Dissertationen zum Thema „Multi-Scale numerical methods“

Notre objectif principal est le développement et l’analyse de schémas numériques multi-échelles pour la simulation de modèles multi-fluides appliqués au plasma froids basse-pression. La configuration d’intérêt inclut typiquement l’apparition d’instabilités et de gaines, des zones chargées micrométriques qui se forment lors du contact d’un plasma avec des parois. Le modèle prototype est le système d’Euler-Poisson isotherme, mais nous considérons également les modèles simplifiés des équations hyperboliques de la chaleur et d’Euler-friction isotherme pour analyser et développer les méthodes numériques. Dans un premier axe, nous développons et analysons un schéma préservant l’asymptotique d’ordre deux couplé temps-espace implicite-explicite pour les équations hyperboliques de la chaleur (cas linéaire). Nous étendons ensuite la méthode au cas non-linéaire des équations d’Euler-friction isotherme avec coefficient de relaxation non-uniforme. Nous montrons également des résultats théoriques supplémentaires sur des limiteurs de flux adaptés schémas préservant l’asymptotique, et sur une nouvelle méthode équilibre. Dans un second axe, nous proposons plusieurs méthodes numériques pour les équations d’Euler-Poisson ayant une meilleure résolution des configurations avec gaines. Dans un dernier axe, ces méthodes sont utilisées pour effectuer une étude paramétrique de gaines isothermes 2D rectangulaires, à divers régimes collisionnels et ratios d’aspect. Nous comparons nos résultats à des simulations PIC et à des solutions de référence. Nous montrons qu’une simulation d’un modèle fluide avec une méthode numérique adaptée permet une accélération substantielle du calcul et une meilleure précision de la solution obtenue. Nous discutons de l’extension des méthodes multi-échelles aux équations d’Euler complètes et au cas magnétisé dans les perspectives de notre travail
Our main focus is the design and analysis of multi-scale numerical schemes for the simulation of multi-fluid models applied to low-temperature low-pressure plasmas. Our typical configuration of interest includes the onset of instabilities and sheaths, i.e. micrometric charged boundary layers that form at the plasma chamber walls. Our prototypical plasma model is the isothermal Euler-Poisson system of equations, but we also consider simpler models, the hyperbolic heat equations and the isothermal Euler-friction Equations, for the development and analysis of numerical methods. In a first axis, we develop and analyze a uniformly asymptotic-preserving second-order time-space coupling implicit-explicit method for the hyperbolic heat equations (linear case). We provide theoretical results on flux limiters for asymptotic-preserving methods, and a new well-balanced strategy. In a second axis, we propose several methods for the Euler-Poisson system of equations, to improve the accuracy of simulations of configurations featuring sheaths. In a third axis, we use these methods to conduct a parametric study of a 2D (rectangular) isothermal non-magnetized plasma discharge with sheaths, at various collisional regimes and aspect-ratios. We compare our result to PIC simulations and reference solutions. We show that simulating a fluid model with a tailored numerical method substantially reduces the time of simulation and improves the accuracy of the obtained solution. A discussion on the extensions of the multi-scale methods for the full non-isothermal Euler equations and to highly-magnetized cases is provided in the perspectives of our work

Bien que les matériaux composites renforcés par fibres végétales (PFCs) représentent une solution attractive pour la conception de structures légères, performantes et à faible coût environnemental, leur développement nécessite des études approfondies concernant les mécanismes à la base du comportement non-linéaire en traction exprimé, ainsi que de la variabilité des propriétés mécaniques. Compte tenu de leur caractère multi-échelle, ces travaux de thèse visent à contribuer, via une approche numérique, à l’étude de la propagation de comportement à travers les échelles des PFCs. Dans un premier temps, l’étude se focalise sur l’échelle fibre : un modèle 3D de comportement de la paroi est d’abord implémenté dans un calcul EF, afin d’établir l’influence de la morphologie de la fibre sur le comportement exprimé. Une fois l’impact non négligeable de la morphologie déterminé, une étude des liens entre morphologie, matériau et ultrastructure et comportement en traction est menée via une analyse de sensibilité dans le cas du lin et du chanvre. La deuxième partie du travail es dédiée à l’échelle du pli de composite. Une nouvelle approche multi-échelle stochastique est développée et implémentée. Elle est basée sur la définition d’un volume élémentaire (VE) à microstructure aléatoire pour décrire le comportement du pli. L’approche est ensuite utilisée pour étudier la sensibilité du comportement du VE aux paramètres nano, micro et mésoscopiques. L’analyse de sensibilité, menée via le développement de la réponse sur la base du chaos polynomial, nous permet ainsi de construire un métamodèle du comportement du pli
Although plant-fiber reinforced composites (PFCs) represent an attractive solution for the design of lightweight, high performance and low environmental cost structures, their development requires in-depth studies of the mechanisms underlying their nonlinear tensile behavior, as well as variability of mechanical properties. Given their multi-scale nature, this thesis aims to contribute, using a numerical approach, to the study of the propagation of behavior across the scales of PFCs. Firstly, the study focuses on the fiber scale: a 3D model of the behavior of the wall is first implemented in an EF calculation, in order to establish the influence of fiber morphology on the tensile behavior. Once the non-negligible impact of the morphology has been determined, a study of the links between morphology, material and ultrastructure and tensile behavior is conducted via a sensitivity analysis in the case of flax and hemp. The second part of the work is dedicated to the composite ply scale. A new stochastic multi-scale approach is developed and implemented. It is based on the definition of an elementary volume (VE) with random microstructure to describe the behavior of the ply. The approach is then used to study the sensitivity of VE behavior to nano, micro and mesoscopic parameters. Sensitivity analysis, conducted via the development of the response on the basis of polynomial chaos, allows us to construct a metamodel of the tensile behavior of the ply

