Dissertations / Theses on the topic 'Modèle numérique multi-échelle'

Nos travaux concernent la mise en oeuvre d'une méthode multiéchelle pour faciliter la simulation numérique de structures complexes, appliquée à la modélisation de composants aéronautiques (notamment pour les pièces tournantes de turboréacteur et des structures composites stratifiées). Ces développements sont basés autour de la méthode Arlequin qui permet d'enrichir des modélisations numériques, à l'aide de patchs, autour de zones d'intérêt où des phénomènes complexes se produisent. Cette méthode est mise en oeuvre dans un cadre général permettant la superposition de maillages incompatibles au sein du code de calcul Z-set{Zébulon, en utilisant une formulation optimale des opérateurs de couplage. La précision et la robustesse de cette approche ont été évaluées sur différents problèmes numériques. Afin d'accroître les performances de la méthode Arlequin, un solveur spécifique basé sur les techniques de décomposition de domaine a été développé pour bénéficier des capacités de calcul offertes par les machines à architectures parallèles. Ces performances ont été évaluées sur différents cas tests académiques et quasi-industriels. Enfin, ces développements ont été appliqué à la simulation de problèmes de structures composites stratifiées.

La thèse porte sur la calibration d'un modèle biomathématique multi-échelle expliquant le phénomène de sélection des follicules ovariens à partir du niveau cellulaire. Le modèle EDP consiste en un système hyperbolique quasi linéaire de grande taille gouvernant l'évolution des fonctions de densité cellulaire pour une cohorte de follicules (en pratique, une vingtaine).Les équations sont couplées de manière non locale par l'intermédiaire de termes de contrôle faisant intervenir les moments de la solution, intégrée à l'échelle mésoscopique et macroscopique. Trois chapitres de la thèse présentent, sous forme d'articles publiés, la méthode développée pour simuler numériquement ce modèle. Elle est conçue pour être implémentée sur une architecture parallèle. Les EDP sont discrétisées avec un schéma Volumes Finis sur un maillage adaptatif piloté par une analyse multirésolution. Le modèle présente des discontinuités de flux aux interfaces entre les différents états cellulaires, qui nécessitent la mise en ½uvre d'un couplage spécifique, compatible avec le schéma d'ordre élevé et le raffinement de maillage.Un chapitre de la thèse est dévolu à la méthode de calibration, qui consiste à traduire les connaissances biologiques en contraintes sur les paramètres et sur les sorties du modèle. Le caractère multi-échelle est là encore crucial. Les paramètres interviennent au niveau microscopique dans les équations gouvernant l'évolution des densités de cellules au sein de chaque follicule, alors que les données biologiques quantitatives sont disponibles aux niveaux mésoscopique et macroscopique
The thesis focuses on the numerical simulation of a biomathematical, multiscale model explaining the phenomenon of selection within the population of ovarian follicles, and grounded on a cellular basis. The PDE model consists of a large dimension hyperbolic quasilinear system governing the evolution of cell density functions for a cohort of follicles (around twenty in practice).The equations are coupled in a nonlocal way by control terms involving moments of the solution, defined on either the mesoscopic or macroscopic scale.Three chapters of the thesis, presented in the form of articles, develop the method used to simulate the model numerically. The numerical code is implemented on a parallel architecture. PDEs are discretized with a Finite Volume scheme on an adaptive mesh driven by a multiresolution analysis. Flux discontinuities, at the interfaces between different cellular states, require a specific treatment to be compatible with the high order numerical scheme and mesh refinement.A chapter of the thesis is devoted to the calibration method, which translates the biological knowledge into constraints on the parameters and model outputs. The multiscale character is crucial, since parameters are used at the microscopic level in the equations governing the evolution of the density of cells within each follicle, whereas quantitative biological data are rather available at the mesoscopic and macroscopic levels.The last chapter of the thesis focuses on the analysis of computational performances of the parallel code, based on statistical methods inspired from the field of uncertainty quantification

Cette thèse porte sur l’étude numérique de la dynamique des écoulements fluide-particules au sein des lits fluidisés denses. Le but de ces travaux est d’améliorer la compréhension des phénomènes qui s’y déroulent afin d’optimiser les performances des procédés industriels confrontés à ces écoulements diphasiques. En effet, la diversité des échelles de longueur et les différents types d’interaction fluide-solide et solide-solide rencontrées dans ce type de configuration rendent cette catégorie d’écoulement particulièrement complexe et intéressante à étudier. Le modèle développé à cet effet permet de suivre individuellement la trajectoire des particules et de traiter les collisions avec leurs voisines tandis que la phase fluide est décrite de façon localement moyennée. Dans ce mémoire, nous présentons tout d’abord les origines physiques du phénomène de fluidisation d’une population de particules et les grandeurs physiques qui le caractérisent. Puis nous détaillons le modèle Euler-Lagrange implémenté et présentons une série de tests de validation basés sur des résultats théoriques et des comparaisons à des résultats expérimentaux. Cet outil numérique est ensuite employé pour simuler et étudier des lits fluidisés comportant jusqu’à plusieurs dizaines de millions de particules. Enfin, nous comparons des simulations réalisées conjointement à l’échelle micro et avec le modèle développé au cours de cette thèse à l’échelle méso.

L'objectif ultime de ce travail est de fournir des méthodologies robustes et efficaces sur le plan des calculs pour la modélisation et la résolution des problèmes de contact adhésifs basés sur le potentiel de Lennard-Jones (LJ). Pour pallier les pièges théoriques et numériques du modèle LJ liés à ses caractéristiques nondéfinies et non-bornées, une méthode d'adaptativité en modèle est proposée pour résoudre le problème purement-LJ comme limite d'une séquence de problèmes multiniveaux construits de manière adaptative. Chaque membre de la séquence consiste en une partition modèle entre le modèle microscopique LJ et le modèle macroscopique de Signorini. La convergence de la méthode d'adaptativité est prouvée mathématiquement sous certaines hypothèses physiques et réalistes. D'un autre côté, la méthode asymptotique numérique (MAN) est adaptée et utilisée pour suivre avec précision les instabilités des problèmes de contact à grande échelle et souples. Les deux méthodes sont incorporées dans le cadre multiéchelle Arlequin pour obtenir une résolution précise, tout en réduisant les coûts de calcul. Dans la méthode d'adaptativité en modèle, pour capturer avec précision la localisation des zones d'intérêt (ZDI), une stratégie en deux résolutions est suggérée : une résolution macroscopique est utilisée comme une première estimation de la localisation de la ZDI. La méthode Arlequin est alors utilisée pour obtenir une résolution microscopique en superposant des modèles locaux aux modèles globaux. En outre, dans la stratégie MAN, la méthode Arlequin est utilisée pour supprimer les oscillations numériques, améliorer la précision et réduire le coût de calcul
The ultimate goal of this work is to provide computationally efficient and robust methodologies for the modelling and solution of a class of Lennard-Jones (LJ) potential-based adhesive contact problems. To alleviate theoretical and numerical pitfalls of the LJ model related to its non-defined and nonbounded characteristics, a model-adaptivity method is proposed to solve the pure-LJ problem as the limit of a sequence of adaptively constructed multilevel problems. Each member of the sequence consists of a model partition between the microscopic LJ model and the macroscopic Signorini model. The convergence of the model-adaptivity method is proved mathematically under some physical and realistic assumptions. On the other hand, the asymptotic numerical method (ANM) is adapted to track accurately instabilities for soft contact problems. Both methods are incorporated in the Arlequin multiscale framework to achieve an accurate resolution at a reasonable computational cost. In the model-adaptivity method, to capture accurately the localization of the zones of interest (ZOI), a two-step strategy is suggested: a macroscopic resolution is used as the first guess of the ZOI localization, then the Arlequin method is used there to achieve a fine scale resolution. In the ANM strategy, the Arlequin method is also used to suppress numerical oscillations and improve accuracy

Les environnements de réalité virtuelle devenant de plus en plus complexes et de très grandes dimensions, un niveau d'interaction temps-réel devient impossible à garantir. En effet, de par leur complexité, due à une géométrie détaillée et aux propriétés physiques spécifiques, ces environnements large échelle engendrent un goulet d'étranglement calculatoire critique sur les algorithmes de simulation physique. Nous avons focalisé nos travaux sur la première étape de ces algorithmes qui concerne la détection de collision, car les problématiques font partie intégrante de ce goulet d'étranglement et leur complexité peut parfois se révéler quadratique dans certaines situations. Le profond bouleversement que subissent les architectures machines depuis quelques années ouvre une nouvelle voie pour réduire le goulet d'étranglement. La multiplication du nombre de cœurs offre ainsi la possibilité d'exécuter ces algorithmes en parallèle sur un même processeur. Dans le même temps, les cartes graphiques sont passées d'un statut de simple périphérique d'affichage graphique à celui de supercalculateur. Elles jouissent désormais d'une attention toute particulière de la part de la communauté traitant de la simulation physique. Afin de passer au large échelle et d'être générique sur la machine d'exécution, nous avons proposé des modèles unifiés et adaptatifs de correspondance entre les algorithmes de détection de collision et les architectures machines de type multi-coeur et multi-GPU. Nous avons ainsi défini des solutions innovantes et performantes permettant de réduire significativement le temps de calcul au sein d'environnements large échelle tout en assurant la pérennité des résultats. Nos modèles couvrent l'intégralité du pipeline de détection de collision en se focalisant aussi bien sur des algorithmes de bas ou de haut niveau. Nos modèles multi-coeur, GPU et multi-GPU allient différentes techniques de subdivision spatiale à des algorithmes basés topologie ainsi que des techniques d'équilibrage de charge basées sur le vol de données. Notre solution hybride permet d'accroitre l'espace et le temps de calcul ainsi que le passage au large échelle. L'association de ces nouveaux algorithmes nous a permis de concevoir deux modèles d'adaptation algorithmique dynamique basés, ou non, sur des scénarios de pré-calcul hors-ligne. Enfin, il nous est apparu indispensable d'ajouter au pipeline de détection de collision une nouvelle dimension révélant la prise en compte des architectures pour une exécution optimale. Grâce à ce formalisme, nous avons proposé un nouveau pipeline de détection de collision offrant une granularité de parallélisme sur processeurs multi-coeur. Il permet une exécution simultanée des différentes étapes du pipeline ainsi qu'un parallélisme interne à chacune de ces étapes.

