dans cette optique, nous proposons de placer l’étude dans le prolongement de [LED10, KOW12, GAO15, GAO17], où est considéré le problème de simplification et d’enrichissement de maillages hexaédriques par insertion et suppression de couches de mailles. Dans tous ces travaux, les algorithmes proposés sont des algorithmes simples de type « glouton » où le maillage est modifié pas à pas pour converger vers une solution finale Ef : A chaque étape Ei, on fait l’hypothèse que la « meilleure » solution Ef sera obtenue en faisant le choix « optimal » pour Ei. Or en recherche opérationnelle, une telle approche est connue comme perfectible dès lors que le problème d’optimisation traité est non linéaire. L’idée est donc d’utiliser des approches usuelles en recherche opérationnelle et plus spécifiquement des systèmes multi-agents, couplées à des outils interactifs, pour permettre la génération de structures de blocs sur des CA0 complexes.

Currently, bio-based insulating building materials are designed with the goal of reducing energy and non-renewable resource consumption. Once their multiphysical properties are characterized at the material scale, it is necessary to study their behavior at the wall andbuilding scale. The experimental and numerical study at the wall scale is performed in a controlled environment. The test wall in bio-sourced materials is implemented as a partition wall of a bi-climatic device, which allows to simulate indoor and outdoor climates. These climates correspond to French and Tunisian summer and mid-season climates. The numerical simulations are performed with the WUFI Pro 6.5 software. The hygrothermal behavior of the wall is analyzed from the kinetics and profiles of temperature, relative humidity and vapor pressure. The thermal and hygric resistances of the wall are identified. The behavior in dynamic regime is characterized by the damping and the phase shift of temperature and vapor pressure as well as by flow balances. The in-situ study concerns a renovated hemp concrete building located in Normandy. The results are analyzed in terms of thermal comfort, energy consumption and hygrothermal behavior of hemp concrete walls., Actuellement, les matériaux de construction isolants biosourcés sont conçus dans le but de réduire les consommations d'énergie et de ressources non renouvelables. Une fois que leurs propriétés multiphysiques sont caractérisées à l'échelle du matériau, il est nécessaire d'étudier leur comportement à l'échelle de la paroi et du bâtiment. L’étude expérimentale et numérique à l'échelle de la paroi est réalisée en ambiance contrôlée. Le mur d'essai en matériaux bio-sourcés est implémenté comme mur de séparation d'un dispositif bi-climatique, qui permet de simuler des climats intérieurs et extérieurs. Ces climats correspondent à des climats français et tunisiens estivaux et de mi-saison. Les simulations numériques sont réalisées avec le logiciel WUFI Pro 6.5. Le comportement hygrothermique de la paroi est analysé à partir des cinétiques et des profils de température, d’humidité relative et de pression de vapeur. Les résistances thermique et hygrique de la paroi sont identifiées. Le comportement en régime dynamique est caractérisé par l’amortissement et le déphasage de température et de pression de vapeur ainsi que par des bilans de flux. L’étude in-situ porte sur un bâtiment rénové en béton de chanvre situé en Normandie. Les résultats sont analysés en terme de confort thermique, de consommations énergétiques et de comportement hygrothermique de parois en béton de chanvre.

Currently, bio-based insulating building materials are designed with the goal of reducing energy and non-renewable resource consumption. Once their multiphysical properties are characterized at the material scale, it is necessary to study their behavior at the wall and building scale. The experimental and numerical study at the wall scale is performed in a controlled environment. The test wall in bio-sourced materials is implemented as a partition wall of a bi-climatic device, which allows to simulate indoor and outdoor climates. These climates correspond to French and Tunisian summer and mid-season climates. The numerical simulations are performed with the WUFI Pro 6.5 software. The hygrothermal behavior of the wall is analyzed from the kinetics and profiles of temperature, relative humidity and vapor pressure. The thermal and hygric resistances of the wall are identified. The behavior in dynamic regime is characterized by the damping and the phase shift of temperature and vapor pressure as well as by flow balances. The in-situ study concerns a renovated hemp concrete building located in Normandy. The results are analyzed in terms of thermal comfort, energy consumption and hygrothermal behavior of hemp concrete walls.; Actuellement, les matériaux de construction isolants biosourcés sont conçus dans le but de réduire les consommations d'énergie et de ressources non renouvelables. Une fois que leurs propriétés multiphysiques sont caractérisées à l'échelle du matériau, il est nécessaire d'étudier leur comportement à l'échelle de la paroi et du bâtiment. L’étude expérimentale et numérique à l'échelle de la paroi est réalisée en ambiance contrôlée. Le mur d'essai en matériaux bio-sourcés est implémenté comme mur de séparation d'un dispositif bi-climatique, qui permet de simuler des climats intérieurs et extérieurs. Ces climats correspondent à des climats français et tunisiens estivaux et de mi-saison. Les simulations numériques sont réalisées avec le logiciel WUFI Pro 6.5. Le comportement hygrothermique de la paroi est analysé à partir des cinétiques et des profils de température, d’humidité relative et de pression de vapeur. Les résistances thermique et hygrique de la paroi sont identifiées. Le comportement en régime dynamique est caractérisé par l’amortissement et le déphasage de température et de pression de vapeur ainsi que par des bilans de flux. L’étude in-situ porte sur un bâtiment rénové en béton de chanvre situé en Normandie. Les résultats sont analysés en terme de confort thermique, de consommations énergétiques et de comportement hygrothermique de parois en béton de chanvre.

National audience; Les dégâts causés en milieu urbain par les inondations et pluies diluviennes peuvent être catastrophiques. Les outils de modélisation peuvent aider à prédire l'évolution de certains phénomènes et permettent d'esquisser les différents scénarios possibles...

To encourage a wider use of electric vehicles, Lithium-ion (Li-ion) batteries are required to handle high electric currents, generating great heat loads which deteriorate their performances and lifespan. The thermal management of the battery packs is a key element to fulfill these industrial demands. Immersion cooling technology stands as a promising solution in terms of heat transfer performances. Multi-physics processes govern those systems, from the internal chemistry of Li-ion cells to the heat transfer at the battery pack scale powering the electric engine. This thesis aims to develop numerical models of immersion cooling systems for Li-ion batteries considering the uncertainties coming from the physical parameters. This issue is addressed by proposing two models of increasing fidelity. Firstly, a low fidelity model is developed, including the thermal and electrical phenomena of the immersion cooling problem. Uncertainty quantification methods (Bayesian calibration and sensitivity analysis) coupled with original experimental data provide a deeper knowledge on the overall behavior of the system. Secondly, a more specific approach is performed using a high fidelity Computational Fluid Dynamics (CFD) model solving the transient conjugate heat transfer in an immersed battery pack in two dimensions. This CFD tool is used to assess the accuracy of a constructed model for the internal resistance of Li-ion batteries. Uncertainties coming from the internal resistance are taken into account thanks to the parameterization of this model and calibrated using an experimental test case from literature. Furthermore, for a better understanding of the immersion cooling physics, the fidelity of the CFD model is increased by considering 3D simulations and an enhanced internal resistance model.; Pour promouvoir une utilisation plus large des véhicules électriques, les batteries Lithium-ion (Li-ion) se doivent de supporter des courants électriques importants, générant ainsi de fortes contraintes thermiques qui dégradent leurs performances et leur durée de vie. La gestion thermique des packs de batteries est donc un élément crucial pour répondre à ces nouvelles contraintes industrielles. La technologie de refroidissement par immersion est une solution prometteuse en termes de performances thermiques. Ces systèmes sont gouvernés par des phénomènes multi-physiques,allant de la chimie interne des batteries jusqu’au transfert thermique à l’échelle du pack de batteries alimentant le moteur électrique. Cette thèse a pour objectif de développer des modèles numériques pour le refroidissement par immersion des batteries Li-ion, tout en considérant les incertitudes pro-venant des paramètres physiques en jeu.Cette problématique est abordée en proposant deux modèles de fidélités croissantes. D’abord,un modèle dit basse fidélité est développé, incluant la modélisation des phénomènes thermiques et électriques du problème. Des méthodes de quantification d’incertitudes (calibration Bayésienne et analyse de sensibilité) couplées avec des données expérimentales originales offrent ainsi des éléments de compréhension et d’analyse sur le comportement global du système. Ensuite, une approche plus spécifique est présentée à l’aide d’un code de calcul CFD haute fidélité. Le calcul du transfert thermique conjugué sous régime transitoire en deux dimensions d’un pack de batteries immergées est ainsi réalisé. Cet outil est utilisé pour évaluer la précision d’un modèle construit apriori, représentant la résistance interne des batteries Li-ion. Les incertitudes provenant de la résistance sont prises en compte grâce à la paramétrisation de ce modèle et calibrées en utilisant un cas test expérimental de la littérature. Enfin, pour obtenir une meilleure compréhension de la physique de ces problèmes de refroidissement par immersion, la fidélité de l’outil CFD est augmentée en considérant des calculs de transfert thermiques en 3D, ainsi qu’un modèle de résistance interne amélioré.

High energy density matter is at the heart of many physical systems such as stellar plasmas or fusion plasmas, for example. The best way to recreate these extreme conditions in the laboratory is to use ultra-high intensity lasers (10¹⁷⁻²³ W/cm²) with ultrashort pulses (~ ten of femtoseconds). The study of the rich and complex physics resulting from these interaction systems requires the use of numerical simulation. The particle-in-cell (PIC) codes are particularly suitable tools for these spatial (~ nm) and temporal (~ fs) scales. However, in their original formulation, they do not allow inter-particle interactions to be taken into account, thus leading to neglect atomic physics processes and radiative transport. This observation led to their coupling with Monte Carlo (MC) algorithms, often based on the estimation of the cross section of the considered process. Although this contribution allowed to integrate a certain number of processes into the main PIC codes, the latter often present partial description of atomic physics, in particular for high density plasmas (ni > 10²² cm⁻³) and moderate temperature (Te < 1 keV). To overcome this defect, we propose a PIC-MC model of atomic and radiative physics including: (i) the lowering of ionization potentials due to density effects; (ii) the collisional ionization resolved on the atomic fine structure; (iii) the three-body recombination; (iv) the atomic de-excitation by cascade based on instantaneous (radiative and Auger) emission tables; (v) the photoionization; (vi) the radiative recombination; (vii) the Compton scattering. The effect of these processes will be illustrated in the CALDER code, developed at CEA/DAM, in the context of out-of-equilibrium plasmas undergoing thermalization or in the interaction of solid aluminum targets with ultra-high intensity lasers or X photonic beams such as those emitted by free-electron lasers.; La matière à haute densité d'énergie est au coeur de nombreux systèmes physiques tels que les plasmas stellaires ou les plasmas de fusion, par exemple. Le meilleur moyen de recréer ces conditions extrêmes en laboratoire est l'utilisation de lasers d'ultra-haute intensité (10¹⁷⁻²³ W/cm²) présentant des impulsions ultracourtes (~ dizaine de femtosecondes). L'étude de la physique riche et complexe qui découle de ces systèmes d'interaction nécessite de faire appel à la simulation numérique. Les codes de type particle-in-cell (PIC) sont des outils particulièrement adaptés à ces échelles spatiale (~ nm) et temporelle (~ fs). Cependant, ils ne permettent pas, dans leur formulation originelle, de prendre en compte les interactions inter-particules, les amenant donc à négliger les processus de physique atomique ou le transport radiatif. Ce constat a mené à leur couplage avec des algorithmes de type Monte Carlo (MC), souvent basés sur l'estimation de la section efficace du processus considéré. Bien que cet apport ait permis d'intégrer un certain nombre de processus dans les principaux codes PIC, ces derniers présentent une description souvent partielle de la physique atomique, en particulier pour les plasmas à forte densité (ni > 10²² cm⁻³) et de température modérée (Te < 1 keV). Pour pallier ce défaut, nous proposons un modèle PIC-MC de physique atomique et radiative comprenant : (i) l'abaissement des potentiels d'ionisation dû aux effets de densité ; (ii) l'ionisation collisionnelle résolue sur la structure atomique fine ; (iii) la recombinaison à trois corps ; (iv) la désexcitation atomique par cascade basée sur des tables d'émission (radiative et Auger) instantanée ; (v) la photoionisation ; (vi) la recombinaison radiative ; (vii) la diffusion Compton. L'effet de ces processus sera illustré dans le code CALDER, développé au CEA/DAM, dans des contextes de plasmas hors-équilibre en cours de thermalisation ou encore dans l'interaction de cibles solides d'Aluminium avec des lasers d'ultra-haute intensité ou des faisceaux photoniques X tels que ceux issus des lasers à électrons libres.