Les structures planaires de tailles finies sont de plus en plus utilisées dans les applications des satellites et des radars. Deux grands types de ces structures sont les plus utilisés dans le domaine de la conception RF à savoir Les Surfaces Sélectives en Fréquence (FSS) et les Reflectarrays. Les FSSs sont un élément clé dans la conception de systèmes multifréquences. Elles sont utilisées comme filtre en fréquence, et trouvent des applications telles que les radômes, les réflecteurs pour antenne Cassegrain, etc. Les performances des FSSs sont généralement évaluées en faisant l'hypothèse d'une FSS de dimension infinie et périodique en utilisant les modes de Floquet, le temps de calcul étant alors réduit quasiment à celui de la cellule élémentaire. Plusieurs méthodes permettant la prise en compte de la taille finie des FSSs ont été développées. La méthode de Galerkin basée sur l'approche rigoureuse permet la prise en compte des interactions entre les différents éléments du réseau, mais cette technique ne fonctionne que pour les FSSs de petite taille, typiquement 3x3 éléments. Pour les grands réseaux, cette méthode n'est plus adaptée, car le temps de calcul et l'exigence en mémoire deviennent trop grands. Donc, une autre approche est utilisée, celle basée sur la décomposition spectrale en onde plane. Elle permet de considérer un réseau fini comme un réseau périodique infini, illuminé partiellement par une onde plane. Avec cette approche, des FSSs de grande taille sont simulées, mais elle ne permet pas dans la plupart des cas, de prendre en compte les couplages qui existent entre les différentes cellules du réseau, les effets de bord non plus. La simulation des FSSs par les méthodes numériques classiques basées sur une discrétisation spatiale (méthode des éléments finis, méthode des différences finies, méthode des moments) ou spectrale (méthodes modales) aboutit souvent à des matrices mal conditionnées, des problèmes de convergence numérique et/ou des temps de calcul excessifs. Pour éviter tous ces problèmes, une technique appelée technique par changements d'échelle tente de résoudre ces problèmes. Elle est basée sur le partitionnement de la géométrie du réseau en plusieurs sous-domaines imbriqués, définis à différents niveaux d'échelle du réseau. Le multi-pôle de changement d'échelle, appelé Scale-Changing Networks (SCN), modélise le couplage électromagnétique entre deux échelles successives. La cascade de ces multi-pôles de changement d'échelle, permet le calcul de la matrice d'impédance de surface de la structure complète et donc la modélisation globale du réseau. Ceci conduit à une réduction significative en termes de temps de calcul et d'espace mémoire par rapport aux méthodes numériques classiques. Comme le calcul des multi-pôles de changement d'échelle est mutuellement indépendant, les temps d'exécution peuvent encore être réduits de manière significative en parallélisant le calcul. La SCT permet donc de modéliser des FSSs Finies tout en prenant en compte le couplage entre les éléments adjacents du réseau
The finite size planar structures are increasingly used in applications of satellite and radar. Two major types of these structures are the most used in the field of RF design ie Frequency Selective Surfaces (FSS) and the Reflectarrays. The FSSs are a key element in the design of multifrequency systems. They are used as frequency filter, and find applications such as radomes, reflector Cassegrain antenna, etc.. The performances of FSSs are generally evaluated by assuming an infinite dimensional FSS using periodic Floquet modes, the computation time is then reduced almost to that of the elementary cell. Several methods have been developed for taking into account the finite dimensions of arrays. For example the Galerkin method uses a rigorous element by element approach. With this method, the exact interactions between the elements are taken into account but this technique works only for small FSS, typically 3x3 elements. For larger surfaces, this method is no more adapted. The computation time and the memory requirement become too large. So another approach is used based on plane wave spectral decomposition. It allows considering the finite problem as a periodic infinite one locally illuminated. With this approach, large FSS are indeed simulated, but the exact interactions between the elements are not taken into account, the edge effects either. The simulation of FSS by conventional numerical methods based on spatial meshing (finite element method, finite difference, method of moments) or spectral (modal methods) often leads in the practice to poorly conditioned matrices, numerical convergence problems or/and excessive computation time. To avoid these problems, a new technique called Scale Changing Technique attempts to solve these problems. The SCT is based on the partition of discontinuity planes in multiple planar sub-domains of various scale levels. In each sub- omain the higher-order modes are used for the accurate representation of the electromagnetic field local variations while low-order modes are used for coupling the various scale levels. The electromagnetic coupling between scales is modelled by a Scale Changing Network (SCN). As the calculation of SCN is mutually independent, the execution time can still be significantly reduced by parallelizing the computation. With the SCT, we can simulate large finite FSS, taking into account the exact interactions between elements, while addressing the problem of excessive computation time and memory

Cette thèse traite de la solution numérique de deux types de problèmes stochastiques. Premièrement, nous nous intéressons aux EDS fortement oscillantes, c'est-à-dire, les systèmes composés de variables ergodiques évoluant rapidement par rapport aux autres. Nous proposons un algorithme basé sur des résultats d'homogénéisation. Il est défini par un schéma d'Euler appliqué aux variables lentes couplé avec un estimateur à pas décroissant pour approcher la limite ergodique des variables rapides. Nous prouvons la convergence forte de l'algorithme et montrons que son erreur normalisée satisfait un résultat du type théorème limite centrale généralisé. Nous proposons également une version extrapolée de l'algorithme ayant une meilleure complexité asymptotique en satisfaisant les mêmes propriétés que la version originale. Ensuite, nous étudions la solution des EDS de type McKean-Vlasov (EDSPR-MKV) associées à la solution de certains problèmes de contrôle sous un environnement formé d'un grand nombre de particules ayant des interactions du type champ-moyen. D'abord, nous présentons un nouvel algorithme, basé sur la méthode de cubature sur l'espace de Wiener, pour approcher faiblement la solution d'une EDS du type McKean-Vlasov. Il est déterministe et peut être paramétré pour atteindre tout ordre de convergence souhaité. Puis, en utilisant ce nouvel algorithme, nous construisons deux schémas pour résoudre les EDSPR-MKV découplées et nous montrons que ces schémas ont des convergences d'ordres un et deux. Enfin, nous considérons le problème de réduction de la complexité de la méthode présentée tout en respectant la vitesse de convergence énoncée.

Gardiens de l’espace, les lanceurs de fusée font l’objet d’une amélioration continue et concurrentielle, grâce à des campagnes de tests expérimentaux et numériques. Les simulations prédictives sont devenues indispensables pour accroître notre compréhension de la physique. Ajustables, elles se prêtent parfaitement à la conception et l’optimisation, en particuliers de la chambre de combustion, pour garantir la sureté et maximiser l’efficacité. L’atomisation primaire est l’un des phénomènes déterminants de la combustion du combustible et de l’oxydant, pilotant à la fois la distribution de gouttes et les potentielles instabilités hautes-fréquences en conditions sous-critiques. Elle couvre un large spectre de topologies d’écoulement diphasique, depuis ceux de type phases séparées jusqu’à la phase dispersée, en passant par une région mixte caractérisée par la complexité de la physique à petites échelles et de la topologie de l’écoulement. Les modèles d’ordre réduit constituent de bons candidats pour réaliser des simulations numériques prédictives et relativement peu coûteuses en ressource de calcul sur des configurations industrielles. Cependant, jusqu’à présent ils ne décrivent correctement que la dynamique des grandes échelles et doivent donc être couplés à des modèles de phase dispersée nécessitant un réglage minutieux de paramètres pour prédire la formation du spray. Afin de décrire à la fois les régions mixte et dispersée, l’amélioration de la hiérarchie de modèles d’ordre réduit repose sur quelques principes clefs au cœur de la thèse ci-présente et fournit des problèmes interdisciplinaires faisant appel tant à l’analyse mathématique et la modélisation physique de ces systèmes d’EDP qu’à leur discrétisation numérique et leur implémentation dans des codes de CFD à des fins industriels. Grâce d’une part à l’extension de la théorie des équations de conservation supplémentaires à des systèmes impliquant des termes non-conservatifs et d’autre part à un formalisme de thermodynamique multi-fluide tenant compte des effets non-idéaux, nous proposons de nouvelles pistes pour définir une entropie de mélange strictement convexe et consistante avec le système d’équation et les lois de pression, dans le but de permettre la symmétrisation entropique des modèles diphasiques, de prouver leur hyperbolicité et d’obtenir des termes sources généraux. De plus, en rompant avec la vision géométrique de l’interface, nous proposons une description multi-échelle de l’interface pour décrire un mélange multi-fluide comportant une dynamique interfaciale complexe. Le Principe de Moindre Action a permis de dériver un modèle bifluide à une vitesse couplant grandes et petites échelles de l’écoulement. Nous avons ensuite développé une stratégie de séparation d’opérateurs basée sur la discrétisation par Volumes Finis, et nous avons implémenté le nouveau modèle dans le logiciel industriel multiphysique de CFD, CEDRE, de l’ONERA afin d’évaluer numériquement ce dernier. Enfin, nous avons construit et analysé les fondations d’une hiérarchie de cas tests accessibles à la DNS tout en étant au plus proche de configurations industrielles, dans le but d’évaluer les résultats de simulations du nouveau modèle ou de tout autre modèle à venir
Gatekeepers to the open space, launchers are subject to intense and competitive enhancements, through experimental and numerical test campaigns. Predictive numerical simulations have become mandatory to increase our understanding of the physics. Adjustable, they provide early-stage optimization processes, in particular of the combustion chamber, to guaranty safety and maximize efficiency. One of the major physical phenomenon involved in the combustion of the fuel and oxidizer is the jet atomization, which pilotes both the droplet distributions and the potential high-frequency instabilities in subcritical conditions. It encompasses a large sprectrum of two-phase flow topologies, from separated phases to disperse phase, with a mixed region where the small scale physics and topology of the flow are very complex. Reduced-order models are good candidates to perform predictive but low CPU demanding simulations on industrial configurations but have only been able so far to capture large scale dynamics and have to be coupled to disperse phase models through adjustable and weakly reliable parameters in order to predict spray formation. Improving the hierarchy of reduced order models in order to better describe both the mixed region and the disperse region requires a series of building blocks at the heart of the present work and give on to complex problems in the mathematical analysis and physical modelling of these systems of PDE as well as their numerical discretization and implementation in CFD codes for industrial uses. Thanks to the extension of the theory on supplementary conservative equations to system of non-conservation laws and the formalism of the multi-fluid thermodynamics accounting for non-ideal effects, we give some new leads to define a strictly convex mixture entropy consistent with the system of equations and the pressure laws, which would allow to recover the entropic symmetrization of two-phase flow models, prove their hyperbolicity and obtain generalized source terms. Furthermore, we have departed from a geometric approach of the interface and proposed a multi-scale rendering of the interface to describe multi-fluid flow with complex interface dynamics. The Stationary Action Principle has returned a single velocity two-phase flow model coupling large and small scales of the flow. We then have developed a splitting strategy based on a Finite Volume discretization and have implemented the new model in the industrial CFD software CEDRE of ONERA to proceed to a numerical verification. Finally, we have constituted and investigated a first building block of a hierarchy of test-cases designed to be amenable to DNS while close enough to industrial configurations in order to assess the simulation results of the new model but also to any up-coming models