L'objectif global de ce travail est d'étudier une modélisation multi échelle et de développer une méthode adaptée pour la simulation numérique du processus d'érosion à l'échelle du bassin versant. Après avoir passé en revue les différents modèles existants, nous dérivons une solution analytique non triviale pour le système couplé modélisant le transport de sédiments par charriage. Ensuite, nous étudions l'hyperbolicité de ce système avec diverses lois de sédimentation proposées dans la littérature. Concernant le schéma numérique, nous présentons le domaine de validité de la méthode de splitting, pour les équations modélisant l'écoulement et celle décrivant l'évolution du fond. Pour la modélisation du transport en suspension à l'échelle de la parcelle, nous présentons un système d'équations couplant les mécanismes d'infiltration, de ruissellement et le transport de plusieurs classes de sédiments. L'implémentation et des tests de validation d'un schéma d'ordre élevé et de volumes finis bien équilibré sont également présentés. Ensuite, nous discutons sur l'application et la calibration du modèle avec des données expérimentales sur dix parcelles au Niger. Dans le but d'aboutir la simulation à l'échelle du bassin versant, nous développons une modélisation multi échelle dans laquelle nous intégrons le taux d'inondation dans les équations d'évolution afin de prendre en compte l'effet à petite échelle de la microtopographie. Au niveau numérique, nous étudions deux schémas bien équilibrés : le schéma de Roe basé sur un chemin conservatif, et le schéma avec reconstruction hydrostatique généralisée. Enfin, nous présentons une première application du modèle avec les données expérimentales du bassin versant de Ganspoel qui nécessite la parallélisation du code.

L'objectif global de ce travail est d'étudier une modélisation multi-échelle et de développer une méthode adaptée pour la simulation numérique du processus d'érosion à l'échelle du bassin versant. Après avoir passé en revue les différents modèles existants, nous dérivons une solution analytique non triviale pour le système couplé modélisant le transport de sédiments par charriage. Ensuite, nous étudions l'hyperbolicité de ce système avec diverses lois de sédimentation proposées dans la littérature. Concernant le schéma numérique, nous présentons le domaine de validité de la méthode de splitting, pour les équations modélisant l'écoulement et celle décrivant l'évolution du fond. Pour la modélisation du transport en suspension à l'échelle de la parcelle, nous présentons un système d'équations couplant les mécanismes d'infiltration, de ruissellement et le transport de plusieurs classes de sédiments. L'implémentation et des tests de validation d'un schéma d'ordre élevé et de volumes finis bien équilibré sont également présentés. Ensuite, nous discutons sur l'application et la calibration du modèle avec des données expérimentales sur dix parcelles 1m2 au Niger. Dans le but d'aboutir la simulation à l'échelle du bassin versant, nous développons une modélisation multi échelle dans laquelle nous intégrons le taux d'inondation dans les équations d'évolution afin de prendre en compte l'effet à petite échelle de la microtopographie. Au niveau numérique, nous étudions deux schémas bien équilibrés : le schéma de Roe basé sur un chemin conservatif, et le schéma avec reconstruction hydrostatique généralisée. Enfin, nous présentons une première application du modèle avec les données expérimentales du bassin versant de Ganspoel qui nécessite la parallélisation du code.

L’objectif global de ce travail est d’étudier une modélisation multi échelle et de développer une méthode adaptée pour la simulation numérique du processus d’érosion à l’échelle du bassin versant. Après avoir passé en revue les différents modèles existants, nous dérivons une solution analytique non triviale pour le système couplé modélisant le transport de sédiments par charriage. Ensuite, nous étudions l’hyperbolicité de ce système avec diverses lois de sédimentation proposées dans la littérature. Concernant le schéma numérique, nous présentons le domaine de validité de la méthode de splitting, pour les équations modélisant l’écoulement et celle décrivant l’évolution du fond. Pour la modélisation du transport en suspension à l’échelle de la parcelle, nous présentons un système d’équations couplant les mécanismes d’infiltration, de ruissellement et le transport de plusieurs classes de sédiments. L’implémentation et des tests de validation d’un schéma d’ordre élevé et de volumes finis bien équilibré sont également présentés. Ensuite, nous discutons sur l’application et la calibration du modèle avec des données expérimentales sur dix parcelles au Niger. Dans le but d’aboutir la simulation à l’échelle du bassin versant, nous développons une modélisation multi échelle dans laquelle nous intégrons le taux d’inondation dans les équations d’évolution afin de prendre en compte l’effet à petite échelle de la microtopographie. Au niveau numérique, nous étudions deux schémas bien équilibrés : le schéma de Roe basé sur un chemin conservatif, et le schéma avec reconstruction hydrostatique généralisée. Enfin, nous présentons une première application du modèle avec les données expérimentales du bassin versant de Ganspoel qui nécessite la parallélisation du code
The overall objective of this thesis is to study a multiscale modelling and to develop a suitable method for the numerical simulation of soil erosion on catchment scale. After reviewing the various existing models, we derive an analytical solution for the non-trivial coupled system modelling the bedload transport. Next, we study the hyperbolicity of the system with different sedimentation laws found in the literature. Relating to the numerical method, we present the validity domain of the time splitting method, consisting in solving separately the Shallow-Water system (modelling the flow routing) during a first time step for a fixed bed and updating afterward the topography on a second step using the Exner equation. On the modelling of transport in suspension at the plot scale, we present a system coupling the mechanisms of infiltration, runoff and transport of several classes of sediment. Numerical implementation and validation tests of a high order wellbalanced finite volume scheme are also presented. Then, we discuss on the model application and calibration using experimental data on ten 1 m2 plots of crusted soil in Niger. In order to achieve the simulation at the catchment scale, we develop a multiscale modelling in which we integrate the inundation ratio in the evolution equations to take into account the small-scale effect of the microtopography. On the numerical method, we study two well-balanced schemes : the first one is the Roe scheme based on a path conservative, and the second one is the scheme using a generalized hydrostatic reconstruction. Finally, we present a first model application with experimental data of the Ganspoel catchment where the parallel computing is also motived

L'imagerie par Radar à Synthèse d'Ouverture (ROS) offre de nombreux axes de recherche en télédétection. Les capteurs ROS satellitaires peuvent fournir des images haute résolution, de jour comme de nuit, par tout temps. Parmi toutes les utilisations possibles de ces images radar, nous nous intéressons ici à l'obtention de Modèles Numériques de Terrain (MNT) à partir de couples d'images ROS stéréoscopiques : la radargrammétrie. Une application radargrammétrique nécessite la maîtrise de la géométrie de la prise de vue, de la mise en correspondance (ou appariement) des images ainsi que de la reconstruction géométrique par résolution des équations de localisation multi-scènes. L'appariement se fait par corrélation, de façon similaire aux méthodes de photogrammétrie utilisées en imagerie optique. Pour améliorer les performances lors de l'appariement, il est intéressant de mettre en oeuvre un filtrage du speckle (bruit multiplicatif propre aux images radar), ainsi qu'une technique pyramidale afin d'accélérer les traitements et de réduire les erreurs d'appariement. De plus, l'utilisation de la mise en géométrie épipolaire permet de réduire la zone de recherche. Dans la zone d'étude à forts reliefs qui nous concerne, ces méthodes permettent de générer un MNT satisfaisant mais encore imprécis. Les méthodes tirées de la photogrammétrie ne sont pas suffisantes pour être directement appliquées sur les images radar. Des méthodes spécifiques sont nécessaires et nous proposons alors une nouvelle approche, qui consiste à utiliser des fenêtres de corrélation de tailles différentes : l'approche multi-fenêtre. Nous procédons notamment à une dilatation en distance de la taille de ces fenêtres, afin de compenser le phénomène de compression d'une image à l'autre. Nous montrons que cette nouvelle méthode permet de fiabiliser l'appariement et d'améliorer les résultats de reconstruction altimétrique.

Les procédés de gazéification de bois à lits fixes étagés sont adaptés à la production d'électricité de petites puissances. Dans ces procédés, la pyrolyse est opérée dans un réacteur continu à lit fixe descendant. La particularité de ce type de réacteur est son fonctionnement autothermique. L'énergie nécessaire au chauffage, au séchage et à la pyrolyse est apportée par la combustion partielle du bois : on parle de “pyrolyse oxydante”. L'injection d'air par le haut du réacteur provoque la propagation d'une zone d'oxydation dans le milieu poreux à contre-courant des écoulements des solides et des gaz. Les travaux présentés dans ce manuscrit visent une meilleure description de cette étape du procédé. Le problème posé est de type multi-échelles. Ainsi, nous avons préalablement mené une étude à l'échelle de la particule isolée avant de s'intéresser au comportement global du lit fixe. A l'échelle de la particule, nous avons quantifié l'effet de l'oxygène et de la taille des particules sur la cinétique de la pyrolyse oxydante. Cette étude nous a guidés pour la mise en place d'un modèle cinétique de cette transformation. A l'échelle du lit fixe, la propagation de la zone d'oxydation a été caractérisée par des approches expérimentale et numérique, offrant ainsi une meilleure connaissance de cette étape du procédé étagé
Wood Multi-staged gasification in a fixed bed reactor is suitable for small-scale electricity generation. In these processes, the pyrolysis is performed in a continuous downward fixed bed reactor. The main feature of this reactor is the autothermal operation. Energy for heating, drying and pyrolysis is supplied by partial combustion of wood, known as “oxidative pyrolysis”. The air introduced from the top of the reactor induces a combustion front that propagates countercurrent with the solids and gazes flows. The work presented in this document aimed to achieve a better description of this process. A multi-scale approach was considered. Therefore, we have firstly studied the behavior of an isolated particle before focusing on the overall fixed bed. At the particle scale, we have quantified the effect of oxygen and of particle size on the oxidative pyrolysis kinetics. This led us to the setup of a kinetic model for this transformation.At the fixed bed scale, the propagation of the combustion front was studied considering the experimental and numerical approaches, which provides a better understanding of this step of the wood staged gasifiers