This thesis focuses on the so-called fine-scale dynamics of the ocean spectrum, ranging from sub-mesoscale processes to the largest turbulent eddy scales leading to the direct Richardson cascade, itself ending up to molecular mixing. The properties of the ocean's water masses are partly ascribed to this irreversible mixing. While energy transfers in the direct cascade are well-known since Kolmogorov (1941)'s work, observations of the instabilities leading to those scales are few and their numerical simulation is seldom carried out, so that fine-scale dynamics constitutes a real Terra Incognita (Scotti, 2010). Improvements in efficiency of computation means and numerical models, along with new algorithms, now allow for the simulation of the largest turbulent eddies and the study of this Terra Incognita. An exploration of fine-scale dynamics is performed in the strait of Gibraltar linking the Mediterranean sea to the Atlantic ocean. In this area, water masses of contrasting density meet over an uneven, relatively shallow seafloor, where the tidal amplitude is large. Fine-scale processes are a consequence of these forcing in the strait : an hydraulic control of the flow evolves over each tidal period, generating and then relaxing an internal hydraulic jump. Mixing by shear instabilities is amplified when this jump is active, and the propagation of a train of internal solitary waves toward the Mediterranean sea follows. The generation of solitary waves and the shear instabilities in the strait of Gibraltar are studied in this manuscript through numerical simulations, and in-situ observations, the latter having been carried out during a dedicated oceanographic campaign. Simulation of the fine scale dynamics is made possible by the developments of the non-hydrostatic, compressible, free-surface kernel of CROCO detailed in chapter (2). Regional simulations of the strait are then addressed in two steps : first as a dynamically-simplified 2D configuration then as a 3D, realistic, LES configuration. The latter configuration allows to study the link between tidal forcing, hydraulic control, and mixing, and its evolution during the spring/neap tidal cycle. Indeed, an original explicit simulation of large turbulent eddies has been carried out : the turbulent eddies have consequently been localized in the region of the sills and their intensification with the spring/neap cycle has been highlighted. Propagation of solitary waves in simulations is compared to mooring observations, pointing to a secondary generation mechanism in the strait for neap tide periods. A sensitivity study of the characteristics of turbulent eddies and water masses to subgrid models is also performed. The final chapter of this manuscript revolves around the quantification of mixing based on the evolution of potential energy. A new term is added to the evolution equation of this quantity to take into account the variations of volume with free-surface movements. A careful evaluation of this equation in increasingly complex and realistic flow conditions proves that this term cannot be neglected, highlighting its importance when evaluating mixing with sufficient accuracy.; Cette thèse se focalise sur la région du spectre océanique dit des fines échelles, s'étendant des processus de sous-mésoéchelles jusqu'aux grandes structures turbulentes qui amorcent la cascade de Richardson directe menant elle-même au mélange moléculaire. C'est ce mélange, processus irréversible, qui fixe les propriétés des masses d'eaux circulant dans les bassins océaniques. Si la cascade directe est plutôt bien décrite depuis les travaux de Kolmogorov (1941), les instabilités qui l'amorcent dans l'océan sont peu observées et encore moins simulées, le domaine des fines échelles constitue en quelque sorte une "Terra Incognita" (Scotti, 2010). L'amélioration des performances des moyens de calcul et des modèles numériques, couplés à de nouveaux algorithmes, permettent néanmoins désormais d'aborder la simulation des grandes structures turbulentes et donc d'étudier cette Terra Incognita. Une exploration originale de la fine échelle est proposée dans la région du détroit de Gibraltar qui relie la mer Méditerranée à l'océan Atlantique. Là, se rencontrent des masses d'eaux de densités très différentes au-dessus d'un relief accidenté et relativement peu profond où l'amplitude de la marée est non-négligeable. Des processus de fine échelle émergent de l'interaction de ces éléments dans le détroit, rythmé par le cycle de la marée semi-diurne : un contrôle hydraulique du flux dans le détroit évolue au cours du cycle de marée, entraînant la formation puis la relaxation d'un ressaut hydraulique interne. Lorsqu'il est en place, ce ressaut amplifie le mélange lié aux instabilités de cisaillement dans la veine méditerranéenne, et sa relaxation marque le début de la propagation d'un train d'ondes internes solitaires vers la mer Méditerranée. Propagation des trains de solitons et instabilités de cisaillement dans le détroit de Gibraltar ont été étudiés pendant cette thèse par la simulation numérique, mais aussi au cours d'une campagne d'observation dédiée. La simulation des fines échelles dans le détroit est rendue possible grâce au développement original du coeur non-hydrostatique, compressible et à toit libre du code CROCO, présenté dans le chapitre 2 de ce manuscrit. La simulation régionale du détroit est ensuite abordée en deux temps : tout d'abord est élaborée une configuration 2D verticale qui permet d'évaluer les paramètres numériques à un faible coût numérique avec une dynamique correcte à l'échelle de la marée. Cette méthodologie est ensuite appliquée à une configuration 3D réaliste qui constitue une LES océanique originale. Cette maquette a été utilisée pour étudier la variabilité du lien entre forçage de marée, évolution du contrôle hydraulique, et intensité du mélange au cours du cycle mortes-eaux vives-eaux. En effet, les grandes structures turbulentes, simulées explicitement, ont été localisées au niveau des seuils, et une intensification de leur génération est observée en période de vives-eaux. La propagation des trains d'ondes solitaires, quant à elle, est mise en relation avec des observations de mouillage, et révèle un mécanisme secondaire de génération des ondes internes de grande amplitude dans le détroit lors des mortes-eaux. Une étude de sensibilité des grandes structures turbulentes et, par rétroaction, des caractéristiques des masses d'eaux à la fermeture sous-maille est aussi proposée. Le dernier chapitre aborde la question de la quantification du mélange diapycnal en se basant sur l'évolution de l'énergie potentielle. Un nouveau terme a été ajouté au bilan de cette quantité pour prendre en compte l'évolution du volume avec les mouvements de la surface libre. L'application a des cas tests de complexité et de réalisme croissants montre que ce terme est non-négligeable, sa prise en compte permettant de proposer une évaluation précise du mélange turbulent.

L’exposé s’appuiera sur trois travaux importants de mathématiques appliquées réalisés avant l’apparition de l’ordinateur : Francis Bashforth et l’action capillaire (1883), Carl Størmer et les aurores boréales (1907), Georges Lemaître et les rayons cosmiques (1936). Ces situations présentent toutes les caractéristiques de ce que nous appelons aujourd’hui modélisation mathématique et simulation numérique. Dans les trois cas, on rencontre plusieurs représentations d’un phénomène physique qui se valident mutuellement et qui, considérées dans leur ensemble, constituent un modèle du phénomène. Par ailleurs, les scientifiques impliqués ont été amenés à créer par eux-mêmes des méthodes originales – numériques, graphiques et instrumentales – pour traiter les systèmes complexes d’équations différentielles apparaissant dans leurs recherches. Ces nouvelles méthodes de calcul ont contribué de manière essentielle à la naissance de l’analyse numérique en tant que discipline mathématique autonome dans la première moitié du vingtième siècle.

The PhD thesis presented in this work is dedicated to the innovative method of plastic injection mould production. This method combines laser additive technology, namely, the Laser Metal Deposition (LMD) and technique of laser treatment aiming to reduce the residual stresses. Therefore, the main objective of the present work is to optimize and analyze the proposed fabrication method regarding the final properties of deposited parts. The parametrical study of “single-bead”, multi-bead “wall” and multi-bead “cube” LMD has been carried out. The LMD of cubic specimens has been analyzed with respect to the density, residual stresses and microstructure in order to find the optimal deposition parameters. The optimal LMD parameters have been verified during the longtime deposition of cubic and cylindrical specimens in a single operating session and after multiple pauses. The fatigue resistance as well as the density, microhardness and microstructure were then evaluated. The numerical simulation has been also performed to predict the thermal fields generated during LMD. Finally, this thesis includes the numerical and experimental study of laser treatment process aiming to reduce the residual stresses and avoid the possible long-lasting post-treatment such as aging., La thèse de doctorat présentée dans ce travail est consacrée à une méthode innovante de production de moules d'injection plastique. Cette méthode combine la technologie additive laser, notamment le rechargement par injection coaxiale de poudre (LMD) et la technique de traitement laser visant à réduire les contraintes résiduelles. Par conséquent, l'objectif principal du présent travail est d'optimiser et d'analyser la méthode de fabrication proposée en ce qui concerne les propriétés finales des pièces déposées. L'étude paramétrique de LMD des "simples cordons", des structures de type "mur" et des "cubes" a été réalisée. La LMD d'échantillons cubiques a été analysée en fonction de la densité, des contraintes résiduelles et de la microstructure afin d’obtenir les paramètres optimaux de LMD. Les paramètres optimaux de LMD ont été vérifiés lors du dépôt à long terme d'échantillons cubiques et cylindriques en une seule et plusieurs fois. La tenue en fatigue ainsi que la densité, la microdureté et la microstructure ont ensuite été évaluées. La simulation numérique a également été réalisée pour prédire les champs thermiques générés pendant le procédé LMD. Enfin, cette thèse comprend l'étude numérique et expérimentale du processus de traitement laser (de détentionnement) visant à réduire les contraintes résiduelles et à éviter les post-traitements durables tels que le vieillissement.

Considerable effort has been devoted by the scientific community over the last decades to a better understanding of wall-bounded turbulence, mainly for canonical flows. However, the numerical simulation of these flows is often limited in terms of Reynolds number due to the excessive computational effort required by DNS and WRLES approaches, resulting in a much lower Reynolds number than those typically observed in industrial flows. The present work aims at studying wall-bounded turbulence of non-canonical flows at higher Reynolds numbers than those affordable by means of DNS or WRLES, employing a WMLES approach: ZDES mode 3. In particular, in the simulations considered here, non-equilibrium conditions are obtained by pressure gradient and curvature effects in a first test case, and by means of a mild separation and reattachment of the boundary layer in a second test case. Moreover, a preliminary study of upstream perturbations effects on boundary layers in pressure gradient conditions is presented. The presence of resolved turbulence in the ZDES mode 3 simulations allows to better take into account non-equilibrium effects and hence, a more reliable prediction of the mean field is obtained when compared to RANS simulations, giving particularly accurate results downstream of reattachment in the second test case. In addition, the in-depth analysis of the turbulence resolved by ZDES mode 3 has enabled to better quantify the wall-bounded turbulence dynamics and its deviation from equilibrium in the configurations considered., La communauté scientifique a consacré des efforts importants depuis plusieurs décennies visant à une meilleure compréhension de la turbulence pariétale, principalement sur des configurations d’écoulements canoniques. Toutefois, la simulation numérique de ces derniers est souvent menée à un nombre de Reynolds limité par le coût de calcul des approches DNS et WRLES, et significativement inférieur aux valeurs typiquement retrouvées dans les applications industrielles. Cette thèse étudie numériquement des écoulements de couche limite hors équilibre sur des configurations non canoniques à des nombres de Reynolds plus élevés que ceux atteignables à coût abordable par les approches DNS et WRLES, en utilisant une approche WMLES, la ZDES mode 3. En particulier, des conditions hors équilibre sont obtenues dans un premier cas test par des effets de gradient de pression et de courbure, et dans un deuxième cas test par un décollement mince et recollement de la couche limite. De plus, une étude préalable des effets de sensibilité aux conditions amont des couches limites en gradients de pression est réalisée. La présence de turbulence résolue dans les simulations ZDES mode 3 permet une meilleure prise en compte des effets hors équilibre qui se traduit par une meilleure prévision du champ moyen comparé aux prévisions en approche RANS, donnant une reproduction des données expérimentales particulièrement remarquable en aval du recollement pour le deuxième cas test. Par ailleurs, des analyses approfondies de la turbulence résolue par la ZDES mode 3 ont permis une meilleure caractérisation de la dynamique de la turbulence pariétale et de son écart à l’équilibre dans les cas étudiés.

The works presented in this thesis aim to develop new technologies for the integration of active components in the PCB core. They are based on the use of a pressed metal foam to ensure the electrical and thermal contacts of the top and bottom sides of the chips. This new technology has the advantage of being cheap and allows reducing the parasitic inductance.Electrical, thermal and mechanical characterization studies have been carried out on this new integration technology. The objective is to identify the thermomechanical properties of the interconnection materials, mainly those of the metal foam. The development of a numerical model has reinforced this study aiming to estimate and localize the thermomechanical stresses in the assembly. Finally, a reliability study has been carried out by performing accelerated aging tests (active and passive thermal cycling). The objective here is to identify the weakness areas and to estimate the lifetime of the proposed assemblies. The obtained results are promising compared to conventional power modules. A new method (on-line) to estimate the junction temperature during active thermal cycling has been developed. It is based on the use of voltage variations ΔVF and forward current ΔIF during the conduction phase. The validation tests revealed promoting results., Les travaux présentés dans cette thèse visent à développer de nouvelles technologies d'intégration de composants actifs au cœur du PCB. Elles sont basées sur l'utilisation de mousses métalliques pressées pour assurer les contacts électrique et thermique des faces avant et arrière des puces. Cette nouvelle technologie présente l'avantage d'être peu coûteuse et permet de réduire l'inductance parasite.Des travaux de caractérisations électrique, thermique et mécanique ont été menés sur cette nouvelle technologie d'intégration. L'objectif est de déterminer les propriétés thermomécaniques des matériaux d'interconnexion, principalement ceux de la mousse métallique. La mise en œuvre d'un modèle numérique multi-physique a renforcée cette étude en vue d'estimer et de localiser les contraintes thermomécaniques dans l'assemblage. Finalement, une étude de fiabilité a été menée à travers la mise en œuvre d'essais de vieillissement accélérés (cyclage thermique actif et passif). L'objectif ici est d'identifier les zones de fragilité et d'estimer la durée de vie des assemblages proposés. Les résultats obtenus sont encourageants en comparaison aux modules de puissances classiques. Une nouvelle méthode (on-line) d'estimation de la température de jonction lors du cyclage thermique actif a été développée. Elle est basée sur l'utilisation des variations de tension ΔVF et du courant direct ΔIF lors de la phase de conduction. Les travaux de validation ont révélé des résultats promoteurs.

This study focuses on the characterization of nonstationary, weakly nonlinear, weakly damped mechanical systems, subjected to an unknown ambient excitation modeled as white Gaussian noise. A theoretical analysis using a novel approach of a one degree of freedom system, whose dynamic response is investigated in time domain as a Markov process, allows simple relations to be established on the expectation and standard deviation of its amplitude and instantaneous frequency. This theoretical study of the system behavior is coupled with the use of the Continuous Wavelet Transform (CWT) ridge, which gives the amplitude and instantaneous frequency of its vibrations. A discussion on the tuning of the mother wavelet function for the analysis of these signals is presented. A simple procedure based on the use of the CWT, characterizing the system's nonlinear, nonstationary behavior, is then proposed. Finally, numerical simulations are carried out, and the proposed method is implemented. Results show good agreement with those of the theoretical study.

The context of this PhD work is the mesoscopic modeling of active matter. The aim of this PhD work is to propose and to study a novel type of propulsion mechanism for an isotropic colloid. The results presented in this work rely on numerical simulations using Brownian dynamics. First, the dynamics of one colloid in a bath of solute particles is studied. This colloid catalyzes a reaction in its vicinity, which transforms purely repulsive solute particles into Lennard-Jones (LJ) ones. The key parameters of the model are varied: the solute density, the intensity of the attraction between LJ solute particles, and the reaction area radius. First, the mean squared displacement of the colloid is computed and exhibits characteristics of activity: the diffusion coefficient at long times is enhanced compared to the reference one in a system at equilibrium. A state diagram gathers the results for all the parameters studied, which clarifies for which set of parameters activity emerges. Second, the microscopic mechanism is unveiled: the LJ fluid demixes for suitable parameters, solute particles can aggregate and form droplets. This leads to strong density fluctuations in the vicinity of the colloid, which are quantified with the polarization vector of solute particles around the colloid introduced in this chapter. The autocorrelation function of the polarization vector is analyzed and shows that the fluctuations of orientation can persist during a characteristic persistence time. On the basis of the ABP model, a coarse-grained equation to model the dynamics of the colloid is proposed, where the polarization vector ρ plays the role of the source of the biased motion. A thorough analysis of the MSD derived from this equation confirms the identified mechanism: the persistence of the density fluctuations generates the self-propulsion. A key parameter that controls whether their is activity and its intensity emerges, namely the filling fraction of the reaction area. Indeed, at a low filling fraction, the LJ fluid around colloids is in a gaseous state, droplets cannot form, consequently there are no density fluctuations. In contrast, at high filling fractions, the reaction area is densily filled which hinders the colloid motion. At intermediate filling fractions, all the conditions are met for self-propulsion and enhanced diffusion at long times. Finally, the robustness of the model is challenged in this chapter by varying: the size ratio between the colloid and the solute particles, the reverse reaction rate, and the location of the reverse reaction. These modifications alter the geometry of the reaction area, but the mechanism identified still holds and activity still emerges. A 3D simulations is also performed, where the colloid also self-propels due to the demixion of the LJ fluid. Second collective effect that emerge from a suspension of active colloids is studied. Finally, preliminary work on an extension of the model, where different types of active monomers are mixed together., Le contexte de ce travail de thèse est la modélisation mésoscopique de la matière active. L'objectif de ce travail de thèse est de proposer et d'étudier un nouveau type de mécanisme de propulsion pour un colloïde isotrope. Les résultats présentés dans ce travail reposent sur des simulations numériques utilisant la dynamique brownienne. Dans un premier temps, la dynamique d'un colloïde dans un bain de particules de soluté est étudiée. Ce colloïde catalyse une réaction dans son voisinage, qui transforme les particules de soluté purement répulsives en particules de Lennard-Jones (LJ). On fait varier les paramètres clés du modèle : la densité du soluté, l'intensité de l'attraction entre les particules de soluté LJ, et le rayon de la zone de réaction. Tout d'abord, le déplacement quadratique moyen du colloïde est calculé et présente des caractéristiques d'activité : le coefficient de diffusion aux temps longs est augmenté par rapport au coefficient de référence dans un système à l'équilibre. Un diagramme d'état rassemble les résultats pour tous les paramètres étudiés, ce qui clarifie pour quel ensemble de paramètres l'activité émerge. Ensuite, le mécanisme microscopique est dévoilé : le fluide LJ se démixe pour des paramètres appropriés, les particules de soluté peuvent s'agréger et former des gouttelettes. Cela conduit à de fortes fluctuations de densité au voisinage du colloïde, qui sont quantifiées avec le vecteur de polarisation des particules de soluté autour du colloïde introduit dans ce chapitre. La fonction d'autocorrélation du vecteur de polarisation est analysée et montre que les fluctuations d'orientation peuvent persister pendant un temps de persistance caractéristique. Sur la base du modèle ABP, une équation à gros grain est proposée pour modéliser la dynamique du colloïde, où le vecteur de polarisation ρ joue le rôle de la source du mouvement biaisé. Une analyse approfondie de la DMS dérivée de cette équation confirme le mécanisme identifié : la persistance des fluctuations de densité génère l'auto-propulsion. Un paramètre clé qui contrôle l'existence d'une activité et son intensité émerge, à savoir la fraction de remplissage de la zone de réaction. En effet, à une faible fraction de remplissage, le fluide LJ autour des colloïdes est à l'état gazeux, les gouttelettes ne peuvent pas se former, par conséquent il n'y a pas de fluctuations de densité. En revanche, à des fractions de remplissage élevées, la zone de réaction est densément remplie, ce qui entrave le mouvement des colloïdes. Pour les fractions de remplissage intermédiaires, toutes les conditions sont réunies pour l'auto-propulsion et la diffusion améliorée aux temps longs. Enfin, la robustesse du modèle est mise à l'épreuve dans ce chapitre en faisant varier : le rapport de taille entre le colloïde et les particules de soluté, le taux de réaction inverse, et la localisation de la réaction inverse. Ces modifications altèrent la géométrie de la zone de réaction, mais le mécanisme identifié tient toujours et l'activité émerge toujours. Une simulation 3D est également réalisée, où le colloïde s'auto-propulse également en raison de la démixtion du fluide LJ. Un deuxième effet collectif qui émerge d'une suspension de colloïdes actifs est étudié. Enfin, un travail préliminaire sur une extension du modèle, où différents types de monomères actifs sont mélangés.