A multi-domain homogenization method is proposed and developed in this thesis based on a two-scale technique. The method is capable of analyzing composite structures with several periodic distributions by partitioning the entire domain of the composite into substructures making use of the classical homogenization theory following a first-order standard continuum mechanics formulation. The need to develop the multi-domain homogenization method arose because current homogenization methods are based on the assumption that the entire domain of the composite is represented by one periodic or quasi-periodic distribution. However, in some cases the structure or composite may be formed by more than one type of periodic domain distribution, making the existing homogenization techniques not suitable to analyze this type of cases in which more than one recurrent configuration appears. The theoretical principles used in the multi-domain homogenization method were applied to assemble a computational tool based on two nested boundary value problems represented by a finite element code in two scales: a) one global scale, which treats the composite as an homogeneous material and deals with the boundary conditions, the loads applied and the different periodic (or quasi-periodic) subdomains that may exist in the composite; and b) one local scale, which obtains the homogenized response of the representative volume element or unit cell, that deals with the geometry distribution and with the material properties of the constituents. The method is based on the local periodicity hypothesis arising from the periodicity of the internal structure of the composite. The numerical implementation of the restrictions on the displacements and forces corresponding to the degrees of freedom of the domain's boundary derived from the periodicity was performed by means of the Lagrange multipliers method. The formulation included a method to compute the homogenized non-linear tangent constitutive tensor once the threshold of nonlinearity of any of the unit cells has been surpassed. The procedure is based in performing a numerical derivation applying a perturbation technique. The tangent constitutive tensor is computed for each load increment and for each iteration of the analysis once the structure has entered in the non-linear range. The perturbation method was applied at the global and local scales in order to analyze the performance of the method at both scales. A simple average method of the constitutive tensors of the elements of the cell was also explored for comparison purposes. A parallelization process was implemented on the multi-domain homogenization method in order to speed-up the computational process due to the huge computational cost that the nested incremental-iterative solution embraces. The effect of softening in two-scale homogenization was investigated following a smeared cracked approach. Mesh objectivity was discussed first within the classical one-scale FE formulation and then the concepts exposed were extrapolated into the two-scale homogenization framework. The importance of the element characteristic length in a multi-scale analysis was highlighted in the computation of the specific dissipated energy when strain-softening occurs. Various examples were presented to evaluate and explore the capabilities of the computational approach developed in this research. Several aspects were studied, such as analyzing different composite arrangements that include different types of materials, composites that present softening after the yield point is reached (e.g. damage and plasticity) and composites with zones that present high strain gradients. The examples were carried out in composites with one and with several periodic domains using different unit cell configurations. The examples are compared to benchmark solutions obtained with the classical one-scale FE method.
En esta tesis se propone y desarrolla un método de homogeneización multi-dominio basado en una técnica en dos escalas. El método es capaz de analizar estructuras de materiales compuestos con varias distribuciones periódicas dentro de un mismo continuo mediante la partición de todo el dominio del material compuesto en subestructuras utilizando la teoría clásica de homogeneización a través de una formulación estándar de mecánica de medios continuos de primer orden. La necesidad de desarrollar este método multi-dominio surgió porque los métodos actuales de homogeneización se basan en el supuesto de que todo el dominio del material está representado por solo una distribución periódica o cuasi-periódica. Sin embargo, en algunos casos, la estructura puede estar formada por más de un tipo de distribución de dominio periódico. Los principios teóricos desarrollados en el método de homogeneización multi-dominio se aplicaron para ensamblar una herramienta computacional basada en dos problemas de valores de contorno anidados, los cuales son representados por un código de elementos finitos (FE) en dos escalas: a) una escala global, que trata el material compuesto como un material homogéneo. Esta escala se ocupa de las condiciones de contorno, las cargas aplicadas y los diferentes subdominios periódicos (o cuasi-periódicos) que puedan existir en el material compuesto; y b) una escala local, que obtiene la respuesta homogenizada de un volumen representativo o celda unitaria. Esta escala se ocupa de la geometría, y de la distribución espacial de los constituyentes del compuesto así como de sus propiedades constitutivas. El método se basa en la hipótesis de periodicidad local derivada de la periodicidad de la estructura interna del material. La implementación numérica de las restricciones de los desplazamientos y las fuerzas derivadas de la periodicidad se realizaron por medio del método de multiplicadores de Lagrange. La formulación incluye un método para calcular el tensor constitutivo tangente no-lineal homogeneizado una vez que el umbral de la no-linealidad de cualquiera de las celdas unitarias ha sido superado. El procedimiento se basa en llevar a cabo una derivación numérica aplicando una técnica de perturbación. El tensor constitutivo tangente se calcula para cada incremento de carga y para cada iteración del análisis una vez que la estructura ha entrado en el rango no-lineal. El método de perturbación se aplicó tanto en la escala global como en la local con el fin de analizar la efectividad del método en ambas escalas. Se lleva a cabo un proceso de paralelización en el método con el fin de acelerar el proceso de cómputo debido al enorme coste computacional que requiere la solución iterativa incremental anidada. Se investiga el efecto de ablandamiento por deformación en el material usando el método de homogeneización en dos escalas a través de un enfoque de fractura discreta. Se estudió la objetividad en el mallado dentro de la formulación clásica de FE en una escala y luego los conceptos expuestos se extrapolaron en el marco de la homogeneización de dos escalas. Se enfatiza la importancia de la longitud característica del elemento en un análisis multi-escala en el cálculo de la energía específica disipada cuando se produce el efecto de ablandamiento. Se presentan varios ejemplos para evaluar la propuesta computacional desarrollada en esta investigación. Se estudiaron diferentes configuraciones de compuestos que incluyen diferentes tipos de materiales, así como compuestos que presentan ablandamiento después de que el punto de fluencia del material se alcanza (usando daño y plasticidad) y compuestos con zonas que presentan altos gradientes de deformación. Los ejemplos se llevaron a cabo en materiales compuestos con uno y con varios dominios periódicos utilizando diferentes configuraciones de células unitarias. Los ejemplos se comparan con soluciones de referencia obtenidas con el método clásico de elementos finitos en una escala.