Émissions polluantes, les motoristes souhaitent contrôler au mieux l’atomisation du carburant, injecté généralement sous forme de jets ou de nappes liquides. Les essais étant long et coûteux, leur remplacement par un outil numérique capable de simuler le processus d’atomisation permettrait non seulement une réduction des coûts importante mais faciliterait également la phase de conception. Toutefois, en raison du caractère multi-échelle du phénomène, il est difficile de le décrire dans son ensemble avec les approches habituellement utilisées en mécanique des fluides numérique.L’objectif de cette thèse est de concevoir une nouvelle approche qui permettra à terme de simuler l’atomisation pour une configuration industrielle complète. Celle-ci consiste à coupler deux types de modèles. Le premier, dit modèle bifluide, est un modèle à deux fluides compressibles basé sur les équations de Navier-Stokes diphasiques. Celui-ci permet de décrire les grandes échelles du phénomène d’atomisation correspondant à la formation de ligaments et d’amas liquides dans la zone proche de l’injecteur. Le second, dit modèle de spray, est basé sur une équation cinétique. Dans la zone située en aval de l’injecteur, ce dernier permet de décrire de manière statistique l’évolution du brouillard de gouttelettes issues de la fragmentation primaire du jet de carburant. Le point délicat, à la fois sur le plan de la modélisation et sur celui de l’algorithmique, réside dans le couplage des deux modèles. Celui ci a été réalisé grâce à l’introduction de deux modèles auxiliaires permettant de traiter le transfert de liquide entre le modèle bifluide et le modèle de spray par atomisation ou ré-impact.L’approche proposée a été appliquée à la simulation numérique de nappes liquides cisaillées. Les comparaisons entre les résultats numériques et des résultats expérimentaux montrent que le modèle bifluide permet de prévoir l’influence de la géométrie et des conditions d’injection sur l’atomisation primaire de la nappe liquide. Le modèle d’atomisation permet quant à lui, de reproduire le caractère instationnaire des mécanismes de production de gouttes lors du transfert de la phase liquide depuis le modèle bifluide vers celui de spray. Des cas de ré-impact valident également la robustesse et la généralité de la méthodologie de couplage
In order to improve efficiency of aircraft combustion chambers and reduce polluting emissions,engine manufacturers try to achieve a better control on fuel atomization, which is usually injectedas a jet or liquid sheet. As experiments are expensive and time consuming, a numerical tool able to simulate atomization would be a powerful asset in engine conception design. However, simulation ofthe whole atomization process with commonly used approach in computational fluid dynamics is still prohibitive due to the multi-scale nature of the phenomenon.The objective of this thesis is to develop a new approach allowing the simulation of the spray formation for a industrial configuration in the near future. This involves coupling of two types of models.The first one, called two-fluid model, is based on the Navier-Stokes equations for two immiscible compressible fluids. This one is used to describe the large scales of the atomization mechanism corresponding to the formation of ligaments and liquids blobs in the near-injector area. The second one,called spray model, is based on a kinetic equation. Further downstream from the injector, this model describes statistically the evolution of the droplet cloud produced by the primary fragmentation of liquid jet. The main difficulty, in terms of both modeling and algorithmic, is the coupling of these twomodels.This has been achieved by introducing an atomization and an impact models which ensure liquid transfer between the two-fluid model and the spray model.This new approach was applied to the numerical simulation of sheared liquid sheets. Comparisons between numerical and experimental results show how the two-fluid model predicts the influence of injector geometry and injection conditions on the primary atomization of the liquid sheet. Concerning droplets production, the atomization model is able to reproduce the unsteady nature of this mechanism when transferring liquid phase from the two-fluid model to the spray model. Test cases for the impact model also validate the robustness and generality of the coupling approach

La magnétorésistance anisotrope (AMR) des matériaux ferromagnétiques est largement utilisée comme le phénomène de base pour la mesure ou la détection de champ magnétique. En raison de la relation entre la configuration en domaines magnétiques et la résistivité macroscopique, l'application d'un champ magnétique externe modifie la résistivité des matériaux ferromagnétiques. Bien que cet effet soit largement utilisé dans des applications industrielles, certains aspects fondamentaux du comportement AMR sont encore assez mal compris. Par exemple, le rôle de la texture cristallographique dans le comportement effectif n'est pas décrit avec précision par les outils classiques de modélisation. En raison de ce lien direct entre la microstructure en domaines et l'effet AMR, les modèles de description de l'effet AMR reposent généralement sur des calculs micromagnétiques. Pour ces calculs, le nombre de degrés de liberté et d'interactions peuvent se multiplier rapidement si on recherche à décrire un comportement macroscopique (cas des polycristaux par exemple).La thèse porte sur la modélisation numérique de l'effet de magnétorésistance anisotrope des matériaux ferromagnétiques. Ce nouvel outil de modélisation 3D peut remédier à cet inconvénient majeur des approches micromagnétiques. Un modèle permettant de décrire les effets de couplage magnéto-élastique en utilisant une approche micro-macro est disponible au laboratoire GeePs. Sur la base des mêmes principes de la modélisation micro-macro, un outil de simulation de l'effet AMR en fonction de la contrainte mécanique et de la texture cristallographique des matériaux a été développé.La stratégie de modélisation est la suivante:Trois échelles de description du comportement sont introduites: le Volume Elémentaire Représentatif (VER) polycristallin (échelle macro), le monocristal ou grain, et enfin le domaine magnétique (échelle micro).Une première étape dite de localisation permet de déterminer le chargement magnéto-mécanique (champ magnétique et contrainte mécanique) à l'échelle d'un grain en fonction du chargement extérieur appliqué. L'introduction de variables internes et des lois d'évolution correspondantes permet de décrire de façon statistique l'évolution de la microstructure en domaines magnétiques sous l'influence de ce chargement local. Toujours à cette échelle, l'utilisation du modèle phénoménologique de Doring permet, pour chaque domaine, de calculer la résistivité en fonction de l'orientation relative entre aimantation locale et courant électrique. Une fois cette résistivité locale connue, une étape dite d'homogénéisation s'appuyant sur le modèle de Bruggeman permet de déterminer la résistivité macroscopique du VER polycristallin. Il est ainsi possible de prédire la variation de la résistivité entre un état initial désaimanté et un état sous chargement magnéto-mécanique quelconque.Les résultats obtenus par cette démarche ont été comparés avec succès à des résultats expérimentaux extraits de la littérature portant sur des polycristaux de Nickel, de Fer pur ou encore de Permalloy.Ensuite des simulations reproduisant les conditions de fonctionnement des capteurs AMR ont été effectuées. Ces simulations permettent de conclure qu'il est possible d'améliorer la sensibilité des capteurs AMR en générant une contrainte résiduelle biaxiale
The anisotropic magnetoresistance (AMR) of ferromagnetic materials is widely used as the basic phenomenon for measuring or detecting magnetic field. Owing to the relationship between magnetic domain configuration and macroscopic resistivity, the application of an external magnetic field changes the resistivity of ferromagnetic materials. Although this effect is widely used in industrial applications, some basic aspects of AMR behavior are still unsufficiently understood. For example, the role of crystallographic texture is not accurately described by conventional modeling tools. As a consequence of the direct relationship between microstructure and AMR, models for AMR effect are generally based on micromagnetic calculations. For these calculations, the number of degrees of freedom and interactions can grow exponentially when investigating macroscopic behavior (case of polycrystals for example).The thesis deals with the numerical modeling of AMR effect in ferromagnetic materials. This new 3D modeling tool can overcome this major drawback of micromagnetic approaches. A model to describe the effects of magneto-elastic coupling using a micro-macro approach is available at the laboratory GeePs. Based on the same principles of micro-macro modeling, an AMR effect simulation tool has been developed including the effect of mechanical stress and the role of crystallographic texture of materials.The modeling strategy is as follows:Three scales of description of the behavior are introduced: the Representative Volume Element (RVE) of polycrystals (macro scale), the single crystal or grain, and finally the magnetic domain (micro scale).A first step, named localization, determines the magneto-mechanical loading (magnetic field and mechanical stress) within a grain depending on the external applied load. The introduction of internal variables and corresponding evolution laws allow describing in a statistical way the evolution of the magnetic domain microstructure under the influence of the local load. Also at this scale, the use of the phenomenological Doring model allows for each area, to calculate the resistivity as a function of the relative orientation between local magnetization and electric current. Once this local resistivity is known, a so-called homogenization step based on the Bruggeman model is used to determine the macroscopic resistivity of the RVE. It is thus possible to predict the variation in resistivity between an initial demagnetized state and a state under any magneto-mechanical loading.The results obtained by this approach were successfully compared to experimental results from literature on polycrystalline nickel, pure iron or Permalloy.Then simulations reproducing AMR sensors operating conditions were carried out. These simulations lead to the conclusion that it is possible to improve the sensitivity of AMR sensors by introducing an appropriate biaxial residual stress

Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons basse pression (E-PEMs) apparaissent comme une solution efficace et durable pour la production d’hydrogène. Cette technologie pourrait permettre de pallier l’intermittence des énergies renouvelables (notamment solaire et éolien) en convertissant l’énergie électrique produite en énergie chimique (hydrogène). Durant ces travaux de thèse, trois aspects ont été développés : une approche analytique, une approche numérique, ainsi que approche expérimentale. Ces trois approches ont permis de comprendre l’influence du mélange bi-phasique eau/oxygène à l’anode du système sur les performances électrochimiques des E-PEMS ainsi que déterminer les paramètres opérationnels et intrinsèques qui impactent les performances des E-PEMs. À propos de l'approche expérimentale, des mesures d'impédance électrochimique ainsi que des courbes de polarisation ont été réalisées sur deux différentes cellules d'électrolyseurs de type PEM basse pression (la cellule ITW power de l'Electrochimical innovation Lab (UCL) et la cellule réversible Q-URFC du Laboratoire d'Énergétique, d'Électronique et Procédés (LE2P). À propos de la modélisation numérique, Le modèle expérimentale conjugue une approche multi-échelle macroscopique 2D et mésoscopique 1D. Ce modèle prend en compte le transfert de matière, le transfert de chaleur, les réactions électrochimiques anodique et cathodique et le transfert de charges présents dans le cœur des E-PEMs. D’un point de vue mésoscopique, une attention particulière a été portée sur l’influence des régimes bi-phasiques anodiques (régime de bulles coalescées (BC régime) et régime de bulles non coalescées (NCB régime) sur le transfert de matière à l’anode et sur l’humidification de la membrane. Ces travaux démontrent et confirment l’hypothèse que la transition du NCB régime vers le CB régime augmente le transfert de matière anodique, diminue la résistance ohmique de la membrane et améliore l’efficacité des E-PEMs. À propos de la modèle analytique, l’étude analytique explore une approche adimensionnelle de l'assemblage membrane électrode (AME) en régime stationnaire et isotherme. À l’échelle locale, en 1D, les équations prises en compte sont la conservation du courant dans l’AME, les réactions électrochimiques au sein des couches actives et le transfert de matière à travers la membrane. La résolution a permis d’obtenir des expressions analytiques des surtensions aux électrodes, de la chute ohmique et de la teneur en eau dans la membrane. L’approche adimensionnelle a permis de quantifier analytiquement les sources d’irréversibilités (chute ohmique, surtensions d’activations anodique et cathodique, et de la surtension induite par le bouchonnement des canaux anodiques) respectivement pour les faibles densités de courant, les moyennes densités de courant et les hautes densités de courant. En outre, ce modèle analytique peut être implémenté dans une boucle de contrôle commande. Ces travaux de thèse proposent une contribution à la compréhension du fonctionnement des E-PEMs basse pression en général, et en particulier de l'impact des régimes bi-phasiques sur leurs performances électro-chimiques
Based on proton conduction of polymeric electrolyte membrane (PEM) technology, the water electrolysis (PEMWE) offers an interesting solution for efficiency hydrogen production. During the electrolysis process of water in PEMWE, the anodic side is the place where the water is splitting into oxygen, protons and electrons. The aim of this study is to recognize the link between two-phase flows (anode side) and cell performance under low pressure conditions. We have developed three approaches: the analytical approach and the numerical approach validated by the experimental data. For the numerical model, we have developed a two-dimensional stationary PEMWE model that takes into account electro-chemical reaction, mass transfer (bubbly flow), heat transfer and charges balance through the Membrane Electrodes Assembly (MEA). In order to take into account the changing electrical behavior, our model combines two scales of descriptions: at microscale within anodic active layer and MEA scale. The water management at both scales is strongly linked to the slug flow regime or the bubbly flow regime. Therefore, water content close to active surface areas depends on two-phase flow regimes. Our simulation results demonstrate that the transition from bubble to slug flow in the channel is associated with improvement in mass transport, a reduction of the ohmic resistance and an enhancement of the PEMWE efficiency. Regarding the analytical model, we have developed a one-dimensional stationary isothermal PEMWE model that takes into account electro-chemical reaction, mass transfer and charges balance through the Membrane Electrodes Assembly (MEA). The analytical approach permit to obtain mathematical solution of the activation overpotential, the ohmic losses and the bubbles overpotential respectively for the low current density, the middle current density and the high current density. This approach quantify the total overpotential of the cell, function of the operational and intrinsic numbers. In terms of perspective, the analytical model could be used for the diagnostic of the electrolyzer PEM