Cette étude porte sur l'utilisation de la Transformée en Ondelettes Continue (TOC) pour caractériser les systèmes mécaniques faiblement non-linéaires et faiblement amortis, soumis à une excitation ambiante modélisée sous forme de bruit blanc gaussien. Après une analyse théorique de ces systèmes, dont la réponse est étudiée dans le plan temps-fréquence, une méthode de caractérisation de leurs non-linéarités basée sur la TOC est proposée. Enfin, des simulations numériques basées sur un cas d'étude simple permettent d'étayer les résultats théoriques avancés.

Additive manufacturing allows a greater freedom of geometry thanks to the layer-by-layer construction of the parts from a CAD model. Reparation, prototyping and functionalisation are the main applications of the additive processes. Therefore, many challenges are still to overcome in order to master those processes. One of the main challenges is the dimensions of the parts built by metallic additive manufacturing.The Direct Energy Deposition technologies, specifically powder fed Laser Metal Deposition, are a solution to build parts without neither dimension nor geometric limitations. Experimental and numerical work has been conducted in the objective of improving the understanding of this process. This work focus on mastering high mechanical performances as well as predict bead geometry thanks to the numerical simulation.Three martensitic stainless steel showing high mechanical performances (YS> 1000MPa, UTS> 1200 MPa et E%>12%) are obtained. A specific attention has been paid to the microstructure and its stability during the build-up the volumes. The effect of the heat treatments on the mechanical properties was investigated to improve the performances.A new numerical strategy simulating the freeform of the melt pool surface has been developped. The strategy allow the modelisation of the bead’s geometry from process parameters without any thermo-fluid calculation. The model is able to reproduce the bead’s thickness evolution during a wall build-up in short computation time., La fabrication additive offre des libertés de conception et d’utilisation accrues grâce à l’obtention de pièces couche par couche à partir d’un modèle CAO. La réparation de pièces, le prototypage et l’ajout de fonctionnalités sont à l’heure actuelle les principales applications des procédés additifs. Dans ce contexte de nombreux challenges restent à résoudre pour atteindre la maitrise de ces procédés. L’un des principaux verrous à l’utilisation de la fabrication additive métallique reste la dimension des pièces pouvant être obtenues. La catégorie de technologie Direct Energy Deposition (DED), en particulier le dépôt de poudres par fusion laser, offre une solution à ce verrou en construisant la matière sans limites de dimension ni de forme. Afin d’augmenter la compréhension de ce procédé des travaux à la fois expérimentaux et numérique ont été conduit. Ces travaux s’attachent à la maitrise d’aciers à très hautes performances pour la production de planchers blindés ainsi qu’à la prédiction de la géométrie de cordon par la simulation numérique dans des temps de calcul très court.L’obtention de trois aciers inoxydable martensitique présentant de très hautes performances mécaniques (Re> 1000MPa, Rm> 1200 MPa et A%>12%) a été réalisée grâce à la maitrise des conditions thermiques au cours de la fabrication. Une attention particulière est portée sur la stabilité de la microstructure lors de la construction d’un volume par Laser Metal Deposition – poudre. L’évolution de comportement mécanique de ces matériaux en fonction de traitements thermiques et de la direction de sollicitation est également discuté.Une nouvelle stratégie numérique permettant l’obtention de la forme de la surface libre du bain fondu au moment de la solidification a été développée. Cette stratégie numérique permet de modéliser la géométrie des cordons à partir des paramètres procédés sans réaliser de calcul thermo-fluide. Le modèle numérique est également capable de reproduire l’affaissement de l’épaisseur de couche au cours de la construction d’un mur dans des temps de calcul très courts.

Flavins are derivatives of vitamin B2 that form a highly versatile group of chromophores found in a large variety of enzymes and photoreceptor proteins. They can adopt three different redox states with various protonation states, leading to at least five physiologically relevant forms, with distinct electronic absorption spectra. Despite the diverse photophysical properties of the flavin cofactors, there are only very few natural photo-responsive flavoproteins. The vast majority of flavoproteins perform non-light-driven physiological functions (“non-photoactive”), although ultrafast, reversible photoinduced redox reactions between flavins and surrounding residues still widely occur in these systems, which can be viewed as photo-protective “self-quenching”. The past few decades have seen a blooming in the study of flavoproteins for their photocatalytic and photo-biotechnological applications. Moreover, a newly emerging approach in the development of novel photocatalysts from canonical “non-photoactive” flavoenzymes is making use of the photochemistry of reduced flavins instead of the oxidized resting state. Furthermore, practical implications of photochemistry of yet different flavin species are envisaged, but a basic understanding of their mechanisms is still required. In this thesis, applying ultrafast absorption and fluorescence spectroscopy combined with molecular simulations and quantum chemistry approaches, a variety of fundamental photochemical processes in flavoproteins is investigated. First the photoreduction of oxidized flavins was revisited in a flavoprotein, ferredoxin-NADP+ oxidoreductase (FNR), with closely packed reactant configurations, allowing ultrafast formation of intermediate radical pairs. Combining experimental and modeling techniques allowed a detailed assessment of the influence of the environment on the spectral properties of both the anionic flavin and the cationic amino acid (tyrosine or tryptophan) radicals. We further investigated the photochemistry of protein-bound flavin species in different chemical states that are largely unexplored in the literature. It is demonstrated that photooxidation of anionic flavin radicals, which act as reaction intermediates in many biochemical reactions, efficiently occurs within ~100 fs in several flavoprotein oxidases. This process, effectively the reverse of the well-known photoreduction of oxidized flavin may constitute a universal decay pathway. The excited-state properties of fully reduced flavins were studied in several FNR systems where they are involved as functional intermediates, and compared with those in solution. Valuable information concerning their electronic structures and the flavin flexibility was obtained and compared with atomic simulations, with important catalytic implications. Finally, an unprecedented photo-dissociation phenomenon was revealed for a non-covalent charge transfer complex of flavin and a inhibitor in the flavoenzyme monomeric sarcosine oxidase. This process occurs on the timescale of a few hundred femtoseconds and can be attributed to a well-defined photoinduced isomerization of the inhibitor. Altogether, the described findings, which include the discovery of two hitherto undocumented photochemical processes in flavoproteins, expand the repertoire of photochemistry involving flavin cofactors. This work may open new avenues for the exploration of flavin photochemistry with ultimately possible practical implications as novel photocatalysts and optogenetic tools., Les flavines sont des dérivés de la vitamine B2 qui forment un groupe de chromophores très polyvalents présents dans une grande variété d'enzymes et de protéines photoréceptrices. Elles peuvent adopter trois états redox différents avec divers états de protonation, menant à au moins cinq formes physiologiquement pertinentes, avec des spectres d'absorption électronique distincts. Malgré les propriétés photophysiques diverses des cofacteurs flavine, il n'y a que très peu de flavoprotéines naturellement photoréactives. La grande majorité des flavoprotéines remplissent des fonctions physiologiques non générées par la lumière ("non-photoactives"), bien que des réactions d'oxydoréduction photo-induites ultra-rapides et réversibles entre les flavines et les résidus proches s’y produisent largement, ce qui peut être considéré comme "auto-quenching" photo-protectrice. Ces dernières décennies, l'étude des flavoprotéines a connu un essor pour leurs applications photocatalytiques et photo-biotechnologiques. De plus, une nouvelle approche émergeant dans le développement de nouveaux photocatalyseurs à partir de flavoenzymes canoniques "non-photoactives" utilise la photochimie de flavines réduites au lieu de l'état de repos oxydé. En outre, des implications pratiques de la photochimie d'espèces de flavine encore différentes sont envisagées, mais une compréhension fondamentale de leurs mécanismes est requise. Dans cette thèse, par l'application de spectroscopie d'absorption et de fluorescence ultrarapide combinée avec des simulations moléculaires et d’approches de chimie quantique, une variété de processus photochimiques fondamentaux dans les flavoprotéines est étudiée. Tout d'abord, la photoréduction des flavines oxydées a été revisitée dans une flavoprotéine, la ferrédoxine-NADP+ oxydoréductase (FNR), ayant des configurations des réactifs très compactes, permettant la formation ultrarapide de paires de radicaux intermédiaires. La combinaison de techniques expérimentales et de modélisation a permis une évaluation détaillée de l'influence de l'environnement sur les propriétés spectrales des radicaux anioniques de flavine et cationiques d'acide aminé (tyrosine ou tryptophane). Par ailleurs, nous avons étudié la photochimie de flavines liées aux protéines dans différents états chimiques largement inexplorés dans la littérature. Il est démontré que la photooxydation des radicaux anioniques de flavine, qui agissent comme des intermédiaires de réaction dans de nombreuses réactions biochimiques, se produit efficacement en ~100 fs dans plusieurs flavoprotéines oxydases. Ce processus, qui est effectivement l'inverse de la photoréduction bien connue de la flavine oxydée, pourrait constituer une voie de désactivation universelle. Les propriétés de l'état excité des flavines complétement réduites ont été étudiées dans plusieurs systèmes FNR où elles sont impliquées comme intermédiaires fonctionnels, et comparées à celles en solution. Des informations précieuses concernant leurs structures électroniques et la flexibilité des flavines ont été obtenues et comparées avec des simulations atomiques, avec des implications catalytiques importantes. Enfin, un phénomène de photo-dissociation sans précédent a été révélé pour un complexe de transfert de charge non covalent de la flavine et d'un inhibiteur dans la flavoenzyme sarcosine oxydase monomérique. Ce processus se produit sur une échelle de temps de quelques centaines de femtosecondes et peut être attribué à une isomérisation photoinduite bien définie de l'inhibiteur. Dans l'ensemble, les résultats décrits, qui incluent la découverte de deux processus photochimiques jusqu'alors non documentés dans les flavoprotéines, élargissent le répertoire de la photochimie impliquant des cofacteurs de flavine. Ce travail peut ouvrir de nouvelles voies pour l'exploration de la photochimie des flavines avec, à terme, des implications pratiques possibles comme nouveaux photocatalyseurs et outils optogénétiques.

Ground vehicle protections against ballistic impacts have long been the result of an incremental evolution based on empirical approaches. A design based on a numerical optimisation reduces the number of tests and associated costs while freely varying materials, threats and constraints (environmental for example). An experiment-simulation correlation methodology linking a finite element code to an optimisation module is proposed. The methodology consists of three steps: (i) the calibration and verification of a numerical model (to be taken in a broad sense), (ii) the validation of the model and (iii) the search for an optimal configuration of the protection, in this case a multimaterial system. An extensive ballistic testing campaign has been conducted using the ICA’s impact platform STIMPACT and a firearms proofing facility to investigate the response of typical ballistic protections (based on steel and alloys plates, ceramic tiles, reinforced polymer panels) by varying the type of projectile (material, geometry), the impact velocity (from 100 to 830 m/s) and the structure of multimaterial systems. Quantitative information has been obtained in terms of ballistic limit velocity (VBL) and residual velocity vs. incident velocity curves, and qualitative information in terms of failure modes of the various components constituting the protection. These tests made it possible to identify trends and to feed the database used for the experiment-simulation correlation part. The numerical simulations have been performed using the commercial finite element code Abaqus/Explicit. The behaviour of the different materials is described by specific engineer models that take into account the effects of strain and strain rate, damage and temperature, and whose constants are, depending on the case, taken from the literature or determined at the calibration/verification step on simple to moderately complex configurations. Once validated on complex configurations, the model is integrated into an optimisation loop via the ISIGHT module to determine an optimal set of design parameters that minimises the mass of a multimaterials system while ensuring its ballistic protection function. The comparison of first numerical optimisations with realistic experiments is encouraging regarding the predictive capacity of the model.; Les protections de véhicules terrestres contre les impacts balistiques ont longtemps été issues d’une évolution incrémentale basée sur des approches empiriques. Une conception basée sur une optimisation numérique permet de réduire le nombre des essais et les coûts afférents tout en faisant varier librement les matériaux, menaces et contraintes (environnementales par exemple). Une méthodologie de corrélation expérience-simulation couplant un code de calcul par éléments finis à un module d’optimisation est ainsi proposée. La méthodologie en question inclut trois étapes : (i) la calibration et la vérification d’un modèle numérique (à prendre au sens large), (ii) la validation du modèle, et (iii) la recherche d'une configuration optimale de protection, en l'occurrence ici un empilement multimatériaux.Une importante campagne de tirs balistiques a été conduite au moyen de la plateforme d’impact STIMPACT de l’ICA et d’un banc d’épreuve pour étudier la réponse de protections balistiques types (à base de plaques en acier et alliages, de carreaux de céramiques, de panneaux de polymères renforcés) en faisant notamment varier le type de projectile (matériau, géométrie), la vitesse d’impact (de 100 à 830 m/s), et la structure d’empilements multimatériaux. Des informations quantitatives ont été obtenues en termes de vitesses limites de protection (VLP) et de courbes vitesse résiduelle en fonction de la vitesse incidente, et des informations qualitatives en termes de modes de ruine des différents éléments constituant la protection. Ces essais ont permis de tirer des tendances et d'alimenter la base de données utilisée pour la partie corrélation expérience-simulation. Les simulations numériques ont été menées au moyen du code commercial de calcul par éléments finis Abaqus/Explicit. Le comportement des différents matériaux est décrit par des modèles spécifiques ingénieurs rendant compte des effets de la déformation et de la vitesse de déformation, de l'endommagement et de la température, et dont les constantes sont selon le cas issues de la littérature ou déterminées dans l'étape de calibration/vérification conduite sur des configurations simples à modérément complexes. Une fois validé sur des configurations complexes, le modèle est intégré dans une boucle d’optimisation via le module ISIGHT afin de déterminer un jeu de paramètres de conception optimal qui minimise la masse d’un empilement multimatériaux tout en assurant sa fonction de protection balistique. La comparaison des premières optimisations numériques à des essais réels est encourageante quant à la capacité prédictive du modèle.