The mechanical reliability of electronic components has become harder and harder to predict due to the use of composite materials. One of the key issues is creating an accurate model of the delamination mechanism, which consists in the separation of two different bounded materials. This phenomenon is a very challenging issue that is investigated in the Nano Interface Project (NIP), in which this thesis is involved. The macroscopic adhesion force is governed by several parameters described at different length scales. Among these parameters, the roughness profile of the interface has a pronounced influence. The main difficulty for an accurate delamination characterization is then investigating the effects of this roughness profile and the modifications it implies for the overall cohesion. The objective of the NIP is to develop an interface model for the numerical testing of electronic components in a finite element software. The problem is that a direct modeling of all the mechanisms described previously is really expensive in term of computation time, if possible at all. This difficulty is increased by the huge mismatch of the mechanical properties of the materials in contact. A scale transition method is therefore required, which is provided by homogenization. The idea is to consider the delamination at a wider scale. Rather than modeling the whole roughness profile, the adhesion at the interface will be described by homogenized, or macroscopic, parameters extracted from a representative model at the micro-scale, the RVE. This thesis will deal with the determination of these homogenized parameters.

A multi-domain homogenization method is proposed and developed in this thesis based on a two-scale technique. The method is capable of analyzing composite structures with several periodic distributions by partitioning the entire domain of the composite into substructures making use of the classical homogenization theory following a first-order standard continuum mechanics formulation. The need to develop the multi-domain homogenization method arose because current homogenization methods are based on the assumption that the entire domain of the composite is represented by one periodic or quasi-periodic distribution. However, in some cases the structure or composite may be formed by more than one type of periodic domain distribution, making the existing homogenization techniques not suitable to analyze this type of cases in which more than one recurrent configuration appears. The theoretical principles used in the multi-domain homogenization method were applied to assemble a computational tool based on two nested boundary value problems represented by a finite element code in two scales: a) one global scale, which treats the composite as an homogeneous material and deals with the boundary conditions, the loads applied and the different periodic (or quasi-periodic) subdomains that may exist in the composite; and b) one local scale, which obtains the homogenized response of the representative volume element or unit cell, that deals with the geometry distribution and with the material properties of the constituents. The method is based on the local periodicity hypothesis arising from the periodicity of the internal structure of the composite. The numerical implementation of the restrictions on the displacements and forces corresponding to the degrees of freedom of the domain's boundary derived from the periodicity was performed by means of the Lagrange multipliers method. The formulation included a method to compute the homogenized non-linear tangent constitutive tensor once the threshold of nonlinearity of any of the unit cells has been surpassed. The procedure is based in performing a numerical derivation applying a perturbation technique. The tangent constitutive tensor is computed for each load increment and for each iteration of the analysis once the structure has entered in the non-linear range. The perturbation method was applied at the global and local scales in order to analyze the performance of the method at both scales. A simple average method of the constitutive tensors of the elements of the cell was also explored for comparison purposes. A parallelization process was implemented on the multi-domain homogenization method in order to speed-up the computational process due to the huge computational cost that the nested incremental-iterative solution embraces. The effect of softening in two-scale homogenization was investigated following a smeared cracked approach. Mesh objectivity was discussed first within the classical one-scale FE formulation and then the concepts exposed were extrapolated into the two-scale homogenization framework. The importance of the element characteristic length in a multi-scale analysis was highlighted in the computation of the specific dissipated energy when strain-softening occurs. Various examples were presented to evaluate and explore the capabilities of the computational approach developed in this research. Several aspects were studied, such as analyzing different composite arrangements that include different types of materials, composites that present softening after the yield point is reached (e.g. damage and plasticity) and composites with zones that present high strain gradients. The examples were carried out in composites with one and with several periodic domains using different unit cell configurations. The examples are compared to benchmark solutions obtained with the classical one-scale FE method.
En esta tesis se propone y desarrolla un método de homogeneización multi-dominio basado en una técnica en dos escalas. El método es capaz de analizar estructuras de materiales compuestos con varias distribuciones periódicas dentro de un mismo continuo mediante la partición de todo el dominio del material compuesto en subestructuras utilizando la teoría clásica de homogeneización a través de una formulación estándar de mecánica de medios continuos de primer orden. La necesidad de desarrollar este método multi-dominio surgió porque los métodos actuales de homogeneización se basan en el supuesto de que todo el dominio del material está representado por solo una distribución periódica o cuasi-periódica. Sin embargo, en algunos casos, la estructura puede estar formada por más de un tipo de distribución de dominio periódico. Los principios teóricos desarrollados en el método de homogeneización multi-dominio se aplicaron para ensamblar una herramienta computacional basada en dos problemas de valores de contorno anidados, los cuales son representados por un código de elementos finitos (FE) en dos escalas: a) una escala global, que trata el material compuesto como un material homogéneo. Esta escala se ocupa de las condiciones de contorno, las cargas aplicadas y los diferentes subdominios periódicos (o cuasi-periódicos) que puedan existir en el material compuesto; y b) una escala local, que obtiene la respuesta homogenizada de un volumen representativo o celda unitaria. Esta escala se ocupa de la geometría, y de la distribución espacial de los constituyentes del compuesto así como de sus propiedades constitutivas. El método se basa en la hipótesis de periodicidad local derivada de la periodicidad de la estructura interna del material. La implementación numérica de las restricciones de los desplazamientos y las fuerzas derivadas de la periodicidad se realizaron por medio del método de multiplicadores de Lagrange. La formulación incluye un método para calcular el tensor constitutivo tangente no-lineal homogeneizado una vez que el umbral de la no-linealidad de cualquiera de las celdas unitarias ha sido superado. El procedimiento se basa en llevar a cabo una derivación numérica aplicando una técnica de perturbación. El tensor constitutivo tangente se calcula para cada incremento de carga y para cada iteración del análisis una vez que la estructura ha entrado en el rango no-lineal. El método de perturbación se aplicó tanto en la escala global como en la local con el fin de analizar la efectividad del método en ambas escalas. Se lleva a cabo un proceso de paralelización en el método con el fin de acelerar el proceso de cómputo debido al enorme coste computacional que requiere la solución iterativa incremental anidada. Se investiga el efecto de ablandamiento por deformación en el material usando el método de homogeneización en dos escalas a través de un enfoque de fractura discreta. Se estudió la objetividad en el mallado dentro de la formulación clásica de FE en una escala y luego los conceptos expuestos se extrapolaron en el marco de la homogeneización de dos escalas. Se enfatiza la importancia de la longitud característica del elemento en un análisis multi-escala en el cálculo de la energía específica disipada cuando se produce el efecto de ablandamiento. Se presentan varios ejemplos para evaluar la propuesta computacional desarrollada en esta investigación. Se estudiaron diferentes configuraciones de compuestos que incluyen diferentes tipos de materiales, así como compuestos que presentan ablandamiento después de que el punto de fluencia del material se alcanza (usando daño y plasticidad) y compuestos con zonas que presentan altos gradientes de deformación. Los ejemplos se llevaron a cabo en materiales compuestos con uno y con varios dominios periódicos utilizando diferentes configuraciones de células unitarias. Los ejemplos se comparan con soluciones de referencia obtenidas con el método clásico de elementos finitos en una escala.