La première partie du mémoire résume des travaux en simulation moléculaire. On s'intéresse à des systèmes de particules ponctuelles (représentant typiquement les noyaux des atomes d'un système moléculaire), qui interagissent via une énergie potentielle. Les degrés de liberté du système sont la position et l'impulsion de chaque particule. La complexité du problème vient du nombre de degrés de liberté en jeu, qui peut atteindre (et dépasser!) plusieurs centaines de milliers d'atomes pour les systèmes d'intérêt pratique.
Les questions étudiées portent sur l'échantillonnage de la mesure de Boltzmann-Gibbs (avec des résultats concernant la non-ergodicité de certains systèmes dynamiques proposés dans la littérature), et sur la construction de dynamiques effectives: supposant que le système suit une dynamique X_t régie par l'équation de Langevin amortie, et se donnant une variable scalaire macroscopique xi(X), lente en un certain sens, nous proposons une dynamique mono-dimensionnelle fermée qui approche xi(X_t), et dont la précision est estimée à l'aide de méthodes d'entropie relative.
Une autre partie du travail consiste à développer de nouveaux schémas numériques pour des problèmes Hamiltoniens hautement oscillants (souvent rencontrés en simulation moléculaire), en suivant une démarche d'homogénéisation en temps. Nous avons aussi proposé une adaptation au contexte Hamiltonien de l'algorithme pararéel, permettant d'obtenir la solution d'un problème d'évolution par des méthodes de calcul parallèle.

La seconde partie du mémoire présente des travaux sur la dérivation de modèles à l'échelle du continuum à partir de modèles discrets (à l'échelle atomistique), pour les solides, et sur le couplage de ces deux modèles, discret et continu. Une première approche consiste à poser le problème sous forme variationnelle (modélisation à température nulle). Nous nous sommes aussi intéressés au cas de systèmes à température finie, modélisés dans le cadre de la mécanique statistique. Dans certains cas, nous avons obtenu des modèles réduits, macroscopiques, où la température est un paramètre, en suivant des approches de type limite thermodynamique.

La troisième partie du mémoire s'intéresse à des questions d'homogénéisation stochastique, pour des équations aux dérivées partielles elliptiques linéaires. Les matériaux sont donc modélisés à l'échelle du continuum. Le constat qui motive notre travail est le fait que, même dans les cas les plus simples sur le plan théorique, les méthodes numériques à ce jour disponibles en homogénéisation stochastique conduisent à des calculs très lourds. Nous avons travaillé dans deux directions. La première consiste à réduire la variance des quantités aléatoires effectivement calculées, seules accessibles en pratique pour approcher la matrice homogénéisée. La seconde est d'étudier le cas de problèmes faiblement stochastiques, en partant du constat que les matériaux hétérogènes, rarement périodiques, ne sont pas pour autant systématiquement fortement aléatoires. Le cas d'un matériau aléatoire pour lequel cet aléa n'est qu'une petite perturbation autour d'un modèle périodique est donc intéressant, et peut se traiter avec un coût calcul beaucoup plus abordable.

Les matériaux comme le béton présentent une meso structure de type matrice/inclusions visible à l'oeil nu. On propose dans ce travail de thèse une méthode de calcul par Eléments Finis à deux niveaux de résolution, intégrant des calculs à l'échelle de la meso structure à un calcul de structure. On souhaite par cette méthode décrire la ruine des structures en prenant en compte les phénomènes de fissuration à leur échelle d'occurrence. La stratégie de calcul adoptée s'inspire des méthodes de décomposition de domaines non recouvrants. Chaque élément composant le maillage de la structure accueille une description fine de la meso structure sous-jacente. La compatibilité cinématique entre ces deux niveaux est assurée par un raccord dual, au moyen de multiplicateurs de Lagrange localisés. Une architecture logiciel dédié a été implémentée en utilisant la technologie des composants et le middleware CTL (Component Template Library) déeveloppé à la TU Braunschweig. Pour la description de l'échelle mesoscopique, un modèle treillis a été employé. Ce dernier est constitué d'élément bar possédant deux enrichissements cinématiques permettant la prise en compte conjointe de l'arrangement hétérogènes des phases et du comportement quasi-fragile de ce type de matériau
Concrete like materials display a matrix/inclusions heterogeneous meso structure visible to the naked eye. In this PhD thesis, an integrated multiscale Finite Element based strategy is proposed. The latter carries out simultaneously structural level computation and mesoscale ones which enriched the macro scale behavior. This method aims at describing global structural collapse accounting for complex failure mechanisms at their proper scales of occurrence. The proposed computational approach derives from non-overlapping domain decomposition techniques. Each element of a structure discretization receives a finner description of the underlying meso structure. Localized Lagrange multipliers ensure a dual compatibility between the macroscale and the mesoscale displacements. A dedicated parallel software architecture has been implemented using the middleware CTL (Component Template Library) developed at the TU Braunschweig. A lattice meso model has been employed in order to describe the fine scale. Each truss element is provided with two kinematics enrichments. Such model is able to account for the heterogeneous phase arrangement and the quasi-brittle behavior of such materials

L'objectif principal est de faire premiers pas vers la conception topologique de structures hétérogènes à comportement non-linéaires. Le deuxième objectif est d’optimiser simultanément la topologie de la structure et du matériau. Il requiert la combinaison des méthodes de conception optimale et des approches de modélisation multi-échelle. En raison des lourdes exigences de calcul, nous avons introduit des techniques de réduction de modèle et de calcul parallèle. Nous avons développé tout d’abord un cadre de conception multi-échelle constitué de l’optimisation topologique et la modélisation multi-échelle. Ce cadre fournit un outil automatique pour des structures dont le modèle de matériau sous-jacent est directement régi par la géométrie de la microstructure réaliste et des lois de comportement microscopiques. Nous avons ensuite étendu le cadre en introduisant des variables supplémentaires à l’échelle microscopique pour effectuer la conception simultanée de la structure et de la microstructure. En ce qui concerne les exigences de calcul et de stockage de données en raison de multiples réalisations de calcul multi-échelle sur les configurations similaires, nous avons introduit: les approches de réduction de modèle. Nous avons développé un substitut d'apprentissage adaptatif pour le cas de l’élasticité non-linéaire. Pour viscoplasticité, nous avons collaboré avec le Professeur Felix Fritzen de l’Université de Stuttgart en utilisant son modèle de réduction avec la programmation parallèle sur GPU. Nous avons également adopté une autre approche basée sur le potentiel de réduction issue de la littérature pour améliorer l’efficacité de la conception simultanée
High-performance heterogeneous materials have been increasingly used nowadays for their advantageous overall characteristics resulting in superior structural mechanical performance. The pronounced heterogeneities of materials have significant impact on the structural behavior that one needs to account for both material microscopic heterogeneities and constituent behaviors to achieve reliable structural designs. Meanwhile, the fast progress of material science and the latest development of 3D printing techniques make it possible to generate more innovative, lightweight, and structurally efficient designs through controlling the composition and the microstructure of material at the microscopic scale. In this thesis, we have made first attempts towards topology optimization design of multiscale nonlinear structures, including design of highly heterogeneous structures, material microstructural design, and simultaneous design of structure and materials. We have primarily developed a multiscale design framework, constituted of two key ingredients : multiscale modeling for structural performance simulation and topology optimization forstructural design. With regard to the first ingredient, we employ the first-order computational homogenization method FE2 to bridge structural and material scales. With regard to the second ingredient, we apply the method Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) to perform topology optimization. In contrast to the conventional nonlinear design of homogeneous structures, this design framework provides an automatic design tool for nonlinear highly heterogeneous structures of which the underlying material model is governed directly by the realistic microstructural geometry and the microscopic constitutive laws. Note that the FE2 method is extremely expensive in terms of computing time and storage requirement. The dilemma of heavy computational burden is even more pronounced when it comes to topology optimization : not only is it required to solve the time-consuming multiscale problem once, but for many different realizations of the structural topology. Meanwhile we note that the optimization process requires multiple design loops involving similar or even repeated computations at the microscopic scale. For these reasons, we introduce to the design framework a third ingredient : reduced-order modeling (ROM). We develop an adaptive surrogate model using snapshot Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Diffuse Approximation to substitute the microscopic solutions. The surrogate model is initially built by the first design iteration and updated adaptively in the subsequent design iterations. This surrogate model has shown promising performance in terms of reducing computing cost and modeling accuracy when applied to the design framework for nonlinear elastic cases. As for more severe material nonlinearity, we employ directly an established method potential based Reduced Basis Model Order Reduction (pRBMOR). The key idea of pRBMOR is to approximate the internal variables of the dissipative material by a precomputed reduced basis computed from snapshot POD. To drastically accelerate the computing procedure, pRBMOR has been implemented by parallelization on modern Graphics Processing Units (GPUs). The implementation of pRBMOR with GPU acceleration enables us to realize the design of multiscale elastoviscoplastic structures using the previously developed design framework inrealistic computing time and with affordable memory requirement. We have so far assumed a fixed material microstructure at the microscopic scale. The remaining part of the thesis is dedicated to simultaneous design of both macroscopic structure and microscopic materials. By the previously established multiscale design framework, we have topology variables and volume constraints defined at both scales