The thesis focuses on the transition from laminar to turbulent flow in canonical wall-bounded shear flows presenting a linearly stable laminar flow. The subcritical transition in these shear flows is characterised by spatiotemporal intermittency in the transitional regime. This manifests as spatial localization of turbulence which self-organizes into large-scale coherent structures such as spots and bands. In this regard, these structures are investigated in different wall-bounded shear flows with high fidelity numerical simulations. The primary control parameter for the simulations is the Reynolds number Re. In the first part of the thesis, turbulent spots are investigated in four different shear flow cases: plane Couette, plane Poiseuille, Couette-Poiseuille and Waleffe flow. These flow scenarios present different symmetries and boundary conditions. Performing the simulations in large domains, the in-plane turbulent fluctuations are shown to decay algebraically away from the spot. The emergence of two distinct large-scale flow topologies dictates the spatial decay exponent. The large-scale flow structure and consequently the decay exponent are found to depend only on the symmetry of the flow and is independent of the Re. Arguments from 2D kinematics and flow symmetry are used to justify theoretically these observations. In the second part, the transition from turbulent to laminar in plane Poiseuille flow is investigated. The transitional regime is found to portray two distinct behaviours: (a) pattern formation with alternate regions of laminar and turbulent (b) spatially localised independent turbulent bands. Adopting the methodology of an impulse response with ensemble averaging, evidence for a linear instability of the turbulent flow leading to pattern formation is presented. The evolution of the pattern with Re is documented with its geometric properties as well as global observables such as the friction factor. High-order statistics of turbulent fluctuations reveal a continuous link between featureless turbulence and the transitional regime. In order to gather more insight into the formation and evolution of the pattern with Re, a low-order model of the shear flow is motivated. The third part explores a low-order model presented in the literature. The 1D PDE model presented by Manneville, featuring a Turing instability as an extension of the Waleffe model, is revisited. This was adapted with suitable parameters and extended with the introduction of nonlinear advection and stochastic noise. The model accurately captures the phenomenology of the transitional regime of plane Poiseuille flow. It features pattern formation with multistability, wavelength selection by noise and excitability at low Re. These results are extrapolated from the model and validated against the observations in the DNS simulations.; La thèse se concentre sur la transition laminaire/turbulent dans des écoulements de cisaillement canoniques délimités par des parois lorsque l'écoulement laminaire linéairement stable. La transition sous-critique dans ces écoulements cisaillés est caractérisée par l'intermittence spatio-temporelle du régime transitoire. Cela se manifeste par une localisation spatiale de la turbulence qui s'auto-organise en structures cohérentes à grande échelle telles que des bouffées turbulentes et des bandes. À cet égard, ces structures sont étudiées dans différents écoulements de cisaillement délimités par des parois, à l'aide de simulations numériques haute fidélité. Le paramètre de contrôle principal pour les simulations est le nombre de Reynolds Re. Dans la première partie de la thèse, les bouffées turbulentes sont étudiées dans quatre cas d'écoulement cisaillés différents : écoulement de Couette plan, de Poiseuille plan, de Couette-Poiseuille et de Waleffe. Ces écoulements présentent des symétries et des conditions aux limites différentes. En effectuant des simulations dans de grands domaines, on constate que les fluctuations turbulentes en vitesse dans le plan diminuent selon une loi de puissance à partir de l'origine. L'émergence de deux topologies d'écoulement à grande échelle distinctes déterminent l'exposant de décroissance spatiale. On constate que la structure de l'écoulement à grande échelle et, par conséquent, l'exposant de décroissance dépendent uniquement de la symétrie de l'écoulement et sont indépendants de Re. Des arguments cinématiques bidimensionnels et de symétrie sont utilisés pour justifier théoriquement ces observations. Dans la deuxième partie, la transition turbulent/laminaire dans un écoulement de Poiseuille plan est étudiée numériquement. On constate que le régime transitoire présente deux comportements distincts : (a) la formation de motifs avec des régions alternées de laminaire et de turbulent (b) des bandes turbulentes indépendantes localisées dans l'espace. En employant une méthodologie de réponse impulsionnelle avec moyenne d'ensemble, une instabilité linéaire de l'écoulement turbulent menant à la formation d'un modèle est mise en évidence. L'évolution du motif avec Re est documentée avec ses propriétés géométriques ainsi que des observables globaux tels que le coefficient de friction. Les statistiques d'ordre élevé des fluctuations turbulentes révèlent un lien continu entre la turbulence sans caractéristiques et le régime transitoire. Afin de mieux comprendre la formation et l'évolution du motif avec Re, un modèle dynamique réduit de l'écoulement de cisaillement est introduit, issu de la littérature. Ce modèle, introduit par P. Manneville, présente une instabilité de Turing comme une extension du modèle de Waleffe. Il est adapté avec des paramètres appropriés et étendu avec l'introduction de l'advection non linéaire et du bruit stochastique. Le modèle capture la phénoménologie du régime transitoire de l'écoulement de Poiseuille plan. Il présente la formation de motifs avec multistabilité, la sélection de la longueur d'onde par le bruit et l'excitabilité à faible Re. Ces résultats sont extrapolés à partir du modèle et validés par rapport aux observations dans les simulations DNS.

The energy-stress tensor method is a theoretical approach to approximating the energetic contours of the "stochastic reverberation" using continuity equations between acoustical energy density, sound intensity, and momentum flux. These quantities may all be collected in a single tensor called the energy-stress tensor, which represents the connection between invariants in the acoustic field and the conservation equations relating its terms. This approach was previously demonstrated to be capable of representing the diffuse field in spaces that could be characterized as being one- or two-dimensional with respect to the characteristic length of the tensor quantities, such as a hallway or a floor of an office building. The present thesis aims to extend these findings by a number of avenues: checking the frequency validity of previously derived models, introducing a source term and redefining the model in terms of a finite volume time domain (FVTD) approach, auralizing the results in the context of a hybrid acoustical model, and finally, providing a framework to explore the behavior of the tensor in larger three-dimensional spaces. Temporally and spatially averaged values of the tensor may be calculated directly in terms of the acoustic velocity potential in a pressure-velocity FVTD simulation, giving preliminary information regarding possible assumptions for future models without requiring exhaustive physical measurement. This may be used in future work to characterize simulation parameters in terms of geometry and materials properties rather than physical measurements., La méthode du tenseur énergie impulsion est une approche théorique permettant d'approcher les contours énergétiques de la "réverbération stochastique" à l'aide d'équations de conservation basées sur le processus de diffusion acoustique. Dans ce formalisme, les termes termes décrivant la densité d'énergie, l'intensité sonore et le flux de quantité de mouvement peuvent tous être rassemblés en un seul tenseur appelé le tenseur énergie impulsion, qui fournit la base des équations de conservation capables de caractériser la réverbération stochastique. Cette approche, appelée "méthode du tenseur énergie impulsion'' ou méthode EST (après l'anglais), s'est avérée capable de représenter le champ diffus dans des espaces où tous les éléments de simulation touchent au moins une limite, c'est-à-dire des espaces qui peuvent être caractérisés comme étant principalement unidimensionnels ou bidimensionnels, tels qu'un couloir ou un étage d'un immeuble de bureaux.La présente thèse vise à étendre ces résultats par un certain nombre de voies : vérifier la validité fréquentielle des modèles précédemment dérivés, introduire des termes sources et redéfinir le modèle en termes d'approche dans la méthode temporelle des volumes finis (FVTD), oraliser les résultats dans le contexte d'un modèle acoustique hybride, et enfin, fournir un cadre pour explorer le comportement du tenseur de contrainte d'onde dans les espaces tridimensionnels afin de fournir une base pour les équations de volume dans les espaces avec des régions en espace libre, loin de toute frontière qui pourrait être utilisée pour la réduction dimensionnelle. Le calcul des éléments du tenseur énergie impulsion partout dans un espace a été réalisé en dérivant les valeurs instantanées en termes de potentiel de vitesse acoustique pour une simulation FVTD pression-vitesse. Une fois moyennée dans le temps et dans l'espace, cette représentation peut être utilisée pour explorer le comportement de la réverbération stochastique sans mesure physique exhaustive dans des espaces présentant des caractéristiques de diffusion variables, et finalement, pour réaliser la simulation directe des termes du tenseur aux frontières et en espace libre. Cela pourrait être utilisé dans des travaux futurs pour caractériser les paramètres de simulation en termes de géométrie et de propriétés des matériaux plutôt que de mesures physiques.

The projects presented in this manuscript are embedded in the numerical simulation of the elaboration processes of materials at high temperature, both ceramics and metals. They have in common the use of numerical tools, in-house or commercial codes (always with adaptation to our problems) in order to simulate, at a macroscopic or mesoscopic scale, an industrial process in which measurements are limited by environmental conditions. Numerical simulation is thus a privileged way to understand the process and optimize the operation of reactors. The following topics are discussed in turn: thermal plasma spraying, the conversion of uranium oxide to tetrafluoride, liquid metal processes (EB melting, ElectroSlag Refining - ESR) and the solidification of metallic alloys.Different papers published in international journals illustrate the main aspects of the models and their use in the context of applied research.The perspectives relate both to the continuation of my current research activities (ESR process), to certain obstacles to be overcome (models of scale and / or dimension change, simulation of the movement of grains or drops and their interactions in a turbulent flow), and opens up new horizons that data mining and artificial intelligence can bring to the design of new materials.; Les projets présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans le cadre de la simulation des procédés d’élaboration des matériaux à haute température, aussi bien les céramiques que les métaux. Ils ont en commun l’utilisation des outils numériques, codes « maison » ou commerciaux (toujours avec adaptation à nos problématiques) pour simuler, à l’échelle macroscopique ou mésoscopique, un procédé industriel au sein duquel les mesures sont limitées par les conditions environnementales. La simulation numérique est alors une voie privilégiée pour comprendre le procédé et optimiser la conduite des réacteurs. Sont abordés tour à tour : la projection par plasma thermique, la conversion d’oxyde d’uranium en tétrafluorure, des procédés de traitement du métal liquide (fusion BE, élaboration sous laitier électroconducteur – ESR) et la solidification des alliages métalliques.Des articles publiés dans des revues internationales illustrent les principaux aspects des modèles et leur utilisation dans un cadre de recherche appliquée. Les perspectives portent à la fois sur la continuation de mes recherches actuelles (procédé ESR), sur certains verrous à lever (modèles de changements d’échelle et/ou de dimension, simulation du mouvement de grains ou de gouttes et leurs interactions dans un écoulement turbulent), et s’ouvre sur les nouveaux horizons que peuvent apporter la fouille de données et l’intelligence artificielle dans le cadre de la conception de nouveaux matériaux.

International audience; Cette communication clôture l'école thématique pluridisciplinaire MiFoBio portant sur les avancées biologiques et technologique en imagerie du vivant. Elle regroupe une large communauté constituée de biologistes, physiciens, instrumentalistes, chimistes, mathématiciens. La communicaion présente une analyse de l'évolution des techniques d'aide à la création au sein des bureaux de conception industrielle.A partir d'une étude empirique auprès de plusieurs dizaines d'ingénieurs de conception on met en évidence la place qu'occupe quelques plateformes logicielles dans l'organisation de la création des objets de notre quotidien.

6th International Conference on Accelerated Pavement Testing , NANTES, FRANCE, 27-/09/2021 - 29/09/2021; The concept of truck platooning is to take advantage of the connectivity technologies and automated driving support systems to link trucks in close formation (convoy) in order to increase transport efficiency, reduce fuel consumption and gas emissions while improving road safety. However, closely guided trucks following each other could have a different impact on road structures than the usual truck traffic. Notably, different studies with traffic simulators highlight the significant effect of the wander pattern of traffic on the damage observed on test road structures. On the other hand, the positioning systems could offer the opportunity to choose an optimized wander pattern of the trucks within the platoons, especially designed to mitigate the overall damage. In this context, the study reported in this paper addresses, through numerical simulations, the multi-loading effects of truck platoons on road structures for different configurations of wander patterns. The aggressiveness of these patterns is evaluated on the basis of the viscoelastic response of the pavement structures (strain field) computed using software ViscoRoute\textcopyright 2.0. Finally, recommendations on the choice of wander pattern configurations to be tested on APT facilities are proposed.

The purpose of the work is to find a way to estimate the boundary conditions of the liver. They play an essential role in forming the predictive capacity of the biomechanical model, but are presented mainly by ligaments, vessels, and surrounding organs, the properties of which are "patient specific" and cannot be measured reliably. We propose to present the boundary conditions as nonlinear springs and estimate their parameters. Firstly, we create a generalized initial approximation using the constitutive law available in the literature and a statistical atlas, obtained from a set of models with segmented ligaments. Then, we correct the approximation based on the nonlinear Kalman filtering approach, which assimilates data obtained from a modality during surgical intervention. To assess the approach, we performed experiments for both synthetic and real data. The results show a certain improvement in simulation accuracy for the cases with estimated boundaries.; L'objectif de ce travail est trouvé un moyen d'estimer les conditions aux limites du foie. Elles jouent un rôle essentiel dans la capacité de prédiction du modèle biomécanique, mais sont principalement présentées par les ligaments, les vaisseaux et les organes environnants, dont les propriétés sont "spécifiques au patient" et ne peuvent être mesurées fidèlement. Nous proposons de présenter ces conditions comme des ressorts non linéaires et d'estimer ses paramètres. D’abord, nous créons une approximation initiale en utilisant la loi constitutive disponible dans la littérature et un atlas statistique obtenu à partir des modèles avec des ligaments segmentés. Après, nous la corrigeons basée sur le filtrage de Kalman non linéaire, qui assimile les données acquises d'une modalité pendant la chirurgie. Pour évaluation, nous avons réalisé des expériences avec des données synthétiques et réelles. Les résultats montrent une amélioration de la précision pour les cas avec des limites estimées.