L'objectif est d'élaborer un nouveau procédé de fabrication de mousses métalliques par voie de fonderie en modélisant l'infiltration et la solidification d'un métal liquide dans un milieu poreux. La modélisation est faite en deux étapes.Tout d'abord, à l'échelle locale un brin de la mousse métallique est considéré comme un tube capillaire et l'infiltration et solidification d'un métal liquide dans un moule cylindrique est étudiée. Deuxièmement,le modèle macroscopique de la solidification diffusive d'un métal liquide dans un milieu poreux est obtenu par prise de moyenne volumique. Le modèle local est codée dans un outil CFD opensource et trois études paramétriques ont été faites permettant la détermination des relations de la longueur et le temps d'infiltration en fonction de paramètres de fonctionnement. La modélisation de la solidification d’un métal liquide dans un milieu poreux est simplifié en considérant que le moule est complètement saturé par un métal liquide au repos,par suite la solidification se produit par diffusion pure (pas de convection). L'équilibre thermique local (LTE) est considéré entre les phases solide et liquide du métal tandis qu'un non équilibre thermique local (LTNE) est retenue entre la phase métallique et le moule. Les problèmes de fermeture associés ainsi que le problème macroscopique ont été résolus numériquement
The objective of this work is to elaborate a new manufacturing process of metal foams via casting by modelling the infiltration and solidification of liquid metal inside a porous medium.However, due to the complexity of this problem the study is divided into two steps. First, at local scale one strut of the metal foam is considered as a capillary tube and the infiltration and solidification of liquid metal inside a cylindrical mould is studied. Second, a macroscopic model of diffusive solidification is derived using the volume average method. The local model is coded in an open source CFD tool and three parametric studies were done where the relations between the infiltration length and time as function of the operating parameters are determined. The modelling of the solidification of liquid metal inside a porous medium is simplified by considering that the mould is fully saturated by liquid metal at rest, solidification occurs by pure diffusion. Local thermal equilibrium (LTE) is considered between the solid and liquid phases of the metal while local thermal non equilibrium (LTNE) is retained between the metallic mixture and the mould. The associated closure problems as well as the macroscopic problem were numerically solved

In the first part of this work we want to propose a model able to reproduce correctly the dynamics of a crowd in bounded domains (for example rooms and corridors) and in presence of obstacles, and also to discuss the emergence of some behaviors induced by panic. Starting from the analysis of a microscopic description for a small crowd one can deduce some mesoscopic and macroscopic models when the number of agents increases and the crowd is more comparable to gases and fluids. In the second part we want to propose some multi-temperature models for gas mixtures by means of standard tools of kinetic theory. Some descriptions are proposed also in presence of chemical reactions and of an internal structure for molecules to take non-translational degrees of freedom into account. The resulting models are tested on the classical problem of the steady shock wave and the occurence of smooth solutions and sub-shocks is discussed for varying parameters.

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems
Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden

L'objectif de cette thèse est de développer des techniques de modélisation et de simulation multi-échelle avancées et efficaces pour étudier les phénomènes d'instabilité dans trois structures d'ingénierie courantes: membrane, film/substrat et structures sandwich, en combinant la technique des coefficients de Fourier lentement variables (TSVFC) et la méthode numérique asymptotique (ANM). À cette fin, basée sur les équations de la plaque de Von Karman, la TSVFC été utilisée pour développer un modèle de Fourier à bidimensionnel (2D) qui a également été implémenté dans ABAQUS via sa sous-routine UEL. Ensuite, un 2D modèle de Fourier est construit pour le film/substrat. En outre, en utilisant leurs caractéristiques de déformation, un 1D modèle de Fourier est développé en utilisant à la fois le TSVFC et le CUF. Par la suite, sur la base d'une cinématique Zig-Zag d'ordre supérieur, un 2D modèle de Fourier est déduit pour une plaque sandwich. Les équations directrices pour les modèles ci-dessus sont discrétisées par la méthode des éléments finis, et les systèmes non linéaires résultants sont résolus par le solveur non linéaire efficace et robuste ANM. Ces modèles sont ensuite adoptés pour étudier les instabilités dans ces structures. Les résultats montrent que les modèles établis peuvent simuler avec précision et efficacité divers phénomènes d'instabilité. En outre, on constate que l'instabilité membranaire est sensible aux conditions aux limites et qu'il existe un paramètre sans dimension presque constant près du point de bifurcation pour différents cas de charge et paramètres géométriques, ce qui peut être utile pour prédire rapidement l'apparition des rides
The main aim of this thesis is to develop advanced and efficient multi-scale modeling and simulation techniques to study instability phenomena in three common engineering structures, i.e., membrane, film/substrate and sandwich structures, by combining the Technique of Slowly Variable Fourier Coefficients (TSVFC) and the Asymptotic Numerical Method (ANM). Towards this end, based on the Von Karman plate equations, the TSVFC has been firstly used to develop a two-dimensional (2D) Fourier double-scale model for membrane, which has also been implemented into ABAQUS via its subroutine UEL. Then a 2D Fourier model is constructed for film/substrate. Further, making use of deformation features of the film/substrate, a 1D Fourier model is developed by using both the TSVFC and the Carrera’s Unified Formulation (CUF). Subsequently, based on high-order kinematics belonging to Zig-Zag theory, a 2D Fourier model is deduced for sandwich plate. The governing equations for the above models are discretized by the Finite Element Method, and the resulting nonlinear systems are solved by the efficient and robust nonlinear solver ANM. These models are then adopted to study instabilities in these structures. Results show that the established models could accurately and efficiently simulate various instability phenomena. Besides, it’s found that the membrane instability is very sensitive to boundary conditions, and there exists a dimensionless parameter that is almost constant near bifurcation point for various loading cases and geometric parameters, which may be helpful for fast predicting the occurrence of wrinkles