Cette thèse propose de coupler deux outils préexistant pour la modélisation mathématique en mécanique : l’homogénéisation périodique et la réduction de modèle, afin de modéliser la corrosion des structures de béton armé exposées à la pollution atmosphérique et au sel marin. Cette dégradation est en effet difficile à simuler numériquement, eu égard la forte hétérogénéité des matériaux concernés, et la variabilité de leur microstructure. L’homogénéisation périodique fournit un modèle multi-échelle permettant de s’affranchir de la première de ces deux difficultés. Néanmoins, elle repose sur l’existence d’un volume élémentaire représentatif (VER) de la microstructure du matériau poreux modélisé. Afin de prendre en compte la variabilité de cette dernière, on est amenés à résoudre en temps réduit les équations issues du modèle multi-échelle pour un grand nombre VER. Ceci motive l’utilisation de la méthode POD de réduction de modèle. Cette thèse propose de recourir à des transformations géométriques pour transporter ces équations sur la phase fluide d’un VER de référence. La méthode POD ne peut, en effet, pas être utilisée directement sur un domaine spatial variable (ici le réseau de pores du matériau). Dans un deuxième temps, on adapte ce nouvel outil à l’équation de Poisson-Boltzmann, fortement non linéaire, qui régit la diffusion ionique à l’échelle de la longueur de Debye. Enfin, on combine ces nouvelles méthodes à des techniques existant en réduction de modèle (MPS, interpolation ITSGM), pour tenir compte du couplage micro-macroscopique entre les équations issues de l’homogénéisation périodique
In this thesis, we manage to combine two existing tools in mechanics: periodic homogenization, and reduced-order modelling, to modelize corrosion of reinforced concrete structures. Indeed, chloride and carbonate diffusion take place their pores and eventually oxydate their steel skeleton. The simulation of this degradation is difficult to afford because of both the material heterogenenity, and its microstructure variability. Periodic homogenization provides a multiscale model which takes care of the first of these issues. Nevertheless, it assumes the existence of a representative elementary volume (REV) of the material at the microscopical scale. I order to afford the microstructure variability, we must solve the equations which arise from periodic homogenization in a reduced time. This motivates the use of model order reduction, and especially the POD. In this work we design geometrical transformations that transport the original homogenization equations on the fluid domain of a unique REV. Indeed, the POD method can’t be directly performed on a variable geometrical space like the material pore network. Secondly, we adapt model order reduction to the Poisson-Boltzmann equation, which is strongly nonlinear, and which rules ionic electro diffusion at the Debye length scale. Finally, we combine these new methods to other existing tools in model order reduction (ITSGM interpolatin, MPS method), in order to couple the micro- and macroscopic components of periodic homogenization

Le phénomène d'instabilité de la structure de fluide se produit fréquemment dans le système d'écoulement polyphasé des régimes sous-critiques de Reynolds, et le phénomène de vibrations de câbles de sustentation de ponts provoquées par la pluie (sigle RWIV en anglais) est considéré comme un exemple en génie civil pour caractériser l'instabilité causée par les interactions fluide-structure. Le RWIV est supposée être un nouveau type de vibrations; régulièrement accompagné de deux phénomènes significatifs: le ruisseau supérieur vibre circonférentiellement et la fréquence du vortex de Von Karman se déplace vers une valeur beaucoup plus faible par rapport à la fréquence attendue. Les phénomène est observé habituellement sur les haubans du pont à hauban immobilisé. En raison des mécanismes de couplage complexes, le mécanisme de RWIV n'a pas été complètement décrit par les chercheurs précédents. La plupart ont mis l'accent sur les observations sur le terrain et les aspects expérimentaux en soufflerie, mais rarement sur la simulation numérique. Pour élaborer un cadre numérique systématique, nous abordons le modèle non couplé, le modèle faiblement couplé, le modèle couplé, et le modèle multiphasique multi-échelle (MMM). L'objectif est de mettre en place un modèle numérique avec une grande exactitude et précision pour RWIV, et de reconnaître et clarifier le mécanisme de RWIV, diverses enquêtes numériques ont été réalisés dans cette thèse.Pour simuler les effets de la pluie/l’eau pluviale (eng. rainwater) comme un ruisseau artificiel (fixé / solide mobile attaché / oscillé le long de la circonférence de hauban immobilisé) lorsque RWIV se produit, la méthode séparée est mise en œuvre sur la base des équations incompressibles de Navier-Stokes en combinaison avec la simulation monotone intégré des grandes échelles (MILES) pour évaluer les sous-grille termes de pression. Les effets des ruisseaux artificiels de différentes positions le long de la circonférence de hauban immobilisé sur la structure de formation de tourbillons derrière le hauban, la distribution de pression à travers le hauban, et la force aérodynamique fréquence dominante du hauban sont analysés. Cependant, les enquêtes indiquent les positions de ruisseau artificiel le long de la circonférence du hauban affectent très faiblement la fréquence du vortex de Von Karman proche le sillage du hauban.Pour capturer l'évolution dynamique de la morphologie de l’eau pluviale , le modèle semi-couplé simplifie les équations incompressibles de Navier-Stokes avec la théorie de lubrification sur l'hypothèse qu'un mince film d'eau environnante autour du hauban. Les enquêtes indiquent que l’eau pluviale rassemble aux endroits près des points de séparation, et forme deux ruisseaux symétriques le long de la circonférence du hauban. Cependant, la vibration circonférentielle du ruisseau supérieur et les phénomènes de décalage de fréquence accompagnant RWIV ne peuvent être résolus et expliqués clairement.Afin d'améliorer le modèle de semi-couplé à suivre l'évolution de la morphologie de l’eau pluviale, la méthode du Volume-de-Fluide (VOF) combinée avec les équations incompressibles de Navier-Stokes est utilisée dans le modèle couplé. L ‘évolution hautement non linéaire du ruisseau de la pluie le long de la circonférence du hauban immobilisé et les caractéristiques aérodynamiques du hauban de séjour peuvent être obtenus et analysés. Les résultats indiquent que le ruisseau de la pluie est formé près des points de séparation le long de la circonférence du hauban; la zone de pression négative le long de la circonférence du hauban est pré-requise pour la formation de ruisseau supérieur
A fluid structure instability phenomenon frequently occurs in the subcritical Reynolds regimes multiphase flow system, and rain--wind-induced vibration (RWIV) is taken as an example in civil engineering to characterize the aeroelastic instability caused by fluid-structure interactions. RWIV is hypothesized to be a new type of vibration; regularly accompanied by two significant phenomena: the circumferentially vibrating upper rivulet and the Von Karman vortex shedding frequency shift to a much lower value compared with the convectional evaluation; and customarily observed from the stay cables of cable--stayed bridge. Due to the complicated interactions mechanisms in the liquid-gas-solid system, the mechanism of RWIV has not been thoroughly solved and recognized by the previous researchers. Most have focused on the research topic from the field observation, the analytical dynamic model, and the wind tunnel experiment aspects, but rarely on numerical investigation aspect. To develop a systematic numerical framework, including the separated model, the semi-coupled model, the coupled model, and the multiphase multi-scale model (MMM) distinguished by different ways to simulate the rain effects when RWIV occurs, to establish highly accurate and precise numerical model for RWIV, and to recognize and clarify the mechanism of RWIV, various numerical investigations have been made in this thesis.To simulate the rain effects as an artificial rivulet (fixed/moving solid attaching/oscillating along the circumference of stay cable) when RWIV occurs, the separated method is implemented based on the incompressible Navier-Stokes equations in combination with the monotone integrated large eddy simulation (MILES) to evaluate the sub-grid stress terms. The effects of various artificial rivulet positions along the circumference of stay cable on the vortex shedding structure behind the cable, pressure distribution around the cable, and the aerodynamic force of the cable are analyzed. However, investigations indicate the positions of artificial rivulet along the circumference of cable extremely weakly affect Von Karman vortex shedding frequency near the wake of the cable.To capture the dynamic rainwater morphology evolution, the semi-coupled model simplifies the incompressible Navier-Stokes equations with the lubrication theory on the assumption that a thin water film surrounding around the cable. The investigations indicate the rainwater gathers at the locations near the separation points, and forms two symmetrical rivulets along the circumference of cable. However, both the circumferentially vibrating upper rivulet and the frequency shift phenomena accompanying RWIV cannot be solved and explained detailedly and clearly. To improve the semi-coupled model on tracking the rainwater morphology evolution, volume-of-fluid (VOF) method combined with incompressible Navier-Stokes equations is employed in the coupled model. Both the high-nonlinear rainwater rivulets evolution along the circumference of cable and the aerodynamic characteristics of stay cable can be obtained and analyzed. The results indicate rainwater rivulet are formed near the separation points along the circumference of cable; the negative pressure zone along the circumference of cable provides a prerequisite for the formation of upper rivulet. However, the computational efficiency is reduced due to the smaller droplets scatter in the surrounding air, furthermore, the assumptions, surrounding the stay cable with the constant volume of rainwater, cannot reflect the real physical conditions (i.e., rain infall process) and cannot obtain the real aerodynamic force from physical aspect

L'objet de cette thèse est l'étude mathématique de modèles probabilistes pour la génération et la propagation d'un potentiel d'action dans les neurones et plus généralement de modèles aléatoires pour les systèmes excitables. En effet, nous souhaitons étudier l'influence du bruit sur certains systèmes excitables multi-échelles possédant une composante spatiale, que ce soit le bruit contenu intrinsèquement dans le système ou le bruit provenant du milieu. Ci-dessous, nous décrivons d'abord le contenu mathématique de la thèse. Nous abordons ensuite la situation physiologique décrite par les modèles que nous considérons. Pour étudier le bruit intrinsèque, nous considérons des processus de Markov déterministes par morceaux à valeurs dans des espaces de Hilbert ("Hilbert-valued PDMP"). Nous nous sommes intéressés à l'aspect multi-échelles de ces processus et à leur comportement en temps long. Dans un premier temps, nous étudions le cas où la composante rapide est une composante discrète du PDMP. Nous démontrons un théorème limite lorsque la composante rapide est infiniment accélérée. Ainsi, nous obtenons la convergence d'une classe de "Hilbert-valued PDMP" contenant plusieurs échelles de temps vers des modèles dits moyennés qui sont, dans certains cas, aussi des PDMP. Nous étudions ensuite les fluctuations du modèle multi-échelles autour du modèle moyenné en montrant que celles-ci sont gaussiennes à travers la preuve d'un théorème de type "central limit". Dans un deuxième temps, nous abordons le cas où la composante rapide est elle-même un PDMP. Cela requiert de connaître la mesure invariante d'un PDMP à valeurs dans un espace de Hilbert. Nous montrons, sous certaines conditions, qu'il existe une unique mesure invariante et la convergence exponentielle du processus vers cette mesure. Pour des PDMP dits diagonaux, la mesure invariante est explicitée. Ces résultats nous permettent d'obtenir un théorème de moyennisation pour des PDMP "rapides" couplés à des chaînes de Markov à temps continu "lentes". Pour étudier le bruit externe, nous considérons des systèmes d'équations aux dérivées partielles stochastiques (EDPS) conduites par des bruits colorés. Sur des domaines bornés de $\mathbb{R}^2$ ou $\mathbb{R}^3$, nous menons l'analyse numérique d'un schéma de type différences finies en temps et éléments finis en espace. Pour une classe d'EDPS linéaires, nous étudions l'erreur de convergence forte de notre schéma. Nous prouvons que l'ordre de convergence forte est deux fois moindre que l'ordre de convergence faible. Par des simulations, nous montrons l'émergence de phénomènes d'ondes ré-entrantes dues à la présence du bruit dans des domaines de dimension deux pour les modèles de Barkley et Mitchell-Schaeffer.