Functionalization of plastic part surfaces enables us to meet an innovative technical requirement without the use of solvents or chemical treatments. A wide range of properties are achievable, ranging from optical properties to technical improvements in wettability, friction management or adhesion. The considered solution to respond to the problem of mass production at a controlled price is manufacturing using a micro-textured mold with an injection molding machine. However, the main challenge is the change in scale, between a “macro part” (a few cm3 or more) and a micro-texture which is a few tens of micrometers. This manufacturing requires controlling texture replication during the injection cycle and therefore understanding and mastering the material’s behavior during the process. In order to solve this problem, an instrumented visualization mold, made up of two different shapes of cavity, has been designed and developed. This mold allowed for an in operando analysis of the process parameters. An innovative setting methodology was used and highlighted that above a certain injection velocity threshold, the mold temperature and holding pressure parameters held a secondary role in the 30µm micro-texture replication. Indeed, the in operando viscosity of the injected amorphous polymer drastically decreases as the shear rate increases. The rheological simulation filling forecast of this micro-feature requires an in-depth analysis of the boundary conditions of the calculation. A reverse engineering methodology, linked with the use of the flow velocity measurements in the visualization mold, highlighted the importance of determining the heat transfer coefficient htc. A good correlation of the filling height of a micro-texture (370 µm wide and a 3.6 aspect ratio) between the rheological simulation with the Moldflow software and the experiments were with a set htc of 30 000 W.m-2.K-1 during the filling phase set on the micro-feature’s meshes., La fonctionnalisation des surfaces des pièces plastiques permet de répondre à des cahiers des charges innovants sans utilisation de solvants ou de traitements chimiques. Une large gamme de propriétés est réalisable allant des propriétés optiques à des améliorations techniques concernant la mouillabilité, la gestion des frottements ou l’adhésion. La solution envisagée pour répondre à une production de masse à coût maîtrisé est la réplication par injection plastique d’une empreinte de moule microtexturée. Cependant, le principal challenge est le changement d’échelle qui existe entre une pièce de dimension dite « macro » (quelques cm3 et plus) et des microtextures de quelques dizaines de micromètres. Cette méthode de fabrication impose de contrôler la réplication des textures durant l’injection et donc de comprendre et maitriser le comportement de la matière durant sa mise en œuvre. Afin de répondre à cette problématique, un outillage de visualisation instrumenté, comportant deux empreintes de formes différentes, permettant une analyse in operando des paramètres de mise en œuvre a été conçu et développé. Une méthodologie de réglage originale a été utilisée et a permis de mettre en évidence qu’à partir d’une valeur seuil de vitesse d’injection, les paramètres température outillage et pression de maintien ont un rôle secondaire dans la réplication de microtextures de 30 µm de profondeur. En effet, la viscosité in opérando du polymère amorphe injecté, diminue fortement lors de l’augmentation de la vitesse de cisaillement. La prédiction de remplissage d’une microcavité en simulation rhéologique nécessite une analyse poussée des conditions limites du calcul. Une méthodologie d’ingénierie inverse, couplée à l’utilisation des mesures des vitesses d’écoulement effectuées avec le dispositif de visualisation développé, a permis la mise en évidence de l’importance de la détermination du coefficient d’échange thermique, htc. Une bonne corrélation, des hauteurs de remplissage d’une microrainure (de 370 µm de large et un rapport de forme de 3,6), entre les simulations numériques avec le logiciel Moldflow et les expérimentations, a été obtenue avec une valeur htc = 30 000 W.m-2.K-1 dans la phase de remplissage, affectée aux mailles de la microcavité.

Functionalization of plastic part surfaces enables us to meet an innovative technical requirement without the use of solvents or chemical treatments. A wide range of properties are achievable, ranging from optical properties to technical improvements in wettability, friction management or adhesion. The considered solution to respond to the problem of mass production at a controlled price is manufacturing using a micro-textured mold with an injection molding machine. However, the main challenge is the change in scale, between a “macro part” (a few cm3 or more) and a micro-texture which is a few tens of micrometers. This manufacturing requires controlling texture replication during the injection cycle and therefore understanding and mastering the material’s behavior during the process. In order to solve this problem, an instrumented visualization mold, made up of two different shapes of cavity, has been designed and developed. This mold allowed for an in operando analysis of the process parameters. An innovative setting methodology was used and highlighted that above a certain injection velocity threshold, the mold temperature and holding pressure parameters held a secondary role in the 30µm micro-texture replication. Indeed, the in operando viscosity of the injected amorphous polymer drastically decreases as the shear rate increases. The rheological simulation filling forecast of this micro-feature requires an in-depth analysis of the boundary conditions of the calculation. A reverse engineering methodology, linked with the use of the flow velocity measurements in the visualization mold, highlighted the importance of determining the heat transfer coefficient htc. A good correlation of the filling height of a micro-texture (370 µm wide and a 3.6 aspect ratio) between the rheological simulation with the Moldflow software and the experiments were with a set htc of 30 000 W.m-2.K-1 during the filling phase set on the micro-feature’s meshes.; La fonctionnalisation des surfaces des pièces plastiques permet de répondre à des cahiers des charges innovants sans utilisation de solvants ou de traitements chimiques. Une large gamme de propriétés est réalisable allant des propriétés optiques à des améliorations techniques concernant la mouillabilité, la gestion des frottements ou l’adhésion. La solution envisagée pour répondre à une production de masse à coût maîtrisé est la réplication par injection plastique d’une empreinte de moule microtexturée. Cependant, le principal challenge est le changement d’échelle qui existe entre une pièce de dimension dite « macro » (quelques cm3 et plus) et des microtextures de quelques dizaines de micromètres. Cette méthode de fabrication impose de contrôler la réplication des textures durant l’injection et donc de comprendre et maitriser le comportement de la matière durant sa mise en œuvre. Afin de répondre à cette problématique, un outillage de visualisation instrumenté, comportant deux empreintes de formes différentes, permettant une analyse in operando des paramètres de mise en œuvre a été conçu et développé. Une méthodologie de réglage originale a été utilisée et a permis de mettre en évidence qu’à partir d’une valeur seuil de vitesse d’injection, les paramètres température outillage et pression de maintien ont un rôle secondaire dans la réplication de microtextures de 30 µm de profondeur. En effet, la viscosité in opérando du polymère amorphe injecté, diminue fortement lors de l’augmentation de la vitesse de cisaillement. La prédiction de remplissage d’une microcavité en simulation rhéologique nécessite une analyse poussée des conditions limites du calcul. Une méthodologie d’ingénierie inverse, couplée à l’utilisation des mesures des vitesses d’écoulement effectuées avec le dispositif de visualisation développé, a permis la mise en évidence de l’importance de la détermination du coefficient d’échange thermique, htc. Une bonne corrélation, des hauteurs de remplissage d’une microrainure (de 370 µm de large et un rapport de forme de 3,6), entre les simulations numériques avec le logiciel Moldflow et les expérimentations, a été obtenue avec une valeur htc = 30 000 W.m-2.K-1 dans la phase de remplissage, affectée aux mailles de la microcavité.

Steel corrosion plays a central role in different technological fields. The prediction of long term corrosion behavior of stainless steel is needed to ensure that its physical integrity will not be affected during its expected life time. In this study, we focus on pitting corrosion of steels in contact with a solution of sodium chloride (NaCl). The scientific objectives of this thesis are related to the physico-chemical modeling of pitting corrosion, by means of mathematical analysis and numerical simulations. First, we studied a simple case of a corrosion phenomenon which describes a pure iron dissolution in sodium chloride. We proved that under rather general hypotheses on the initial data, the solution of this iron dissolution model converges to a self-similar profile as t→+∞. This result is proved for an equivalent one-dimensional formulation of the physical model known as a one-phase Stefan problem. In order to prove the convergence result, we applied a comparison principle together with suitable upper and lower solutions. Then, we gradually derived a more complicated anodic-dissolution model in one-space dimension. It is a strongly coupled mathematical model of partial differential equations which represents the propagation of a pit in pure iron steel. It involves an anodic reaction of dissolution, the transport of aqueous chemical species by diffusion and migration and the moving of the iron interface. Then, we proposed an efficient numerical solution method for this system. To that purpose, we have developed an implicit in time numerical scheme based on the ALE method together with a Newton procedure. Through many simulations, we have examined the behavior of our system with respect to the variations of certain physical parameters. In the last step, we have integrated the hydrolysis reactions of iron cations in the system. This final model developed in this thesis is a diffusion-migration-reaction model with a moving interface for five-species. Finally, we derived a reduced system for our diffusion-migration model. Then, by means of two approximations, we analytically found an approximating solution for this reduced system, which turns out to be a very good approximation of the solution of our strongly coupled diffusion-migration model.The major advantage of developing such a nearly exact solution is to allow the validation of our numerical scheme.; La corrosion des aciers joue un rôle central dans divers domaines technologiques. Ainsi, l'évaluation des dommages que les aciers sont susceptibles de subir dans le temps sous l'action de la corrosion représente un défi important pour s'assurer qu'ils ne seront pas affectés pendant leur durée de vie prévue. Cette étude est centrée sur un phénomène de corrosion particulier qui est la corrosion par piqûre des aciers en contact avec une solution de chlorure de sodium (NaCl). Les objectifs scientifiques de cette thèse sont relatifs à la modélisation physico-chimique de la corrosion par piqûre, l'analyse mathématique et les simulations numériques. Dans ce contexte, dans un premier temps, on a étudié un cas simple de ce phénomène de corrosion qui décrit la dissolution de fer pur. Ce modèle est transformé à l'aide d'un changement de variable approprié en un problème unidimensionnel à frontière libre, connu dans la littérature sous le nom de problème de Stefan à une phase. On a étudié en particulier la stabilisation en temps long de la solution de ce problème vers un profil auto-similaire. Pour prouver le résultat de convergence, on a appliqué un principe de comparaison ainsi que des notions de sur- et sous- solutions appropriées. Ensuite, au regard de la complexité physique du phénomène de corrosion par piqûre, le travail a été découpé en différentes étapes basées sur la construction d'un modèle à complexité physique croissante permettant d'identifier l'influence des différentes hypothèses physiques du modèle. On a ainsi développé un modèle mathématique sous la forme d'un système d'équations aux dérivées partielles fortement couplées pour d'écrire la vitesse de propagation d'une piqûre dans un fer pur. Il s'agit d'un modèle unidimensionnel de diffusion-migration-réaction avec une interface mobile. Pour la résolution numérique de ces modèles, on a introduit la méthode ALE qui est une méthode robuste particulièrement adaptée à la résolution des problèmes évolutifs. Finalement, comme il n'est généralement pas possible de trouver une solution explicite à un modèle complexe de diffusion-migration avec une interface mobile, un modèle réduit du modèle complet a été dérivé. On a montré que ce modèle réduit admet une solution approchée qui représente une approximation du modèle complet sous certaines conditions. Ce modèle réduit permet également de valider le schéma numérique développé pour le modèle complet.

We consider fluid-kinetic models that describe the evolution of particles flowing through a fluid under the assumption that the latter can be described by macroscopic quantities, its velocity and pressure, thanks to the incompressible Navier-Stokes equations. As for the particle spray, it is described at the mesoscopic scale by its density function in the phase space, which obeys a Vlasov-type equation. Taking into account the drag acceleration exerted by the fluid on the particles and the corresponding drag force leads to a strong coupling of the system of equations under study. First, we take into account, in addition to the interactions presented above, the effects of the airway humidity on the particle size and temperature by introducing convection-diffusion equations as well as integrating the size and temperature variations into the equations. We prove the existence of global weak solutions in a time-dependent domain and present some numerical experiments. Finally, we study several high-friction regimes for the Vlasov-Navier-Stokes system presented above. We define a framework allowing to properly justify these hydrodynamic limits in the case where the particles are light (resp. small) with respect to the fluid.; Nous nous intéressons à des modèles fluide-cinétique décrivant l’évolution de particules en suspension dans un fluide porteur sous l'hypothèse que ce dernier peut être décrit par des quantités macroscopiques, sa vitesse et sa pression, grâce aux équations de Navier-Stokes incompressible. Le spray de particules est quant à lui décrit à l’échelle mésoscopique par sa fonction de densité dans l’espace des phases, régie par une équation de type Vlasov. La prise en compte de l’accélération de traînée fournie par le fluide aux particules et la force de rétroaction correspondante crée un couplage fort du système d’équations. Nous prenons d'abord en compte, en plus des interactions présentées ci-dessus, les effets de l’humidité de l’air sur la taille et la température des particules en introduisant des équations de convection-diffusion ainsi qu'en intégrant la variation de la taille et de la température des particules dans les équations. Nous démontrons alors l’existence de solutions faibles globales dans un domaine borné dépendant du temps puis nous présentons quelques expérimentations numériques. Enfin, nous étudions des régimes de haute friction pour le système de Vlasov-Navier-Stokes présenté précédemment. Nous définissons un cadre permettant de traiter rigoureusement ces limites hydrodynamiques lorsque les particules sont légères ou petites par rapport au fluide.

The present work aims to describe and evaluate the loads exerted by severe breaking waves onto coastal protection structures. To carry on with this investigation, the numerical tool-box OpenFOAM is employed and the problematic is regarded from different perspectives. First, the physics of an idealised impulsive event between a fluid and a solid is investigated using different configurations. The associated simulations are designed to study the role of air during these academic impact configurations. Secondly, a solitary wave is used to evaluate the performance of the solver to reproduce realistic wave breaking onto a vertical wall and evaluate the related impact pressure records. The computed results are validated against experimental data previously obtained at IRPHE, Marseille (France). Finally, an irregular sea state is simulated using large spatial and temporal scales to evaluate the induced wave loads on an oscillating water column structure. These simulations are compared and validated with experimental results obtained in the large flume tank (GWK) at Hanover (Germany)., Ce travail a pour objectif de décrire et évaluer les impacts de vagues extrêmes sur des structures de protection côtière. Dans le cadre de ces recherches, la suite logicielle OpenFOAM est utilisée et la problématique est étudiée suivant différentes perspectives. Dans un premier temps, la physique d'un événement impulsif idéalisé entre un fluide et un solide est étudiée en utilisant différentes configurations. Les simulations associées sont conçues pour étudier le rôle de l’air durant ces configurations d'impact académiques. Deuxièmement, une vague solitaire est utilisée pour évaluer la performance du solveur afin de reproduire des impacts de vague réalistes sur un mur vertical et d'évaluer les pressions d’impact associées. Les résultats numériques sont validés à l’aide de données expérimentales obtenues antérieurement à l'IRPHE, Marseille (France) . Enfin, un état de mer irrégulier est simulé en utilisant une large gamme d'échelles spatiales et temporelles afin d'évaluer les chargement induits par ces vagues sur une structure de colonne d’eau oscillante. Ces simulations sont comparées et validées avec des résultats expérimentaux obtenus dans le grand canal à houle GWK de Hannovre (Allemagne).