Cette thèse porte sur l'application d'une méthode d'éléments finis multi-échelles (MsFEM) pour résoudre les écoulements incompressibles dans des milieux multi-échelles. En effet, la simulation de l'écoulement dans un milieu multi-échelle comportant de nombreux obstacles, tel que le cœur d'un réacteur nucléaire, est un défi de taille. Afin de capturer avec précision les échelles les plus fines de l'écoulement, il est nécessaire d'utiliser un maillage très fin. Cependant, cela conduit souvent à des simulations difficiles à réaliser en raison du manque de ressources informatiques. Pour remédier à cette limitation, cette thèse développe une MsFEM non-conforme enrichie pour résoudre les écoulements visqueux incompressibles dans des milieux hétérogènes, basée sur la méthode classique des éléments finis non conformes de Crouzeix--Raviart avec des fonctions de poids d'ordre élevé. La MsFEM utilise un maillage grossier sur lequel de nouvelles fonctions de base sont définies. Ces fonctions ne sont pas les fonctions de base polynomiales classiques des éléments finis, mais résolvent les équations de la mécanique des fluides sur les éléments du maillage grossier. Ces fonctions sont elles-mêmes approximées numériquement sur un maillage fin, en tenant compte de tous les détails géométriques, ce qui confère à cette méthode son aspect multi-échelle. Une étude théorique de la MsFEM proposée est menée aux niveaux continu et discret. Tout d'abord, le caractère bien posé des problèmes locaux discrets impliqués dans la MsFEM a été démontré à l'aide de nouvelles familles d'éléments finis. Pour ce faire, une nouvelle famille d'éléments finis non conformes en trois dimensions sur les tétraèdres a été développée. En outre, la première estimation d'erreur pour l'approximation du problème de Stokes dans des milieux perforés périodiques à l'aide de cette MSFEM est établie, démontrant sa convergence. Cette estimation est basée sur la théorie de l'homogénéisation du problème de Stokes dans les domaines périodiques et sur la théorie usuelle des éléments finis. Au niveau numérique, la MsFEM pour résoudre les problèmes de Stokes et d'Oseen en deux et trois dimensions a été implémenté dans un cadre massivement parallèle dans FreeFEM. En outre, une méthodologie pour résoudre le problème de Navier-Stokes est fournie
This thesis is concerned with the application of a Multi-scale Finite Element Method (MsFEM) to solve incompressible flow in multi-scale media. Indeed, simulating the flow in a multi-scale media with numerous obstacles, such as nuclear reactor cores, is a highly challenging endeavour. In order to accurately capture the finest scales of the flow, it is necessary to use a very fine mesh. However, this often leads to intractable simulations due to the lack of computational resources. To address this limitation, this thesis develops an enriched non-conforming MsFEM to solve viscous incompressible flows in heterogeneous media, based on the classical non-conforming Crouzeix--Raviart finite element method with high-order weighting functions. The MsFEM employs a coarse mesh on which new basis functions are defined. These functions are not the classical polynomial basis functions of finite elements, but rather solve fluid mechanics equations on the elements of the coarse mesh. These functions are themselves numerically approximated on a fine mesh, taking into account all the geometric details, which gives the multi-scale aspect of this method. A theoretical investigation of the proposed MsFEM is conducted at both the continuous and discrete levels. Firstly, the well-posedness of the discrete local problems involved in the MsFEM was demonstrated using new families of finite elements. To achieve this, a novel non-conforming finite element family in three dimensions on tetrahedra was developed. Furthermore, the first error estimate for the approximation of the Stokes problem in periodic perforated media using this MSFEM is derived, demonstrating its convergence. This is based on homogenization theory of the Stokes problem in periodic domains and on usual finite element theory. At the numerical level, the MsFEM to solve the Stokes and the Oseen problems in two and three dimensions is implemented in a massively parallel framework in FreeFEM. Furthermore, a methodology to solve the Navier–Stokes problem is provided

Les transferts thermiques par rayonnement dans des mousses sont modélisés à partir de la morphologie du matériau et des propriétés de sa phase solide. Dans ce travail de thèse, une attention particulière est portée sur les modèles radiatifs de Monte Carlo. Les différentes approches d’homogénéisation telles que « Homogeneous Phase » (HPA) and « Multi Phase » (MPA) sont discutées et comparées. Des développements novateurs sont proposés pour améliorer la précision des résultats. Nos avancées permettent de générer numériquement trois types de mousses périodiques couvrant un large domaine de matériaux cellulaires: mousse à pores fermés à haute porosité, mousse à cellules ouvertes à basse et haute porosité. Pour ces dernières, des comparaisons morphologiques avec des données expérimentales tomographiques, montrent des résultats satisfaisants et tendent à valider nos modèles de génération. Des mousses dont la phase solide est opaque ont tout d’abord été étudiées. Nos simulations ont permis de trouver de nouvelles lois analytiques précises permettant d’estimer les propriétés radiatives de ces matériaux à partir de données morphologiques. Ensuite, nous avons considéré des mousses, dont la phase solide est semi transparente. La modélisation du transfert radiatif au sein de ces milieux cellulaires est plus complexe. Les méthodes de modélisation des propriétés radiatives de la littérature, HPA et MPA, sont testées. Des simulations de Monte carlo directes dans les matériaux ont permis de mettre en exergue les limites de ces modèles. Des modèles novateurs ont été proposés afin d’ améliorer la précision des simulations. Ils sont basés sur une méthode hybride directe-inverse et une modification de l’équation de transfert radiatif classique. Ces nouveaux modèles (HPA+ et MPA+) ont été testés sur un ensemble varié de morphologies générées numériquement. Les modèles améliorés sont systématiquement plus précis que les modèles existants
Cellular media such as plastic, ceramic and metal foams present specific characteristics that make them interesting for a number of applications related to thermal engineering. Their ability to minimize natural convection makes them ideal candidates for insulation applications, while the high specific surface and permeability to fluid of open cell foams makes them interesting heat transfer enhancers. In addition, their permeability to light makes them an ideal candidate for thermal radiation based applications, such as porous burners or solar energy collectors. In many of these application, thermal radiation heat transfer can have a significant influence on the heat transfer process. Both accurate radiation models and accurate morphological models of the structure of the foam are required. This work provides an original contribution on both these accounts. A discussion of the literature on numerical methods for radiation heat transfer in cellular media is presented, with focus on Monte Carlo methods. Homogeneous Phase (HPA) and Multi Phase (MPA) methods are discussed. Further efforts are required to accurately model and digitally replicate of foam morphologies. Our goal is to digitally generate three commonly occurring types of foam structures, covering a large range of real materials: high-porosity open cell foams, high-porosity closed cell foams, low-porosity open-cell structures. For high-porosity open cell foams, the automated parametric digital generation technique was validated against a dataset consisting of raw morphological data obtained by tomographic analysis. The generation capabilities were then applied to parametrically investigate the influence of morphological parameters on the radiative properties (namely, the extinction coefficient) of an opaque open-cell foam. Highly accurate analytical relationships were subsequently deduced and validated by comparison with results obtained from tomography samples. Modeling radiation in foams with a semi-transparent solid phase is substantially more complex. A Direct Monte-Carlo Homogenization reference technique is proposed, that allows to simulate radiation within arbitrary cavities and calculate macroscopic radiative quantities based on a Representative Elementary Volume (REV) of cellular material. The technique is validated against full scale Monte Carlo simulations. Improvements of the existing Homogeneous Phase and Multi Phase approach are proposed, through extensive use of inverse methods and the addition of one equation to take into account specific phenomena taking place in the semi-transparent solid phase. The resulting Improved Homogenized Approaches are extensively tested by comparing them with Direct Monte Carlo Homogenization simulations and existing homogenized models, on a varied set of morphologies making full use of the previously developed digital generation techniques. The improved models consistently outperform existing homogenized models