Dans cette thèse nous traitons de la simulation numérique des écoulements sanguins dans le contexte des maladies cardiaques congénitales. Nous nous concentrons d'une part sur l'intégration de données cliniques, et d'autre part sur les aspects de couplages multi-échelles. Dans l'introduction, nous présentons les pathologies structurelles du cœur et les traitements chirurgicaux nécessaires dans certaines cardiopathies sévères. Puis, nous consacrons un chapitre aux challenges liés à la simulation numérique des écoulements sanguins. Dans les deux chapitres suivants nous présentons une méthodologie permettant d'estimer des paramètres de modèles réduits modélisant l'arbre artériel pulmonaire, en y intégrant des mesures cliniques prises pour chaque patient à différents endroits avant intervention chirurgicale. Cette méthode est appliquée sur neuf patients et permet de représenter l'hémodynamique dans les artères pulmonaires pour chacun des patients. Le chapitre suivant est consacré au couplage des équations de Navier-Stokes 3D avec un modèle réduit, qui soulève des problèmes d'instabilités numériques dans nombre d'applications. Nous présentons d'abord un état de l'art des couplages 3D-0D communément utilisés pour ce type de problème. Nous présentons de plus une étude de stabilité pour montrer quels sont les avantages et inconvénients de chacun d'eux. Ensuite, nous présentons une nouvelle méthode de couplage 3D-3D qui est similaire, d'un point de vue énergétique, au couplage avec un modèle réduit. Nous comparons enfin les méthodes existantes à ce couplage 3D-3D sur trois cas de patients, côtés systémique et pulmonaire. Dans le dernier chapitre de cette thèse, nous nous intéressons à la propagation des incertitudes des données cliniques sur la simulation de l’hémodynamique dansle cadre de chirurgie virtuelle
In this thesis, we deal with numerical simulation of blood flow in the context of congenital heart diseases. We focus on clinical data integration into reduced models, and from a numerical point view on the coupling of blood flow (3D Navier-Stokes equations) and reduced models. In the introduction, we present congenital heart diseases and the surgical palliations needed for severe pathologies. We then present a chapter on challenges in numerical simulations of blood flow. In the next chapters, we present a methodology to estimate parameters of reduced models taking into account the effect of the pulmonary vasculature and the clinical measurements performed at different locations prior to surgical intervention of each patient. This method is applied to nine patient-specific cases and provides a representation of the hemodynamics in pulmonary arteries at different palliation stages. The next part of this thesis is devoted to numerical coupling between 3D blood flow and reduced models, which leads to numerical instability in a number of applications. We first present the state of the art for the different coupling methods, and perform a stability analysis of each coupling approach, highlighting the pros and cons. Moreover we present the new 3D-3D coupling method which presents the same energy balance as the 3D-reduced model. We compare all these methods on three systemic or pulmonary patient-specific cases to assess the robustness and accuracy of each one. In the last part of this manuscript we present a framework to investigate the effect of uncertainty of clinical measurements on our methodology to estimate reduced models for surgery planning: we focus on the impact of clinical data uncertainty to estimate blood flow distribution and pressure loss due to a stenosis to assess if it should be removed or not

Le travail de cette thèse a porté sur l'étude mathématique et numérique de quelques modèles multi-échelles issus de la physique des matériaux. La première partie de ce travail est consacrée à l'homogénéisation mathématique d'un problème elliptique avec une petite échelle. Nous étudions le cas particulier d'un matériau présentant une structure périodique avec un défaut. En adaptant la théorie classique d'Avellaneda et Lin pour les milieux périodiques, on démontre qu'on peut approximer finement la solution d'un tel problème, notamment à l'échelle microscopique. Nous obtenons des taux de convergence dépendant de l'étalement du défaut. On démontre aussi quelques propriétés des fonctions de Green d'un problème elliptique périodique avec conditions de bord périodiques. Les dislocations sont des lignes de défaut de la matière responsables du phénomène de plasticité. Les deuxième et troisième parties de ce mémoire portent sur la simulation de dislocations, d'abord en régime stationnaire puis en régime dynamique. Nous utilisons le modèle de Peierls, qui couple échelle atomique et échelle mésoscopique. Dans le cadre stationnaire, on obtient une équation intégrodifférentielle non-linéaire avec un laplacien fractionnaire: l'équation de Weertman. Nous en étudions les propriétés mathématiques et proposons un schéma numérique pour en approximer la solution. Dans le cadre dynamique, on obtient une équation intégrodifférentielle à la fois en temps et en espace. Nous en faisons une brève étude mathématique, et comparons différents algorithmes pour la simuler. Enfin, dans la quatrième partie, nous étudions la limite macroscopique d'une chaîne d'atomes soumis à la loi de Newton. Des arguments formels suggèrent que celle-ci devrait être décrite par une équation des ondes non-linéaires. Or, nous démontrons --sous certaines hypothèses-- qu'il n'en est rien lorsque des chocs apparaissent
In this thesis we study mathematically and numerically some multi-scale models from materials science. First, we investigate an homogenization problem for an oscillating elliptic equation. The material under consideration is described by a periodic structure with a defect at the microscopic scale. By adapting Avellaneda and Lin's theory for periodic structures, we prove that the solution of the oscillating equation can be approximated at a fine scale. The rates of convergence depend upon the integrability of the defect. We also study some properties of the Green function of periodic materials with periodic boundary conditions. Dislocations are lines of defects inside materials, which induce plasticity. The second part and the third part of this manuscript are concerned with simulation of dislocations, first in the stationnary regime then in the dynamical regime. We use the Peierls model, which couples atomistic and mesoscopic scales and involves integrodifferential equations. In the stationary regime, dislocations are described by the so-called Weertman equation, which is nonlinear and involves a fractional Laplacian. We study some mathematical properties of this equation and propose a numerical scheme for approximating its solution. In the dynamical regime, dislocations are described by an equation which is integrodifferential in time and space. We compare some numerical methods for recovering its solution. In the last chapter, we investigate the macroscopic limit of a simple chain of atoms governed by the Newton equation. Surprisingly enough, under technical assumptions, we show that it is not described by a nonlinear wave equation when shocks occur

Dans cette thèse, nous avons abordé deux problèmes de modélisation mathématique pour la propagation des signaux électriques cardiaques : la propagation à l’échelle tissulaire en présence d’hétérogénéités et la propagation à l’échelle cellulaire avec des jonctions communicantes non linéaires. Inclusions diffusives. Le modèle standard utilisé en électrocardiologie est le modèle bidomaine. Il est déduit par homogénéisation des propriétés microscopiques du tissu. Pour cela, on suppose que les myocytes électriquement actifs sont uniformément répartis dans le coeur. Bien que ce soit une hypothèse raisonnable pour des coeurs sains, ce n’est plus vrai dans certains cas pathologiques où des changements importants dans la structure tissulaire se produisent. C’est le cas, par exemple des maladies cardiaques ischémiques, rhumatismales et inflammatoires, de l’hypertrophie ou de l’infarctus. Ces hétérogénéités tissulaires sont souvent prises en compte à l’aide d’un ajustement ad hoc des paramètres du modèle. Le premier objectif de cette thèse consistait à généraliser les équations du modèle bidomaine au cas des pathologies cardiaques structurelles.Nous avons supposé une alternance périodique d’éléments de tissus sains (modèle bidomaine) et modifiées (inclusions diffusives). La simulation numérique directe d’un tel modèle nécessite une discrétisation très fine, et entraîne un coût de calcul élevé. Pour éviter cela, nous avons construit un modèle homogénéisé à l’échelle macroscopique en utilisant une analyse à deux échelles. Nous avons retrouvé un modèle de type bidomaine avec des coefficients de conductivité modifiés, dits effectifs. En complément, nous avons effectué une vérification numérique de la convergence du modèle microscopique vers celui homogénéisé, dans une situation bidimensionnelle.Dans la deuxième partie, nous avons quantifié les effets de différentes formes d’inclusions diffusives sur les coefficients de conductivité effectifs et leur anisotropie en 2D et 3D. De plus, nous avons effectué des simulations sur des domaines représentant des morceaux de tissu 2D avec ces coefficients de conductivité modifiés. Nous avons observé des changements de la vitesse de propagation et de la forme du front de l’onde de dépolarisation. Dans la troisième partie, nous avons simulé le modèle homogénéisé en 3D, à partir d’images par résonance magnétique (IRM) à haute résolution d’un coeur de rat. Nous avons évalué les propriétés structurelles du tissu en utilisant des outils d’analyse d’image.Nous avons ensuite utilisés ces évaluations pour construire les paramètres dans le modèle homogénéisé. Jonctions communicantes non linéaires. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons étudié les effets du comportement non linéaires des jonctions communicantes sur la propagation du signal à l’échelle cellulaire. Dans les modèles existants, les jonctions communicantes sont supposées avoir un comportement linéaire, lorsqu’elles sont modélisées.Cependant les données provenant des expériences montrent que ceux-ci ont un comportement non linéaire dépendant du temps et de la différence de potentiel entre cellules voisines. D’abord, nous avons présenté un modèle non linéaire 0D du courant dans les jonctions communicantes. Ensuite, nous avons recalé le modèle sur les données expérimentales.Enfin, nous avons proposé un modèle mathématique 2D qui décrit l’interaction électrique des myocytes cardiaques à l’échelle cellulaire. Ce modèle utilise le courant dans les jonctions communicantes comme une liaison directe entre des cellules adjacentes
In this thesis we addressed two problems in mathematical modelling of propagation of electrical signals in the heart: tissue scale propagation with presence of tissue heterogeneities and cell scale propagation with non-linear gap junctions. Diffusive inclusions. The standard model used in cardiac electrophysiology is the bidomain model. It is an averaged model derived from the microscopic properties of the tissue.The bidomain model assumes that the electrically active myocytes are present uniformly everywhere in the heart. While this is a reasonable assumption for healthy hearts, it fails insome pathological cases where significant changes in the tissue structure occur, for examplein ischaemic and rheumatic heart disease, inflammation, hypertrophy, or infarction. These tissue heterogeneities are often taken into account through an ad-hoc tuning of model parameters. The first aim of this thesis consisted in generalizing the bidomain equations to the case of structural heart diseases.We assumed a periodic alternation of healthy (bidomain model) and altered (diffusive inclusion) tissue patches. Such a model may be simulated directly, at the high computational cost of a very fine discretisation. Instead we derived a homogenized model at the macroscopic scale, using a rigorous two-scale analysis. We recovered a bidomain-type model with modified conductivity coefficients, and performed a 2D numerical verificationof the convergence of the microscopic model towards the homogenized one.In the second part we quantified the effects of different shapes and sizes of diffusive inclusions on the effective conductivity coefficients and their anisotropy ratios in 2D and3D. Additionally, we ran simulations on 2D patches of tissue with modified conductivity coefficients. We observed changes in the propagation velocity as well as in the shape of the depolarization wave-front.In the third part, based on high-resolution MR images of a rat heart we simulated 3D propagations with the homogenized model. Using image analysis software tools we assessed the structural properties of the tissue, that we used afterwards as parameters inthe homogenized model. Non-linear gap junctions. In the last part of this thesis, we studied the effects of nonlineargap junction channels on the signal propagation at the cell scale. In existing models, the gap junction channels, if modelled, are assumed to have a linear behaviour, while from experimental data we know that they have a time- and voltage-dependent non-linear behaviour. Firstly, we stated a non-linear 0D model for the gap junctional current, and secondly fitted the model to available experimental data. Finally, we proposed a 2D mathematical model that describes the electrical interaction of cardiac myocytes on the cell scale. It accounts for the gap junctional current as "the direct link" between the adjacent cells