Climate change is currently taking place at the scale of our planet, leading to aviolent response from the environment, particularly with regard to the water cycle. One of the risk is already floods. As an example, in France, the average annual costof damages caused by floods (and insured under the Natural Disaster plan) amounts to 520 million euros. In metropolitan France, nearly 17 million people, about aquarter of the national population, are exposed to the risk of flooding by overflowaccording to the preliminary flood risk assessment carried out by the State in 2011.And with climate evolution, floods will become more frequent and more intense.Onechallenge during floods is to be able to access to people refugee over buildings.In order to investigate the hydraulic context generated by the grouped obstaclesrepresentative of a submerged housing estate, both an experimental and numericalstudy is being conducted.We experimentally study the flow in the presence of rows of macro-roughnesses representative of a slightly emerged and of a submerged housing estate, and this for situations representing both current and more intense floods. Measurements of the velocity field will provide information on currents distribution that might affect an evacuation process. In parallel a numerical study is also conducted with the opensource code Saturne. The numerical results are compared to experimental results and this preliminary stupy opens the way to a systematic investigation., Le changement climatique se produit actuellement à l'échelle de notre planète, entraînant une réaction violente de l'environnement, notamment en ce qui concerne le cycle de l'eau. L'un des risques est déjà les inondations. A titre d'exemple, en France, le coût annuel moyen des dommages causés par les inondations (et assurés au titre du régime des catastrophes naturelles) s'élève à 520 millions d'euros. En France métropolitaine, près de 17 millions de personnes, soit environ un quart de la population nationale, sont exposées au risque d'inondation par débordement, selon l'évaluation préliminaire des risques d'inondation réalisée par l'État en 2011.Et avec l'évolution du climat, les inondations deviendront plus fréquentes et plus intenses. Afin d'étudier le contexte hydraulique généré par les obstacles groupés représentatifs d'un lotissement submergé, une étude expérimentale et numérique est menée.Nous étudions expérimentalement l'écoulement en présence de rangées de macro-rugosités représentatives d'un lotissement légèrement émergé et d'un lotissement submergé, et ce pour des situations représentant les crues actuelles et plus intenses. Les mesures du champ de vitesse fourniront des informations sur la distribution des courants qui pourraient affecter un processus d'évacuation. En parallèle, une étude numérique est également menée avec le code opensource Saturne. Les résultats numériques sont comparés aux résultats expérimentaux et cette étude préliminaire ouvre la voie à une investigation systématique.

This thesis concerns the solidification of alloys and more particularly the modeling of macrosegregation in metallurgical ingots due to the growth of equiaxed grains in motion within the liquid phase. The development of a numerical model based on volume average method is presented, followed by tests on benchmark experiments and by an application to the casting of an industrial ingot.First, a modernized three-phase multiscale equiaxed solidification model has been developed, in which a new expression of the diffusion length required in the equation of grain growth has been introduced. The drastic effect of the diffusion length model has been demonstrated through simulations for solidification of Sn-5wt% Pb alloy in a brick-shaped cavity that mimics the Hebditch-Hunt experiment. Then, the reliability of that new equiaxed solidification model has been tested using a numerical simulation of the AFRODITE benchmark experiment on solidification of Sn-10wt% Pb alloy with electromagnetic stirring. The predicted distributions of temperature during the solidification and of the final macro-segregation agreed well with experimental results. The effect the intensity of the Lorentz force used for stirring on final macrosegregation pattern has been analyzed numerically. Finally, the equiaxed solidification model developed in this work has been used to study the formation of macrosegregation in a 2.45 ton industrial steel ingot. The formation mechanism of macrosegregation in the ingot has been analyzed and the effect of cooling intensity has been studied. In addition, the effect of electromagnetic stirring on solidification process and macrosegregation formation in the ingot has been investigated through a series of simulations., Cette thèse concerne la solidification d'alliages et plus particulièrement la modélisation de la macroségrégation des lingots métallurgiques sous l'effet de la croissance de grains équiaxes en mouvement au sein de la phase liquide. Le développement d'un modèle numérique basé sur des moyennes de volume y est présenté, suivi par des tests sur des expériences modèles et par une application à la coulée d'un lingot industriel.Un modèle modernisé de solidification équiaxe à trois phases a été développé, avec une nouvelle expression de la longueur de diffusion requise dans l'équation de croissance des grains. L'effet drastique du modèle de longueur de diffusion a été démontré par des simulations de solidification d’alliage Sn-5 pds% Pb dans une cavité parallélépipédique, similaire à l'expérience de Hebditch-Hunt. La fiabilité de ce nouveau modèle de solidification équiaxe a été testée à l'aide d'une simulation numérique du benchmark AFRODITE de solidification de l'alliage Sn-10 pds% Pb avec brassage électromagnétique. Les distributions calculées de température au cours de la solidification et de la macro-ségrégation finale sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. L'effet de l'intensité de la force de Lorentz utilisée pour le brassage sur la macro-ségrégation finale a été analysé numériquement. Enfin, le modèle de solidification équiaxe développé dans cette thèse a été utilisé pour étudier la formation de la macro-ségrégation dans un lingot d'acier de 2,45 tonnes. Le mécanisme de formation de la macro-ségrégation dans le lingot a été analysé et l'effet de l'intensité du refroidissement a été étudié. De plus, l'effet du brassage électromagnétique sur le processus de solidification et sur la formation de macro-ségrégation dans le lingot a été étudié par une série de simulations numériques.

Additive manufacturing, in addition to traditional manufacturing processes, consists of adding material, layer by layer,to build mechanical parts. Among the various existing additive manufacturing processes, this thesis focuses on the Wire and Arc Additive Manufacturing process (WAAM). This process is based on welding technologies to manufacture parts by successive stacks of weld beads. Compared to other additive processes, its implementation is cheaper and welding professionals have an expert knowledge of this process. The filler metal consists in a metal wire melted with an electric arc delivered by a GMAW (Gaz Metal Arc Welding) welding torch operating under CMT (Cold Metal Transfer) mode. The welding torch is mounted on a multi-axis robotic arm which executes the deposit trajectories. This type of configuration does not constrain the size of the parts, which is a real advantage for building large parts like in the aeronautics sector. However, WAAM presents a major technological issue which currently limits its implementation on production lines. Indeed, the melting of the metal generates successive expansions and contractions of the material which generate residual stresses and deformations in the final part. The first objective of this thesis is to understand the generation of these residual stresses and deformations during the process by a numerical approach coupled with an experimental approach. For this, a specific experimental setup is studied. It consists of depositing the melted filler wire on the thickness of a plate held vertically along its length. The specimen is clamped on one side while the others are totally free in order to minimiez the clamping effect. According to this setup, the thermomechanical model is two-dimensional and solved under plane stress assumption. The addition of material is taken into account during the deposition process with a suitable mesh method. The numerical results are compared to experimental data recorded in-situ or ex-situ in order to validate the model. The other objective of this thesis is to highlight the influence of process parameters on the thermomechanical behavior of manufactured parts. Then, three different sets of process parameters are defined based on the linear welding energy. The numerically and experimentally results, are discussed for both thermal and mechanical fields,. Finally, the last objective of this thesis is to implement an Inherent Strain model which allows to quickly estimate the levels of residual stresses and deformations for any 3D structure according to the process parameters used. Thus, an analysis of the plastic strains calculated with the thermomechanical simulation is done. Afterwards, the plastic strain fields are introduced as input data in a Inherent Strain model for the investigated case. The residual stress field as well as the global deformation of the part obtained with the Inherent Strain model are compared to the one computed with the thermomechanical model and discussed.; La fabrication additive, en complément des techniques de fabrication traditionnelles, procède par ajout de matière pour la construction de pièces mécaniques. Parmi les différents procédés de fabrication additive existant, cette thèse s’intéresse tout particulièrement au procédé de fabrication additive arc métal désigné également par l’acronyme anglais WAAM qui signifie Wire Arc additive Manufacturing. Celui-ci se base sur les technologies du soudage pour fabriquer des pièces par empilements successifs de cordons de soudure. Sa mise en œuvre est donc peu coûteuse et déjà bien maîtrisée dans le domaine du soudage industriel. Le métal d’apport se présente sous forme de fil métallique et est fondu par un arc électrique délivré par une torche de soudage GMAW (Gaz Metal Arc Welding) avec un mode de transfert CMT (Cold Metal Transfer). Cette dernière est montée sur un bras robotisé multi axes qui exécute les trajectoires de dépôt. Ce type de configuration ne contraint pas la taille des pièces à fabriquer, ce qui représente un véritable atout pour la fabrication de pièces de grandes dimensions comme c’est le cas dans le secteur de l’aéronautique. Le WAAM présente cependant un verrou technologique majeur qui limite actuellement son implémentation sur les chaîne de production. En effet, la mise en fusion du métal génère des dilatations et contractions successives du métal qui engendrent la formation de contraintes résiduelles et de déformations dans la pièce finale. Le premier objectif de cette thèse est de comprendre la génération de ces contraintes résiduelles et de ces déformations au cours du procédé par une approche numérique couplée à une approche expérimentale. Pour cela, une configuration de dépôt spécifique est étudiée. Cette dernière consiste à déposer un cordon sur l’épaisseur d’une plaque maintenue uniquement sur l’une de ses extrémités. En laissant les autres bords libres les contraintes liées au bridage sont peu influentes. Compte-tenu de cette configuration, le modèle thermomécanique mis en place est bidimensionnel et il est traité sous l’hypothèse des contraintes planes. L’ajout de matière est considéré au fur et à mesure de la construction du cordon avec une méthode de maillage adaptée. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales relevées en cours de procédé ou en post-procédé afin de discuter la validité du modèle. L’autre objectif de cette thèse est de mettre en évidence l’influence des paramètres procédé sur le comportement thermomécanique des pièces fabriquées. Pour cela, trois jeux différents de paramètres procédés sont définis en fonction de l’énergie linéique de dépôt mise en jeu. Les différences et similitudes constatées numériquement et expérimentalement, aussi bien au niveau des champs thermiques que des champs mécaniques, sont discutées. Enfin, le dernier objectif de cette thèse est de construire un modèle de Déformations Inhérentes qui permette d’estimer rapidement les niveaux de contraintes résiduelles et de déformations pour n’importe quelle structure 3D réalisée avec des paramètres procédés déterminés. Pour cela, une analyse des déformations plastiques obtenues avec la modélisation thermomécanique est réalisée. Ces dernières sont ensuite implémentées comme données d’entrée dans un modèle de Déformations Inhérentes avec la configuration étudiée. La répartition et les niveaux des contraintes résiduelles ainsi que la déformée globale de la pièce obtenus pour le modèle thermomécanique et le modèle de Déformations Inhérentes sont comparés et discutés.

Tyres are complex structures to simulate. The materials are heterogeneous and incompressible with non-linear responses. The geometry goes to the millimetre scales for tread patterns. For a finite elements simulation a precise mesh is then required. The model has then a large number of degrees of freedom and non-linear material laws. In dynamics, the simulation becomes even more challenging especially with impacts. Nevertheless it is crucial in the tire design process because it brings a deeper comprehension of the tire and avoids test on real structures. The explicit time-integration make feasible the impact simulations. They handle easily the non-linearities with a very low computational cost for a time-step. Merged with a precise contact formulation, they form robust, accurate and efficient schemes for addressing impact simulations. This work aims to choose and improve an explicit scheme for non-linear dynamics with impacts. The first part is a benchmark for selecting a scheme and enhance its possibilities of improvement. The selected one is the CD-Lagrange: an explicit scheme based on central difference method, a contact enforcement by Lagrange multipliers, and a contact condition on velocity. Two mains improvements are identified and explored. Firstly, the energy conservation at impact would make the scheme symplectic for deformable bodies. Secondly the formulation must be enlarged to deformable–deformable contact. The second part aims then to achieve the conservation of energy by adapting the singular mass matrix to the CD-Lagrange. The formulation is firstly built in 1D, and shows a major improvement for the energy balance. Then two possible extensions are explored for the 3D cases. The third part presents the CD-Lagrange scheme with a mortar formulation for deformable-deformable contact. It handles with stability and accuracy large sliding and friction. An acceleration technique is proposed for solving the contact problem, without any loss of accuracy., Les pneumatiques sont complexes à simuler car les matériaux y sont hétérogènes, incompressibles et non-linéaires. De plus la géométrie descend jusqu’à l’échelle millimétrique pour les sculptures de la bande de roulement, ce qui requiert un maillage fin. Le modèle éléments finis présente donc un grand nombre de degrés de liberté, reliés par des équations non-linéaires. En dynamique, la simulation est d’autant plus compliquée avec des chocs. Néanmoins elle est cruciale dans le processus de conception pneumatique, où elle apporte une meilleur compréhension de la physique ceci sans tests réels. Les schémas explicites rendent possible les simulations de chocs, car ils résolvent facilement les non-linéarités avec un coup calcul bas. Associés à une formulation de contact précise , ils forment des schémas robustes, précis et efficaces pour la dynamique non-linéaire avec impacts. Ce travail vise à choisir et un tel schéma, et l’améliorer pour la simulation de chocs sur pneumatiques.La première partie est un benchmark identifiant le schéma CD-Lagrange. L’intégration temporelle est réalisée par le schéma de la différence centrée, et le contact imposé par multiplicateurs de Lagrange sur la vitesse. Deux possibilités d’amélioration sont identifiées. La première est d’atteindre un impact conservatif, seul instant où le schéma n’est pas symplectique. La seconde amélioration est d’étendre la formulation au contact déformable-déformable.La deuxième partie vise à atteindre la conservation de l’énergie à l’impact en adaptant la méthode de la masse singulière au CD-Lagrange. Une première formulation 1D est construite. Elle démontre une amélioration majeure du bilan d’énergie. Deux formulations 3D sont ensuite explorées.La troisième partie introduit les méthodes mortier dans le CD-Lagrange. Elles permettent de traiter un contact déformable-déformable de manière robuste, même en présence de friction et de grands glissements. Une technique d’accélération est proposée pour résoudre le problème de contact, ceci sans perte de précision.