Cette thèse s'intéresse à la problématique du contact entre matériaux hétérogènes. L'industrie (automobile, aéronautique, spatiale, ...) s'intéresse de plus en plus à ces types de matériaux. Il s'agira par exemple des alliages métalliques, des matériaux poreux, matériaux composites (composites tissés, interlocks 3D, interlocks 2D), des billes céramiques contenant des impuretés (porosités/précipités),... Dans ce manuscrit, un modèle de contact basé sur les méthodes semi-analytiques a été développé. Un algorithme de gradient conjugué est utilisé afin de résoudre rapidement le problème de contact. Le modèle permet de prendre en compte la présence d'une ou de plusieurs hétérogénéités isotropes/anisotropes dans le problème de contact. Une approche inspirée de la méthode de l'inclusion équivalente proposée par Eshelby est utilisée dans le solveur de contact pour prendre en compte l'effet de ces hétérogénéités. Les méthodes de transformées de Fourier rapides (FFT) permettent d'accélérer les calculs. Une méthode numérique a été mise en œuvre afin de prendre en compte l'interaction entre plusieurs hétérogénéités. Le massif peut être élastique ou viscoélastique. L'approche développée dans la thèse peut résoudre à la fois les problèmes d'indentation, de roulement/glissement ou de fretting en présence de matériaux élastiques hétérogènes, viscoélastiques homogènes ou hétérogènes. Les solutions sont données en termes de champs de pressions, de cisaillements et de contraintes. Dans le cas des matériaux viscoélastiques le code de calcul est capable de fournir le coefficient de frottement apparent ainsi que toutes les variables de contact aussi bien en régime permanent que transitoire. Le modèle a été validé par comparaison avec la méthode des éléments finis classiques en utilisant le logiciel commercial Abaqus v6.11. Le temps de calcul ainsi que l'espace mémoire nécessaire sont considérablement réduits par rapport à la méthode éléments finis. La parallélisation a été introduite dans le code de contact afin de réduire toujours plus le temps de calcul. Il s'agit d'un code robuste, rapide et facilement utilisable en Bureau d'Etudes. Une approche expérimentale originale a été mise en place afin de mesurer les champs de déplacements à l'interface des corps en contact. De bonnes corrélations essais/calculs ont été obtenues. Enfin quelques applications industrielles ont été présentées. Un couplage entre un code éléments finis structurel et le code semi-analytique de résolution de contact a été également réalisé
The present PhD thesis deals with contact problems between heterogeneous materials. Nowadays heterogeneous materials are extensively used in several industrial domains (automotive, aeronautics, aerospace, ...). Heterogeneous materials involve porous materials, aluminum alloys, composites materials (woven composites, interlocks 3D, interlocks 2D), metallic or ceramics materials containing impurities (porosities/precipitates). In this work, a contact model based on semi-analytical method is proposed. A conjugate gradient algorithm is used for a fast resolution of contact equations. The model can account for one or more isotropic/anisotropic inhomogeneities. An approach taking inspiration from the Eshelby equivalent inclusion method is used in the contact solver to account for the effect of inhomogeneities. 2D and 3D Fast Fourier Transforms (FFT) are used to speed up the computation. A numerical method is implemented in order to take into account interactions between many heterogeneities. The semi-infinite space/ matrix can be either elastic or visco-elastic. The model developed in the present PhD thesis can solve indentation, rolling/sliding or fretting contact problems between heterogeneous elastic materials, homogeneous or heterogeneous visco-elactic materials. In the case of visco-elastic materials, the model permits to get the solution in terms of contact pressure distribution, subsurface stresses, apparent friction coefficient, both in the transient and then steady-state regimes. The model has been validated by performing a comparison with the results of a finite element model. The CPU time and memory necessary are greatly reduced in comparison with the classical finite element method. The model developed is fast, robust and extremely easy to use. An original experimental approach was proposed in order to measure the displacement fields at interface of two contacting bodies. A good agreement between experimental results and numerical simulations is obtained. Finally, the model is applied on some industrial applications. A coupling between a finite element model and the semi-analytical code allow to take into account the effects of structure on contact problem

Cette thèse porte sur le développement de modèles multi-échelles du comportement hygro-mécanique pour l'étude de la stabilité dimensionnelle de lamellés collés aboutés (LCAs) en Pinus pinaster (Ait.). Les structures en bois sont soumises à des variations dimensionnelles dues aux modifications des ambiances climatiques. Dans le cadre des structures LCAs, la stabilité dimensionnelle peut être atteinte via une conception systématique en fonction des propriétés des lamelles constituantes. Dans ce but, un modèle multi-échelles reposant sur une étude bibliographique exhaustive des propriétés du Pinus pinaster (Ait.) a été développé. Ce modèle permet d'obtenir spatialement, grâce à l'utilisation d'une méthode d'homogénéisation numérique et d'un métamodèle basé sur les hypersurfaces Non-Uniform Rational Basis-Spline (NURBS), les propriétés hétérogènes, variables et anisotropes de lamelles de Pinus pinaster (Ait.). De plus, des configurations de LCAs, reposant sur la théorie des stratifiés, ont été proposées et soumises expérimentalement à des variations d'ambiance climatiques. Les déplacements induits sont mesurés grâce à une méthode de corrélation d'images numériques. In fine, une comparaison des déplacements est réalisée qui permet de recommander des configurations de LCAs améliorant la stabilité dimensionnelle des LCAs du groupe Gascogne Bois
This thesis focuses on the development of a multi-scale model of the hygro-mechanical behaviour and the study of the shape stability of glued laminated timber (GLT) made of Pinus pinaster (Ait.). Wooden structures are subject to dimensional variations due to changes in climatic conditions. In the case of GLT structures, shape stability can be achieved through systematic design based on the properties of the constituent lamellae. To this end, a multi-scale model based on an exhaustive bibliographic study of the properties of Pinus pinaster (Ait.) has been developed. Using a numerical homogenisation method and a metamodel based on Non-Uniform Rational Basis-Spline (NURBS) hypersurfaces, this model provides a spatial representation of the heterogeneous, variable, and anisotropic properties of Pinus pinaster (Ait.) lamellae. In addition, configurations of GLTs, based on laminate theory, have been proposed and experimentally subjected to variations in climatic conditions. The induced displacements are measured using a digital image correlation method. Finally, a comparison of the displacements is carried out, enabling the recommendation of GLT configurations that improve the shape stability of the GLTs produced by the Gascogne Bois company

In this thesis we are concerned with mathematical methods and models for traffic flow, with special emphasis to second-order effects like Stop & Go waves. To begin with, we investigate the sensitivity of the celebrated Lighthill-Whitham-Richards model on network to its parameters and to the network itself. The quantification of sensitivity is obtained by measuring the Wasserstein distance between two LWR solutions corresponding to different inputs. To this end, we propose a numerical method to approximate the Wasserstein distance between two density distributions defined on a network. After that, we present a new multi-scale method for reproducing traffic flow, which couples a first order macroscopic model with a second-order microscopic model, avoiding any interface or boundary conditions between them. The new multi-scale model is characterized by the fact that microscopic and macroscopic descriptions are not spatially or temporally separated. Furthermore, a delayed LWR model on networks is proposed in order to allow simple first-order models to describe complex second-order effects caused by bounded accelerations. A time delay term is introduced in the flux term and its impact is studied from the numerical point of view. Lastly, we focus on Stop & Go waves, a typical phenomenon of congested traffic flow. Real data are used to point out the main features of this phenomenon, then we investigate the possibility to reproduce it using new traffic models specifically conceived for this purpose