La période de réionisation est une transition dans l'histoire de l'Univers qui change sont état d'ionisation. Les progrès en calcul intensif permettent maintenant de modéliser l'évolution du phénomène. D'habitude, les analyses se concentrent sur l'évolution de propriétés globales dans les simulations. Différemment, j'ai mis au point une nouvelle technique d'analyse de simulations qui permet d'appréhender le phémomène global de manière locale. Elle s'appuie sur l'extraction d'un arbre de fusion de régions HII pour caractériser le processus de réionisation. La technique a été appliqué dans plusieurs simulations où différents modèles de sources ont été considérés pour étudier leur impact sur la chrono-morphologie du processus. Dans un second temps, l'arbre a permis de caractériser l'histoire de réionisation passée de galaxies de types Voie Lactée. Enfin, la technique a été appliquée dans des simulations du Groupe Local pour quantifier l'histoire de réionisation de MW et M31.

Le squelette humain a pour fonction de protéger les organes internes tout en participant au système de locomotion. Afin d’en assurer la rigidité mécanique, l’os cortical est présent dans toutes les parties du squelette. Le remodelage osseux, processus dynamique, est actif tout au long de la vie. Il permet à l’os cortical d’adapter sa géométrie et son architecture interne en fonction des contraintes qui lui sont appliquées. Étant un processus complexe, le remodelage osseux est amené à dysfonctionner chez les personnes âgées et fragiliser leurs os. Ainsi, cette thèse étudie les os porteurs et non porteurs humains en se concentrant sur le fémur et l’humérus. La revue de la littérature, effectuée dans le chapitre 1, met en évidence plusieurs verrous scientifiques à résoudre. En effet, pour diverses raisons pratiques, le fémur est très largement étudié, délaissant l’étude des autres os. Cela a pour effet d’en impacter les données matériaux utilisées par les modèles numériques du corps humain, souvent extraites d’études très anciennes et obsolètes dont les sujets humains diffèrent. De plus, les études architecturales sont, pour la plupart, limitées à des analyses en 2D et ne sont pas adaptées par rapport à l’architecture osseuse complexe. Par conséquent, le second chapitre décrit une méthode innovante capable d’analyser et de quantifier l’architecture en 3D à partir de scans tomographiques. Les canaux, connectivités et BMUs, berceaux du remodelage osseux, sont automatiquement détectés. 77 échantillons, prélevés sur humérus et fémurs gauche et droit, sont scannés et quantifiés à partir de cette méthode. Étant donné que de nombreuses caractéristiques, jamais mesurées auparavant, sont obtenues, des essais de traction et d’indentation sont effectués afin de comprendre et de mettre en évidence l’impact de l’architecture sur le comportement mécanique. Par conséquent, l’intégralité des échantillons, précédemment scannée, est testée. Dans l’objectif d’extraire des tendances générales, les humérus et fémurs sont comparés suivant différents tests statistiques. De même, l’impact de la latéralité est aussi étudié. Pour terminer, une étude de corrélation, suivie d’une étude de régressions, est effectuée afin de fournir des fonctions polynomiales destinées à prédire le comportement mécanique à partir d’une simple étude architecturale
The human skeleton aims at participating to the locomotor system, protecting and serving as brackets for the internal organs. To ensure the mechanical stiffness of the entire body, the cortical bone can be found in every part of the skeleton. A dynamic process occurs throughout the life and is named bone remodelling. This process adapts the cortical bone architecture and the shape of bones according to their functions. Due to its complexity, bone remodelling can defect in the elderly and weakens bones. This thesis studies the bearing and non-bearing long human bones by focusing on the humerus and femur. A survey of the state of the art, detailed in the first chapter, reveals several lacks. First, the femur is widely investigated compared to the other bones and this unbalance creates a lack of data for the other bones. Therefore, inputs for numerical human models come from deprecated and contradictory studies where the extra-individual differences impact the trends. Second, architectural studies are mainly limited to in-plane assessment whereas the vascular network is complex and needs more robust analyses. Thus, the second chapter describes an innovative method to 3D assess the cortical vascular network from tomographic data. This Python script automatically detects canals, connectivity and Bone Multicellular Units (BMUs), cradle of the bone remodelling activity. Then, 77 samples from left and right femurs and humeri of ten human cadavers are scanned and analysed using this method. As this method provides numerous novel features of the cortical architecture, tensile and indentation tests are also carried out in order to understand and exhibit the impact of the architecture on the mechanical behaviour. Hence, all the scanned samples are tested and available for statistical analysis. So as to identify global trends, humerus and femur are compared using different statistical tests. Likewise, the bias impact is also investigated. Finally, a correlation study followed by a regression study is described so as to provide polynomial functions in order to be used to predict the mechanical behaviour from an architectural study

L’objectif de ce travail de thèse consiste à la modélisation du comportement mécanique des matériaux cimentaires, tel que la pâte de ciment et le béton qui sont soumis à la carbonatation et à la lixiviation. Ces réactions chimiques entre le matériau cimentaire et le milieu agressif environnant entraînent des changements dans la microstructure du matériau et par conséquent sur le comportement mécanique et peut ainsi avoir un impact important sur la durabilité des structures. Pour la caractérisation du comportement mécanique de ces matériaux chimiquement influencés, deux approches différentes sont proposées dans cette thèse: l'approche macroscopique et microscopique. Dans la première partie, une approche macroscopique est utilisée. L'intérêt est d'utiliser un modèle élastoplastique classique pour voir l'influence de la carbonatation et la lixiviation sur les paramètres élastiques et plastiques. Ce modèle est par la suite couplé avec un modèle d’interface pour décrire le comportement mécanique et le processus de rupture des matériaux cimentaires, prenant en compte la localisation des déformations sur une bande de cisaillement. Dans la deuxième partie, en prenant avantage des modèles micro-macro, il est possible de lier explicitement l'évolution de la microstructure durant la dégradation au comportement mécanique du matériau. Deux à trois étapes d’homogénéisations basé sur la méthode sécante modifie sont nécessaires pour aboutir au critère macroscopique. Les capacités prédictives des modèles micro-macro proposés ont été démontrés a travers une large validation expérimentale
The objective of this thesis is to model the mechanical behavior of cement based materials, such as cement paste and concrete, which are subject to carbonation and leaching. These chemical reactions between the cementitious material and the surrounding aggressive environment lead to changes in the material microstructure and consequently on the mechanical behavior, and can have a significant impact on the durability of structures. To characterize the mechanical behavior of these chemically influenced materials, two different approaches are proposed in this thesis: the macroscopic and microscopic approach. In the first part, a macroscopic approach is used. The interest is to use a classical elastoplastic model to see the effect of carbonation and lixiviation on the elastic and plastic parameters. This model is then coupled with an interface model to describe the mechanical behavior and the failure process of cementitious materials, taking into account the localization of deformations on a shear band. In the second part, by taking advantage of micro-macro models, it is possible to explicitly link the microstructure evolution during the degradation to the mechanical behavior of the material. Two or three homogenization steps based on the modified secant method are needed to reach the macroscopic criterion. The predictive capabilities of micro-macro models proposed here have been demonstrated through a wide experimental validation