This work contributes to the more electric aircraft, more particularly in the extension of high-voltage direct current (HVDC) networks in the aeronautic field and the development of materials-insulated cable that meet aeronautic constraints. Its aim is to study and understand the physical phenomena involved in the cables used to transport energy in these networks, but also to predict the electric field distribution within insulating materials under HVDC stresses. In this study, an experimental characterisation part has been carried out on each of the two cable insulations (Polyimide, PI and Polytetrafluoroethylene, PTFE) and focuses on calorimetric analyses (DSC) and current measurements. The DSC analyses enabled us to validate the use of the samples for current measurements. Indeed, PTFE samples undergo a heat treatment (sintering) to have a structure identical to that of an aeronautic cable. Thanks to the DSC analyses, the thermal transitions of PTFE and PI were studied and the impact of sintering on these transitions evaluated. Current measurements were carried out on PI and PTFE samples to characterise their behaviour as a function of the electric field and temperature. The results of these measurements are used to develop an electrical conductivity model for each insulation as a function of electric field and temperature. Current measurements have also been performed on two-layer flat PI/PTFE samples. Using this electrical conductivity model as an input, the electric field distribution in the cables was predicted using finite element numerical simulation software. A macroscopic two-layer (PI and PTFE) planar model was developed and validated by comparing the measurement results on two-layer samples with the simulation results. The comparison enabled the model to be validated over a range of electric fields from 1 kV/mm to 60 kV/mm and temperatures from 20°C to 200°C. Interfacial phenomena at the insulation/insulation interface were addressed with the bilayer model by studying the sign of the interface charge, its density, and its establishment dynamics as a function of temperature and electric field. The second part of the modelling was based on cylindrical geometries, considering the real structure of the cable (geometry of the insulation and the multi-stranded conductor, etc.). These models initially give the distribution of the electric field in a type of cable according to the applied thermal and electrical constraints. The validation of the model is carried out by comparing the simulation results on a type of cable with a diameter of 3.85 mm and a thickness of 50 µm of PI and 200 µm thick of PTFE with the measurement results obtained on the same type of cable. The cable model is validated over a range of electric fields from 1 kV/mm to 20 kV/mm and temperatures between 20°C and 90°C. Representative models of real cases of cable configurations were proposed and allowed to decide on the issues to be considered in cables under stress on the voltage limits and critical electric field values in the cable.; Ce projet s'inscrit dans la perspective de l'avion plus électrique plus particulièrement dans l'extension de réseaux haute tension continue (HVDC) du domaine aéronautique et du développement des matériaux isolants de câbles répondant aux contraintes aéronautiques. Il a pour but l'étude et la compréhension des phénomènes physiques en jeu dans les câbles utilisés pour le transport de l'énergie dans ces réseaux mais également la prédiction de la distribution du champ électrique dans les matériaux isolants sous contraintes HVDC. Dans cette étude, une partie de caractérisation expérimentale a été effectuée sur chacun des deux isolants de câbles (Polyimide, PI et Polytétrafluoroéthylène, PTFE) et porte essentiellement sur des analyses calorimétriques (DSC) et des mesures de courant. Les analyses DSC nous ont permis de valider l'utilisation des échantillons pour les mesures de courant. En effet les échantillons PTFE subissent un traitement thermique (frittage) afin d'avoir une structure identique à celle d'un câble aéronautique. Grâce aux analyses DSC, les transitions thermiques du PTFE et du PI ont été étudiées et l'impact du frittage sur ces transitions évalué. Des mesures de courant ont été effectuées sur échantillons PI et PTFE, afin de caractériser leur comportement en fonction du champ électrique et la température. Les résultats issus de ces mesures sont utilisés pour élaborer un modèle de conductivité électrique pour chaque isolant fonction du champ électrique et de la température. Des mesures de courant ont été également réalisées sur des échantillons bicouches plans PI/PTFE. L'utilisation de ce modèle de conductivité électrique comme donnée d'entrée a permis de prédire la distribution du champ électrique dans les câbles grâce à un logiciel de simulation numérique basé sur la méthode des éléments finis. Un modèle macroscopique bicouche (PI et PTFE) plan a été développé et validé en confrontant les résultats de mesure sur des échantillons bicouches et les résultats de simulation. La comparaison a permis de valider le modèle sur une plage de champ électrique de 1 kV/mm à 60 kV/mm et de température allant de 20°C à 200°C. Les phénomènes à l'interface isolant/isolant ont été abordés avec le modèle bicouche plan en étudiant le signe de la charge d'interface, sa densité ainsi que sa dynamique d'établissement en fonction de la température et du champ électrique. La deuxième partie de la modélisation a porté sur des géométries cylindriques avec la prise en compte de la structure réelle du câble (géométrie de l'isolation et du conducteur multibrins...). Ces modèles donnent dans un premier temps la distribution du champ électrique dans un type de câble suivant les contraintes thermiques et électriques appliquées. La validation du modèle est effectuée grâce à la confrontation des résultats de simulation sur un type de câble de 3,85 mm de diamètre et 50 µm d'épaisseur PI et 200 µm d'épaisseur de PTFE et les résultats de mesures obtenus sur ce même type de câble. Le modèle câble est validé sur une plage de champ électrique allant de 1 kV/mm à 20 kV/mm et de température comprise entre 20°C et 90°C. Des modèles représentatifs de cas réels de configurations de câbles ont été proposés et ont permis de statuer sur les enjeux à considérer dans les câbles sous contraintes sur les limites en tension et les valeurs critiques de champ électrique dans le câble.

In-flight ice accretion poses a serious threat to an aircraft safety by affecting its aerodynamics, probes and sensors. The numerical modelling of this phenomenon generally involves a sequential call to different modules including mesh generation, aerodynamics, droplet trajectories, wall heat transfer, ice accretion and geometry update. The automation of this process is critical as the solvers are embedded in a time loop which is repeated several times (multi-step) to obtain an accurate ice shape prediction. The robustness of ice accretion tools is often limited by the difficulty of generating meshes on complex ice shapes and also by the geometry update which can exhibit overlaps if not treated properly. The objective of this thesis is to investigate the potential of Immersed Boundary Methods (IBMs) to solve these issues by eliminating the user intervention in the mesh update while maintaining the accuracy obtained from a Body-Fitted (BF) approach. The developments are done in the ice accretion suite IGLOO2D, using the Euler equations to model the airflow and a boundary layer model to retrieve the wall heat transfer. The proposed methodology is to use the usual BF mesh to start the simulation and apply the IBM to deal with the ice shape only. Re-meshing is avoided entirely by properly refining the initial mesh where ice accretion is expected. As the ice shape can freely cut through the mesh, the volume solvers (aerodynamics and droplet trajectories) are modified to enforce the boundary conditions on the Immersed Boundary (IB). Surface data extraction at the IB is also performed as required by the surface solvers (boundary layer and ice accretion), which are left unchanged. In addition, the level-set method is implemented as a replacement to the Lagrangian node displacement method in order to solve the issues related to the geometry update. First, an IBM is developed for the Euler equations. The volume penalization method (an IBM) is commonly used for viscous flows but only one application to inviscid compressible flows can be found, which uses the CBVP method. This approach penalizes the Euler equations to enforce a no-penetration velocity and an adiabatic wall while accounting for wall curvature. A new approach based on the CBVP is proposed to impose the conservation of entropy and total enthalpy in the normal direction to the wall instead of the classical adiabatic condition. Numerical tests show that the new CBVP-Hs method is more accurate than the CBVP method on coarser meshes and better at retrieving attached flows for curved geometries. Second, a new penalization method is developed for the Eulerian droplet equations as no vii application to this system of equations is available in the literature. The wall boundary condition must be treated with care to avoid droplets re-injection from a solid boundary into the fluid. This is solved by the introduction of a droplet mask function in addition to the usual solid mask, providing an automatic detection of the wall boundary conditions in the impingement and shadow zones. The results show that a BF solution can be reproduced using this new penalization method. Third, the previously developed penalization methods are integrated in the ice accretion suite along with the level-set method. Multi-step ice shape predictions are performed on 2D rime and glaze ice cases. The results are generally in good agreement with the BF approach but the IBM sometime requires a finer mesh to obtain a good ice shape prediction, especially in the presence of detached flows. The proposed methodology is an interesting alternative to the classical body-fitted approach and should be easy to extend for 3D ice accretion, where the use of an IBM and level-set method is expected to show greater benefits., Le givrage en vol est un danger pour la sécurité d’un aéronef, car il peut affecter son aérodynamique, ses sondes et ses capteurs. La modélisation de ce phénomène se fait généralement par un appel séquentiel à des modules traitant la génération de maillage, l’aérodynamique, la trajectoire des gouttelettes, le transfert de chaleur à la paroi, la thermodynamique et la mise à jour de la géométrie. Il est important d’automatiser ce processus, car les modules sont contenus dans une boucle temporelle (multi pas) pouvant être répétée plusieurs fois pour une prévision adéquate du givre. La robustesse des outils numériques de givrage est souvent limitée par la difficulté à générer un maillage sur des formes de givre complexes et aussi par la mise à jour de la géométrie qui peut mener à des croisements de surfaces.L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer le potentiel des méthodes de frontières immergées (IBMs) de résoudre ces problèmes en éliminant l’intervention de l’utilisateur tout en conservant la même précision que les approches basées sur des maillages conformes (BFM). Les développements sont effectués dans le logiciel IGLOO2D. L’écoulement d’air y est modélisé par les équations d’Euler couplé à un modèle de couche limite. La méthodologie consiste à démarrer les simulations sur un maillage conforme (BF) et d’appliquer l’IBM seulement sur le givre. Un raffinement du maillage initial autour de la zone d’accrétion permet d’éviter complètement le remaillage. Parce que le givre est immergé dans le maillage, les modules volumiques (aérodynamique et gouttelettes) sont modifiés pour appliquer les conditions aux limites sur la frontière immergée (IB). Les données surfaciques sont extraites sur l’IB puisqu’elles sont requises par les modules surfaciques (thermodynamique et couche limite) qui eux, restent inchangés. De plus, une méthode level-set remplace l’approche de déplacement de noeuds habituellement employée pour la mise à jour de la géométrie.Tout d’abord, une nouvelle méthode de pénalisation (une IBM) est proposée pour les équations d’Euler en se basant sur la méthode Characteristic-Based Volume Penalization (CBVP). L’approche provenant de la littérature pénalise les équations d’Euler en appliquant une vitesse de glissement et une paroi adiabatique tout en considérant la courbure de la paroi. Une nouvelle approche (CBVP-Hs) est proposée afin d’imposer la conservation de l’entropie et de l’enthalpie totale dans la direction normale à l’IB, en remplacement de la condition adiabatique. Les résultats démontrent que la nouvelle méthode est plus précise sur des maillages plus grossiers et se comporte mieux sur des géométries à forte courbure. Deuxièmement, une méthode de pénalisation est développée pour la trajectoire des gouttelettes afin de combler un manque dans la littérature. Pour ce système d’équations, la condition v de paroi doit être traitée de façon à éviter une réinjection des gouttelettes dans le fluide à partir d’une paroi solide. Cette situation est réglée par l’ajout d’un masque pour les gouttelettes en plus du masque solide usuel, permettant une détection automatique des conditions aux limites dans la zone d’impact et dans la zone d’ombre des gouttelettes. Les résultats démontrent la capacité de la nouvelle méthode à reproduire le comportement d’une approche BF.Troisièmement, les deux méthodes de pénalisation et la méthode level-set sont intégrées dans IGLOO2D. Des simulations de givrage multi pas sont effectuées en 2D sur des profils d’aile. Les résultats correspondent généralement à ceux obtenus par une approche BF, même si un maillage plus raffiné est parfois nécessaire pour une bonne prévision de la forme du dépôt. Cette thèse offre une alternative intéressante à une approche BF classique tout en permettant une extension facile à des simulations 3D, une application pour laquelle les IBMs et la méthode level-set présentent encore plus d’avantages.

Incompressible and laminar flows of viscoelastic fluids, such as polymer melts and dilute polymer solutions, in straight pipes of non-circular cross-section are characterized by their shear-thinning behaviour by the anisotropy of the second difference of normal stresses leading to the exhibition of secondary flows. These two phenomena lead to a significant enhancement of convective heat transfer compared to the flow of a Newtonian fluid under the same flowing conditions. The incompressible, laminar and time-dependent flow of a viscoelastic fluid is described by the conservation equations of mass, momentum and energy. For highly non-linear fluides, the viscoelastic extra-stress is given by a less or more accurate constitutive models, representative of the actual behavior of the considered viscoelastic fluids. Among of them, we can cote rheological model of Oldroyd-B, the Giesekus model and the Phan-Thien-Tanner model. The system of governing equations obtained is of the mixed type, i.e. parabolo/ellipto/hyperbolic type. This leads to serious numerical difficulties in simulating the flow under such considerations, and needs real challenges to avoid the numerical instabilities, which grow with the Weissenberg number. In this thesis, we propose an original algorithm based on the finite differences method allowing the achievement of double numerical casting in a stable and convergent way preserving the positivity of the conformation tensor in a natural way without any stabilization method. The system of equations composed of the momentum equation and the constitutive equation is first rewritten in a quasi-linear form. Under the checking of the hyperbolicity condition, the pure advection terms resulting from the quasi-linear form are discretized using appropriate high-order schemes of the type WENO(3,5,7,9) and HOUC(3,5,7,9). The incompressibility constraint is satisfied using an incremental projection method based on a semi-implicit BDF2 of second order precision. After validating the accuracy and the degree of convergence of the implemented numerical methods, we present the study of the flow of non-affine viscoelastic fluid in ducts with a square cross section. First, the influence of fluid's elasticity, fluid inertia and the different rheological parameters of the fluid on the primary flow and on the structure and intensity of the secondary flows are studied. Then, we investigated the effect of shear-thinning, the effect of the inertia of secondary flows and the effect of viscous dissipation on the rate of convective heat transfer.; Les écoulements incompressibles et laminaires de fluides viscoélastiques, comme les fluides polymériques et les solutions diluées de polymères, dans des conduites rectilignes de section non-circulaire se distinguent par leur comportement rhéofluidifiant et par l'anisotropie de la seconde différence des contraintes normales conduisant à l'apparition d'écoulements secondaires. Dans les mêmes conditions d'écoulement, ces deux phénomènes entraînent une amélioration significative du transfert thermique convectif comparativement à l'écoulement d'un fluide Newtonien. L'écoulement incompressible, laminaire, anisotherme et dépendant du temps d'un fluide viscoélastique est décrit par les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie. L'extra-contrainte viscoélastique est donnée par des modèles constitutifs plus ou moins fidèles au comportement rhéologique du fluide viscoélastique considéré, comme le modèle rhéologique d'Oldroyd-B, le modèle de Giesekus et le modèle de Phan-Thien-Tanner. Le système d'équations ainsi obtenu est du type mixte (du type parabolo/ellipto/hyperbolique). Nous proposons dans cette thèse un algorithme original basé sur la méthode des différences finies permettant la réalisation de double coulage numérique d'une manière stable et convergente tout en conservant la positivité du tenseur de conformation sans aucune méthode de stabilisation. Le système d'équations est réécrit sous une forme quasi-linéaire. Sous la vérification de la condition d'hyperbolicité, les termes d'advection pure résultant de la forme quasi-linéaire, traités d'une façon explicite, sont discrétisés en utilisant des schémas appropriés d'ordre élevé du type WENO(3,5,7,9) et HOUC(3,5,7,9). La contrainte d'incompressibilité (couplage pression/vitesse) est satisfaite à l'aide d'une méthode de projection incrémentale basée sur un schéma semi-implicite BDF2. Après avoir procédé à la validation de la précision et de la convergence des méthodes numériques implémentées, nous présentons l'étude de l'écoulement d'un fluide viscoélastique non-affine dans une conduite de section carrée. L'influence de l'élasticité du fluide, de l'inertie du fluide et des différents paramètres rhéologiques sur l’écoulement principal, la structure et l'intensité des écoulements secondaires, ainsi que l'effet de la dissipation visqueuse sur le taux du transfert thermique convectif sont étudiés.