The present dissertation develops an invariant framework for 3D gesture comparison studies. 3D gesture comparison without Lagrangian models is challenging not only because of the lack of prediction provided by physics, but also because of a dual geometry representation, spatial dimensionality and non-linearity associated to 3D-kinematics. In 3D spaces, it is difficult to compare curves without an alignment operator since it is likely that discrete curves are not synchronized and do not share a common point in space. One has to assume that each and every single trajectory in the space is unique. The common answer is to assert the similitude between two or more trajectories as estimating an average distance error from the aligned curves, provided that the alignment operator is found. In order to avoid the alignment problem, the method uses differential geometry for position and orientation curves. Differential geometry not only reduces the spatial dimensionality but also achieves view invariance. However, the nonlinear signatures may be unbounded or singular. Yet, it is shown that pattern recognition between intrinsic signatures using correlations is robust for position and orientation alike. A new mapping for orientation sequences is introduced in order to treat quaternion and Euclidean intrinsic signatures alike. The new mapping projects a 4D-hyper-sphere for orientations onto a 3D-Euclidean volume. The projection uses the quaternion invariant distance to map rotation sequences into 3D-Euclidean curves. However, quaternion spaces are sectional discrete spaces. The significance is that continuous rotation functions can be only approximated for small angles. Rotation sequences with large angle variations can only be interpolated in discrete sections. The current dissertation introduces two multi-scale approaches that improve numerical stability and bound the signal energy content of the intrinsic signatures. The first is a multilevel least squares curve fitting method similar to Haar wavelet. The second is a geodesic distance anisotropic kernel filter. The methodology testing is carried out on 3D-gestures for obstetrics training. The study quantitatively assess the process of skill acquisition and transfer of manipulating obstetric forceps gestures. The results show that the multi-scale correlations with intrinsic signatures track and evaluate gesture differences between experts and trainees.

Groundwater flow modelling provides an important quantitative instrument for addressing issues related to the quantity and quality of groundwater and the connected water resources. Consequently, groundwater flow models have been developed and used ubiquitously in science to deepen the understanding of subsurface processes and their drivers as well as management and planning tools. The present work investigates how numerical models can be linked to field investigations and public databases to quantitatively approach questions in the area of groundwater research. The primary goal is to develop new, efficient ways to overcome limitations of the individual hydrological concepts for solving specific hydrological problems and to increase the understanding of practical applicability of different methods. For this purpose, tailor-made approaches were developed for different study areas covering diverse spatial scales: the hydrology of a small mining lake, the riparian aquifer at the scale of a single meander as well as the aquifer systems of a large-scale river basin in China. The first part of the work deals with the physical and mathematical modelling of water constituents balance in a meromictic mining lake in Lusatia. The capability of using a rather simple mass-balance model based on a sufficient dataset of field data to evaluate lake stratification and lake-groundwater interaction were shown. In the second part, a transient numerical groundwater flow model was developed for the riparian aquifer of a stream meander and was calibrated by three different salt tracer tests. The model was used to proof the reliability of subsurface travel times derived from time series analysis and to give insights in the riparian zone dynamics during changing hydraulic gradients. The third part of the work describes the methodology to conduct risk assessment of groundwater contamination on the large catchment scale of the Songhua River in China. A comprehensive literature study was conducted to get an overview about measurement data on water quality data in China. A three-dimensional numerical flow and mass transport model was applied to access the flow and matter transport dynamics in the aquifer system of a sub-basin considering changing groundwater exploitation scenarios. Consequently, numerical groundwater modelling was combined with processed remote sensing and web mapping service data to overcome field data limitations and to derive groundwater vulnerability, groundwater hazard and groundwater risk maps for the entire Songhua River Basin. Summarizing, this doctoral thesis could develop new methods of combining field measurements, data assimilation and aggregation from various sources and groundwater modelling strategies and successfully apply these methods to find solutions on problems of multiple scales and across water systems.
Die Grundwassermodellierung stellt eine wichtige wissenschaftliche Methode zur quantitativen Analyse von Fragestellungen zum Schutz der Menge und Güte der Grundwasserressourcen sowie der angeschlossenen Wasserkörper dar. Dementsprechend werden Grundwassermodelle sowohl für Planungs- und Bewertungszwecke im Wasserressourcenmanagement als auch zur wissenschaftlichen Erforschung der Prozesse im Untergrund entwickelt und angewendet. Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Rahmen, wie numerische Modelle, Feldmessungen und Daten generiert aus Fernerkundungsdaten und Webplattformen systematisch verknüpft werden können, um Fragestellungen im Bereich der Grundwasserforschung quantitativ zu beantworten. Das Ziel der Arbeit ist es neue effiziente Abläufe zu entwickeln, die die Limitierung der einzelnen Methoden überwinden und diese auf deren Anwendbarkeit für die Lösung spezifischer hydrologischer Probleme zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden in dieser Doktorarbeit fallspezifische Lösungen für verschiedene Untersuchungsgebiete entwickelt, die sowohl in der räumlichen Skale als auch in den zu untersuchenden hydrologischen Fragestellungen eine große Diversität aufweisen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Massenbilanz von Wasserinhaltsstoffen in einem meromiktischen Tagebaurestsee im Lausitzer Revier durch physikalische und mathematische Modellierungsmethoden untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass auf Basis einer gewonnenen mehrjährigen Zeitreihe von Messdaten ein einfaches Massenbilanzmodell in der Lage ist, sowohl Seeschichtungs- als auch Grundwasseraustauschdynamiken quantitativ zu beschreiben. Der zweite Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines transienten numerischen Grundwassermodells für den quartären Uferaquifer im Bereich eines Flussmäanders der Selke welches anhand von Daten aus mehreren Salztracertests kalibriert wurde. Das Modell wurde dafür verwendet die transienten Verweilzeiten in der gesättigten Zone des Mäanderbogens unter dem Einfluss dynamischer hydraulischer Bedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden im Anschluss mit Verweilzeiten verglichen, die aus der Analyse der zeitlichen Verschiebung von gemessenen elektrischen Leitfähigkeitszeitreihen zwischen Fluss und Grundwassermessstellen gewonnen wurden. Durch dieses kombinierte Verfahren konnten sowohl die Beschränkungen der zeitreihenbasierten Verweilzeitberechnung aufgezeigt als auch ein tieferes Systemverständnis für die Interaktionsdynamiken zwischen Grund- und Flusswasser auf der Mäanderskala gewonnen werden. Der dritte Teil der Arbeit beschreibt die Vorgehensweise für die Bewertung des Grundwasserkontaminationsrisikos im Einzugsgebiet des Songhua Flusses in China. Eine umfassende Literaturstudie wurde durchgeführt, um einen Überblick über die Verfügbarkeit von Messdaten zur Belastung der Wasserressourcen Chinas mit organischen Schadstoffen zu erhalten. Danach wurde für ein Teileinzugsgebiet ein dreidimensionales numerisches Grundwassermodell auf Basis der vorhandenen hydrogeologischen Daten aufgebaut. Dieses wurde dazu verwendet die Änderungen im Stofftransports und den Schadstoffkonzentrationen innerhalb des Aquifersystems unter steigenden Entnahmeraten zu analysieren. Basierend auf diesen Studien wurden auf der Skale des Gesamteinzugsgebiets, um die beschränkte Verfügbarkeit von Felddaten auszugleichen, die Ergebnisse der numerischen Grundwassermodellierung mit Fernerkundungsdaten und Webdatenbanken in einem Indexsystem kombiniert mit dem für die oberflächennahen Aquifere Vulnerabilität, Gefährdungspotential und Verschmutzungsrisiko in einer räumlichen Auflösung von 1 km² bestimmt wurden. Zusammenfassend konnten durch die vorliegende Doktorarbeit neue passgenaue Methoden zur effektiven Kombination von in-situ Messungen, der Datenerhebung und Datenintegration aus vielfältigen Datenquellen sowie numerischen Grundwassermodellierungsstrategien entwickelt und zur Lösung der untersuchten hydrologischer Fragestellen auf den verschiedenen Skalen und über die Grenzen der einzelnen hydrologischen Teilsysteme hinaus erfolgreich angewandt werden.