This manuscript presents a numerical analysis of the influence of chemical or topographic surface texturing on the static and dynamic behaviour of a drop.The numerical method used for this work is the Lattice Boltzmann method. It is a method that can both consider the global interactions of a fluid and the local interactions between fluid and solid which is ideal for simulating wetting. This method is coupled to a pseudo-potential interaction model which allows to simulate the interactions between two fluids. In addition, in order to control the interactions between fluids and a chemically textured solid, an improvement of a fluid-solid interaction model is proposed.By simulating wetting on textured surfaces using this numerical tool, two triple line phenomenons are observed as a function of the textures: sticking and release.The sticking phenomenon has the effect of blocking the triple line under certain conditions, depending on the intensity of the textures. If these conditions are not respected, the triple line is still slowed down depending on the intensity of the texture. The phenomenon of sticking tends to reduce the spread of a drop.The releasing phenomenon is the opposite of sticking, it has the effect of forcing a displacement of the triple line. This displacement is induced by a triple line acceleration when a texture is crossed. The releasing phenomenon tends to increase the spread of a drop.By dynamic study, it has been shown that the liquid-gas interface is deformed during spreading. This deformation propagates within the drop and can locally exceed the equilibrium conditions of a drop on a surface. In addition, when the triple line crosses a texture, deformation at the liquid-gas interface is also generated and propagated.In the light of these results, the influence of texturing on the spreading of a drop is finally discussed: the behaviour of the triple line and the deformation of the liquid-gas interface.; Ce mémoire de thèse présente une analyse numérique de l'influence de la texturation chimique ou topographique de surface sur le comportement statique et dynamique d'une goutte. La méthode numérique utilisée pour ces travaux est la méthode Lattice Boltzmann. C'est une méthode qui peut à la fois prendre en compte des interactions globales d'un fluide et des interactions locales entre fluide et solide ce qui est idéal pour simuler le mouillage. Cette méthode est couplée à un modèle d'interaction par pseudo-potentiel qui permet de simuler les interactions entre deux fluides. De plus, afin de contrôler les interactions entre les fluides et un solide texturé chimiquement, une amélioration d'un modèle d'interaction fluide-solide est proposée. En simulant le mouillage sur surfaces texturées à l'aide de cet outil numérique, deux phénomènes de ligne triple sont observés en fonction des textures : le collage et la relâche.Le phénomène de collage a pour effet de bloquer la ligne triple dans certaines conditions, en fonction de l'intensité des textures. Si ces conditions ne sont pas respectées, la ligne triple est tout de même ralentie en fonction de l'intensité de la texture. Le phénomène de collage tend à réduire l'étalement d'une goutte.Le phénomène de relâche est opposé au collage, il a pour effet de forcer un déplacement de ligne triple. Ce déplacement est induit par une accélération de ligne triple lorsqu'une texture est franchie. Le phénomène de relâche tend à augmenter l'étalement d'une goutte.Par l'étude dynamique, il a été montré que l'interface liquide-gaz se déforme pendant l'étalement. Cette déformation se propage dans la goutte et peut localement dépasser les conditions d'équilibre d'une goutte sur une surface. De plus, lorsque la ligne triple traverse une texture, une déformation au niveau de l'interface liquide-gaz est aussi générée et propagée.A la lumière de ces résultats, est finalement discutée l'influence de la texturation sur l'étalement d'une goutte : le comportement de la ligne triple et la déformation de l'interface liquide-gaz.

The response of open optical resonators to excitation can be expressed as a superposition of their intrinsic resonances, their quasinormal modes (QNM), which are loaded by the driving field and decay exponentially in time due to power leakage or absorption. Quasinormal modes are the eigensolutions of the time-harmonic Maxwell’s equations et complex eigenfrequencies and allow more physical insight to be brought into the analysis of resonator dynamics. However, due to the complexity in modeling the open resonators and computing their modes, numerical tools such as linear eigenmode solvers are frequently called upon. The numerical discretization of the problem and some of the methods used to satisfy boundary conditions manifest themselves in the form of numerical modes that bear no physical meaning but complete the QNM basis and allow it to converge if many modes are included in the expansion. We also verify that the multiple formulas that exist for the auxiliary-field formulation of the QNM expansion have a similar origin and produce the same results. We compute the modes of periodic resonator structures to reconstruct the spectra on a wide spectrum of frequencies. We try to make the expansion converge with the least amount of modes by finding a way to classify them then explore the dependence of the modes on numerical parameters. Finally, we devised a way to obtain convergent results with few modes by interpolating from a few real frequency computations.; La réponse des résonateurs optiques ouverts suite à leur excitation peut sedécrire par la superposition de leurs résonances intrinsèques, leurs modes quasinormaux (QNM), qui sont excités par un champ incident et qui s’atténuent exponentiellement dans le temps à cause de fuites d’énergie et l’absorption. Les QNMs sont les vecteurs propres des équations de Maxwell harmoniques et permettent d’obtenir plus d’informations sur la dynamique du résonateur. Cependant, la complexité de la modélisation des résonateurs et du calcul des modes amènent à l’utilisation d’outils numériques pour résoudre ces systèmes équations linéaires afin de trouver les modes. La discrétisation du problème et certaines méthodes utilisées pour vérifier les conditions d’onde sortantes se manifestent à travers des modes numériques qui complètent la base des QNMs et qui permettent à la superposition de modes de converger si un grand nombre de modes, physiques et numériques, sont pris en compte. Nous vérifions que les formules qui existent pour la méthode des champs auxiliaires appliquée aux QNMs ont une origine commune et produisent des résultats similaires. Nous calculons les modes de structures périodiques afin de reconstruire le champs sur un spectre fréquentiel large. Nous essayons de faire converger la superposition des QNMs en trouvant un moyen de classifier les modes et explorons ensuite la dépendance des modes à certains paramètres numériques. Nous faisons converger la reconstruction modale du champ avec peu de modes en interpolant.

In this thesis, we are interested in the mathematical modeling of cardiac electrophysiology and more precisely, the numerical study of the electrical activity of the heart. One of the challenges of this scientific theme is to reconstruct the electrical information on the cardiac surface from measurements taken on the thoracic surface. Such a problem is called the inverse problem. First, we analyze several methods of solving the inverse problem present in the literature and we propose a new approach of regularization based on the flow of electric current at the cardiac surface. The results are illustrated using simulated and experimental data. Next, we are interested in machine learning methods. Several models of artificial neural networks are created and developed to solve the inverse problem. We show that this approach improves the results of reconstruction of the cardiac electrical potential compared to classical inverse methods. Then, the greatest contribution of this thesis consists in the development of an artificial neural network model for cardiac activation mapping. The latter is characterized by a very great robustness against the noise previously present in the thoracic electrical signals. The last part is devoted to the comparison between the different models developed previously in order to determine the best numerical approach for cardiac activation mapping. The study is conducted using a simulated data set. We prove that methods based on machine learning provide the best results., Dans cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation mathématique de l’électrophysiologie cardiaque et plus précisément, l’étude numérique de l’activité électrique du coeur. L’un des défis de cette thématique scientifique consiste à reconstruire l’information électrique à la surface cardiaque à partir des mesures réalisées à la surface thoracique. Un tel problème est appelé problème inverse. Dans un premier temps, nous analysons plusieurs méthodes de résolution du problème inverse présentes dans la littérature et nous proposons une nouvelle approche de régularisation basée sur le flux du courant électrique à la surface cardiaque. Les résultats sont illustrés moyennant des données simulées et expérimentales. Ensuite, nous nous intéressons aux méthodes d’apprentissage automatique. Plusieurs modèles de réseaux de neurones artificiels sont créés et développés pour résoudre le problème inverse. Nous montrons que cette approche améliore les résultats de reconstruction du potentiel électrique cardiaque par rapport aux méthodes inverses classiques. Puis, Le plus grand apport de cette thèse consiste au développement d’un modèle de réseau neuronal artificiel de cartographie d’activation cardiaque. Ce dernier se caractérise par une très grande robustesse face au bruit préalablement présent dans les signaux électriques thoraciques. La dernière partie est consacrée à la comparaison entre les différents modèles développés auparavant afin de déterminer la meilleure approche numérique de cartographie de l’activation cardiaque. L’étude est menée en utilisant un jeu de données simulées. Nous prouvons que les méthodes basées sur l’apprentissage automatique fournissent les meilleurs résultats.

Since the beginning of the space race, high-frequency instabilities have been one of the major issues of liquid rocket engines development and qualification. In order to investigate the acoustic response of cryogenic flames to high-frequency acoustic fields, experimental campaigns have been carried out on the MASCOTTE test bench, during which the chamber was supplied with five Lox/Methane coaxial injectors and was equipped with the Very High Amplitude Modulator (VHAM) to generate acoustic excitation. This paper presents LES simulations of one subcritical operating point of the MASCOTTE-VHAM test campaign performed in the frame of ONERA/CNES joint research program on high-frequency instabilities. The response of the chamber to several acoustic modulations was studied. The simulations show that the flames response is maximized for a modulation corresponding to the 1T1L chamber eigenmode. In this case, the liquid core length is drastically reduced, the atomization and the combustion are enhanced., Depuis le début de la course à l'espace, les instabilités à haute fréquence sont l'un des enjeux majeurs du développement et de la qualification des moteurs de fusées à propergol liquide. Afin d'étudier la réponse acoustique des flammes cryogéniques aux champs acoustiques haute fréquence, des campagnes expérimentales ont été menées sur le banc d'essai MASCOTTE. Pour cette campagne, la chambre était équipée de cinq injecteurs coaxiaux Lox/Méthane et d’un dispositif permettant de générer une excitation acoustique de très haute amplitude (VHAM). Cet article présente les simulations LES d'un point de fonctionnement subcritique de la campagne d'essais MASCOTTE-VHAM réalisées dans le cadre du programme de recherche conjoint ONERA/CNES sur les instabilités haute fréquence. La réponse de la chambre à plusieurs modulations acoustiques a été étudiée. Les simulations montrent que la réponse des flammes est maximisée pour une modulation correspondant au mode propre de la chambre, le mode 1T1L. Dans ce cas, la longueur du cœur liquide est considérablement réduite, l'atomisation et la combustion sont renforcées.

Surface wave breaking, occurring from the ocean to the coastal zone, is a complex and challenging two-phase flow phenomenon which plays an important role in numerous processes, including air–sea transfer of gas, momentum and energy. Recent modelling attempts are struggling with the lack of physical knowledge of the finest details of the breaking processes. Furthermore, no universal scaling laws for physical variables have been found so far. Hence, parameterising and characterising breaking dynamics becomes very difficult.A numerical momentum preserving method, based on literature, has been developed during the thesis in order reach the finest details of the breaking process for capillary-gravity waves. This method reduces the nonphysical sea-air exchange of momentum during the simulation which allows to perform highly accurate simulations of the breaking process. This method is verified on literature verification cases. And it is validated on laboratory experiments such as drop impact on deep pool and breaking plunging wave on the sloping beach. These verifications and validations confirm the use the method developed during the following study on breaking wave.The breaking of capillary-gravity waves was investigated with the variation of the wave depth. In the literature, most of the experimental and numerical results were performed for deep water wave. The study is focused on the influence of the depth on the breaking dynamics. The surface geometry, underwater vorticities and total energy are studied for more than 170 simulations of the breaking of a Stokes wave on a flat bottom. The numerous simulations results permit to create a breaking map for three different ratios of water depth over the wavelength. The plunging and spilling breaking types were subdivided following the observations done on the simulations. The studies performed during the thesis lead to a better understanding of the breaking wave of capillary-gravity waves for intermediate depth.; Le déferlement des vagues, qui se produit de l'océan vers la zone côtière, est un phénomène d'écoulement diphasique complexe qui joue un rôle important dans de nombreux processus, notamment sur le transfert de matière, de quantité de mouvement et d'énergie entre l'air et l'océan. Les récentes tentatives de modélisation se heurtent au manque de connaissances physiques des plus petits détails des processus de déferlement. En outre, aucune loi d'échelle universelle pour les variables physiques n'a été trouvée jusqu'à présent.Une méthode de préservation de la quantité de mouvement, basée sur des travaux récents de la littérature, a été développée pendant la thèse afin d'atteindre les plus fins détails du processus de déferlement pour les ondes capillo-gravitaires. Cette méthode réduit l'échange non physique de la quantité de mouvement entre deux fluides pendant la simulation, ce qui permet d'effectuer des simulations très précises de déferlement de vague. Cette méthode a été vérifiée sur des cas de vérification de la littérature et validée par des expériences réalisées en laboratoire, telles que l'impact d'une goutte d'eau sur une surface libre et le déferlement d'une vague plongeante sur une plage. Ces vérifications et validations confirment l'utilisation de la méthode développée lors de l'étude suivante sur le déferlement des vagues.Dans la littérature, la plupart des résultats expérimentaux et numériques ont été réalisés pour des vagues en eau profonde. L'étude se concentre sur l'influence de la profondeur sur la dynamique du déferlement. La géométrie de surface, les anneaux de vorticité sous-marins et l'énergie totale sont étudiés pour plus de 170 simulations précises du déferlement d'une vague de Stokes sur un fond plat. Les nombreux résultats des simulations ont permis la génération de carte de déferlements pour trois différentes profondeurs d'eau. Les types de déferlements plongeant et glissant ont été subdivisés en fonction des observations faites. Ainsi, les études réalisées au cours de la thèse ont permis d'accroître les connaissances sur le déferlement d'ondes capillo-gravitaires de profondeurs d'eau intermédiaires.

Crude oil extraction and production lead to the formation of an emulsion of water and oil, which must be separated before being conveyed to the process installation or re-injected in the reservoir. Reducing the cost of the separation by optimizing the system requires a good understanding of the physics of emulsions. Emulsions are a multiscale/multiphysics problem involving a wide range of length scales and time scales. In particular, coalescence is a key process to be understood. Due to the difficulty of physical experimentations, numerical simulations of emulsions are appealing. Where using a single VOF function always allows coalescence at the mesh size and using different VOF functions for different drops always avoid coalescence (it is computationally expensive to use as many VOF functions as there are drops). Based on the idea that drops far enough away from one another can use the same VOF function, an efficient algorithm is developed to avoid coalescence for a large number of drops using only a few VOF functions. Furthermore, these non-coalescing drops can also be tracked over time and allowed to coalesce after the desired amount of contact time. This opens the door for efficient subgrid-scale modeling of the coalescence process. The analysis of large coalescing and non-coalescing emulsions with Bo = O(1) and Ar = O(1) have shown instabilities with a wavelength independent from the domain size characterized by the drop diameter. In coalescing emulsions filaments formation controlled by the domain size appeared. The delay in total settling time of an emulsion is also demonstrated by varying the coalescence time using the control coalescence algorithm., L'extraction et la production de pétrole brut conduisent à la formation d'une émulsion d'eau et d'huile, qui doit être séparée avant d'être acheminée vers l'installation de procédé ou réinjectée dans le réservoir. Réduire le coût de la séparation en optimisant le système nécessite une bonne compréhension de la physique des émulsions. Les émulsions sont un problème multi-échelles / multiphysiques impliquant une large gamme d'échelles de longueur et d'échelles de temps. En particulier, la coalescence est un processus clé à comprendre. En raison de la difficulté des expérimentations physiques, les simulations numériques d'émulsions sont attrayantes. Lorsque l'utilisation d'une seule fonction VOF permet toujours la coalescence à la taille du maillage et l'utilisation de différentes fonctions VOF pour différentes gouttes évite toujours la coalescence (il est coûteux en calcul d'utiliser autant de fonctions VOF qu'il y a de gouttes). Sur la base de l'idée que les chutes suffisamment éloignées les unes des autres peuvent utiliser la même fonction VOF, un algorithme efficace est développé pour éviter la coalescence d'un grand nombre de gouttes en utilisant seulement quelques fonctions VOF. En outre, ces gouttes non coalescentes peuvent également être suivies dans le temps et autorisées à fusionner après la durée de contact souhaitée. Cela ouvre la porte à une modélisation efficace à l'échelle du sous-réseau du processus de coalescence. L'analyse de grandes émulsions coalescentes et non coalescentes avec Bo = O (1) et Ar = O (1) a montré des instabilités avec une longueur d'onde indépendante de la taille de domaine caractérisée par le diamètre de goutte. Dans les émulsions coalescentes, une formation de filaments contrôlée par la taille du domaine est apparue. Le retard du temps de stabilisation total d'une émulsion est également démontré en faisant varier le temps de coalescence à l'aide de l'algorithme de coalescence témoin.