La mousson d'Afrique de l'Ouest (MAO) représente un système climatique régional dont le cycle saisonnier est très marqué, notamment par l'humidité et les pluies de mousson et par la réponse de la végétation et des surfaces continentales. Le cycle de l'eau est un élément primordial de la MAO et son étude est un objectif majeur de la campagne AMMA (Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine). Dans ce contexte, six stations GPS ont été installées le long du gradient climatique méridien d'Afrique de l'Ouest dès 2005. Cette thèse porte d'une part sur l'analyse de l'humidité atmosphérique à l'aide des données GPS et propose d'autre part une étude plus approfondie des bilans d'eau dans l'atmosphère, à l'aide de différents jeux de données élaborés à partir des produits de la campagne AMMA (observations et modélisation). L'analyse des séries temporelles GPS met en évidence une variabilité spatiale et temporelle de la vapeur d'eau (cycle saisonnier, variabilité intra-saisonnière avec des modes de 10-20 jours, échelle synoptique et cycle diurne) dont le lien est fait avec les processus atmosphériques de la mousson. La précision de ces données permet également d'identifier des biais d'humidité dans les observations de radiosondages et de manière corrélée (via l'assimilation) dans les modèles de prévision météorologique. Une méthode est ensuite développée pour calculer des bilans d'eau intégrés verticalement à l'échelle de l'Afrique de l'Ouest à partir d'un jeu de données "hybride". Elle combine des estimations de pluies satellitaires, des simulations d'un ensemble de modèles de transfert sol-végétation-atmosphère (TSVA) tous forcés par les mêmes pluies et d'autres produits élaborés de qualité. L'analyse du fonctionnement du cycle hydrologique à l'interface surface-atmosphère à l'aide de ce nouveau jeu de données, permet de confirmer ou d'infirmer certaines hypothèses élaborées dans le passé mais surtout d'apporter un éclairage nouveau sur le cycle saisonnier et la variabilité interannuelle des bilans d'eau et d'énergie à la surface. Nous mettons notamment en évidence des relations entre les termes de ces bilans (convergence d'humidité, pluie, évaporation, ruissellement, humidité dans le sol, et le rayonnement net) distinctes suivant les échelles considérées. Ce jeu de données est ensuite utilisé comme référence pour évaluer les différents termes du bilan d'eau d'un ensemble de modèles météorologiques (ré-analyses, analyses opérationnelles et prévisions des modèles de Météo-France, ECMWF et NCEP). Des biais importants sont diagnostiqués dans les précipitations, les évaporations et la convergence d'humidité de ces modèles. Des hypothèses sont proposées quant à l'origine de ces biais (défauts dans les schémas de convection, dans l'initialisation de l'humidité des sols et dans les données assimilées). Pour certains modèles (p.ex. ECMWF), nous identifions une rétroaction de ces biais sur la circulation atmosphérique dans la région de la dépression Saharienne. Ce travail ouvre des perspectives d'améliorations du cycle de l'eau des modèles de prévision météorologique et fournit un jeu de données hybride potentiellement utile pour analyser les intéractions des processus à d'autres échelles (méso-échelle et synoptique).

L’objectif de ce travail est la caractérisation expérimentale et la modélisation du comportement mécanique des mélanges de polymères immiscibles à base de PC et de PP. Une microstructure majoritairement sphérique dans la plupart des mélanges PC/PP révèle une faible adhésion. Ceci se traduit par une déviation négative des propriétés mécaniques par rapport au % de PP ajouté. La solution de ce problème consiste à ajouter un troisième composant qui peut favoriser l’adhésion à l’interface. La présence de PP-g-MA, malgré sa faible rigidité et sa fragilité, a permis d’améliorer les propriétés mécaniques du mélange. Une approche multi-échelle est développée pour modéliser le comportement effectif du mélange PC/PP en utilisant deux types de modèles différents. Le premier est basé sur l’homogénéisation analytique et le deuxième est défini dans le cadre de l’homogénéisation numérique. La loi statistique de la répartition spatiale de la phase minoritaire a été déterminée à partir des images MEB. Cette loi a permis de générer un volume élémentaire représentatif (VER). Le comportement des constituants a été défini comme élasto-plastique. L’hypothèse d’une interface parfaite ne permet pas de rendre compte du comportement mécanique des mélanges de manière satisfaisante. Afin d’y remédier, un modèle d’endommagement interfacial a été introduit par des surfaces cohésives avec une loi de traction-séparation. Le modèle est en bon accord avec les résultats expérimentaux. Finalement, une étude paramétrique a été réalisée pour mettre en évidence les effets de la forme, du nombre et de l’orientation des nodules de la phase minoritaire sur les propriétés mécaniques non linéaires du mélange
The objective of this work is to perform experimental characterization and to model the mechanical behaviour of immiscible PC/PP blends. A predominantly spherical microstructure, in the most PC / PP blends, reveals low adhesion due to high interfacial tension between two phases which was observed under a scanning electron microscope (SEM). This results in a negative deviation of the mechanical tensile properties accordingly to the % of PP. One of the possible solutions is to add a third component that can improve adhesion between two phases. In this work PP-g-MA was chosen. Despite its low rigidity and brittleness, it has partially improved the mechanical properties of the blends. A multi-scale approach was applied to model the homogenised behaviour of the PC / PP blends using two different types of models. The first one is based on analytical homogenization and the second one will be defined in the context of numerical homogenization. The statistical distribution law for the size of the dispersed phase was determined from the SEM images. This law was applied for representative volume element (RVE) generation. The behaviour of the constituents has been defined as elastoplastic. Initially assumed hypothesis of a perfect interface did not describe the mechanical behaviour of the blends in a satisfactory manner. In order to improve this, a model introducing cohesive surfaces to simulate interfacial damage is developed using traction-separation law. The model is in good agreement with the experimental results. Finally, parametric study was carried out to highlight the effect of the shape, the number and the orientation of dispersed phase on the nonlinear response of blends

Les matériaux composites stratifiés sont de plus en plus utilisés dans l'aéronautique, mais ils peuvent être sujets à large délaminage si soumis à impact. La nécessité d'effectuer des simulations numériques pour prédire l’endommagement devient essentielle pour l’ingénieur. Dans ce contexte, l'utilisation d'une modélisation fine semble préférable. En revanche, le coût de calcul associé serait prohibitif pour larges structures. Le but de ce travail consiste à réduire ce coût de calcul, en couplant le modèle fin, restreint à la zone active de délaminage, avec un modèle grossier appliqué au reste de la structure. En raison du comportement transitoire des problèmes d'impact, l'adaptabilité dynamique des modèles pour suivre les phénomènes évolutifs représente un point crucial de la stratégie de couplage. Des méthodes avancées sont utilisées pour coupler différents modèles. Par exemple, la méthode de Décomposition de Domaines, appliquée à l'adaptabilité dynamique, doit être combinée avec une stratégie de remaillage, considérée comme intrusive pour la mise en œuvre d'un logiciel pour Analyse à Eléments Finis. Dans ce travail, les bases d'une approche faiblement intrusive, la méthode de Substitution, sont présentés dans le domaine de la dynamique explicite. Il s’agît d’une formulation globale-locale, conçue pour appliquer un modèle grossier sur tout le domaine pour obtenir une réponse globale: ce pré-calcul est ensuite corrigé itérativement par l'application du modèle raffiné appliqué seulement où nécessaire. La vérification de la méthode de Substitution en comparaison avec la méthode de Décomposition de Domaines est présentée
Composite laminates are increasingly employed in aeronautics, but can be prone to extensive delamination when submitted to impact loads. The need of performing virtual testing to predict delamination becomes essential for engineering workflows, in which the use of a fine modeling scheme appears nowadays to be the preferred one. The associated computational cost would be prohibitively high for large structures. The goal of this work consists in reducing such computational cost coupling the fine model, restricted to the surroundings of the delamination process zone, with a coarse one applied to the rest of the structure. Due to the transient behavior of impact problems, the dynamic adaptivity of the models to follow evolutive phenomena represents a crucial feature for the coupling. Many methodologies are currently used to couple multiple models, such as non-overlapping Domain Decomposition method, that, applied to dynamic adaptivity, has to be combined with a re-meshing strategy, considered as intrusive implementation within a Finite Element Analysis software. In this work, the bases of a weakly-intrusive approach, called Substitution method, are presented in the field of explicit dynamics. The method is based on a global-local formulation and is designed so that it is possible to make use of the pre-fixed coarse model the meshes the whole structure to obtain a global response: this pre-computation is then iteratively corrected considering the application of the refined model only where required, in the picture of an adaptive strategy. The verification of the Substitution method in comparison with the Domain Decomposition method is presented

Nous proposons une nouvelle approche de modélisation micro/macro pour les problèmes multi échelles. Cette approche se destine aux matériaux ayant deux longueurs caractéristiques de variation des propriétés : l'une microscopique et l'autre macroscopique. Ce qui signifie qu'il n'est pas possible de définir une relation de comportement macroscopique unique pour l'ensemble du système étudié. Nous proposons une méthode de discrétisation pour laquelle la majeure partie du domaine étudié est modélisée exclusivement à l'échelle macroscopique, seules quelques zones relativement petites, appelées motifs microscopiques, sont modélisées à l'échelle microscopique. La mise en oeuvre de la méthode de modélisation repose sur : un principe d'extension du comportement de l'échelle microscopique afin d'en déduire une relation de comportement numérique à l'échelle macroscopique ; la méthode des éléments naturels contraints CNEM, afin de pouvoir insérer les motifs microscopiques dans une discrétisation macroscopique ; et une méthode de résolution introduisant décomposition de domaine et réduction de modèle pour accélérer le calcul et tirer profit des calculateurs à architecture parallèle. Nous avons prouvé l'efficacité de notre approche sur des exemples académiques avec une bonne estimation de la solution, et une distribution de l'erreur homogène sur tout le domaine aux échelles microscopique et macroscopique même sur les bords.

Dans les structures en béton précontraint, les phénomènes de fluage et de retrait tendent à réduire les efforts de précontrainte initialement prévus pour maintenir le béton dans un état minimisant les forces de traction et donc la fissuration. La compréhension et la prédiction de ces phénomènes par le biais de modèles sont donc primordiales pour la conception et la maintenance à long terme des ouvrages du génie civil tels que les enceintes de confinement des centrales nucléaires.L’objectif de cette thèse est d’élaborer un cadre de modélisation micromécanique pour décrire de manière unifiée le retrait et le fluage dans les matériaux cimentaires. Pour cela, l’étude se base sur l’échelle de la microstructure poreuse du gel de C-S-H où les mécanismes intrinsèques de ces déformations différées du béton opèrent. Une approche d’homogénéisation numérique modélisant ces phénomènes dans des microstructures poreuses à morphologies quelconques est développée. Une description explicite du réseau poreux ainsi que de la phase liquide de l’eau pendant les processus de séchage/humidification est prise en compte. Les mécanismes concernant lesdéformations différées dans la phase solide sont modélisés par la théorie de la microprécontrainte-solidification (MPS). Les simulations à l’échelle microscopique sont réalisées par une approche originale couplant la méthode de Lattice Boltzmann (LBM) et la méthode des éléments finis (FEM). La LBM est utilisée pour décrire la distribution du liquide capillaire à l’échelle du pore,tandis que la FEM est employée pour simuler la déformation du squelette solide sous l’action combinée de l’eau dans l’espace poreux et d’un chargement macroscopique.La démarche proposée permet, au travers des simulations, de mieux comprendre les mécanismes liés à la non saturation et aux effets capillaires dans les milieux poreux. En particulier, la prise en compte de morphologies réalistes de microstructures et des ménisques formés conduit à différents régimes de retrait/gonflement. Ainsi les effets de l’intensité de la pression capillaire,de la tension de surface et des surfaces de chargement sur la réponse élastique du squelette solide sont évalués. Enfin, nous proposons une extension des approches précédentes au cas d’un squelette viscoélastique se déformant sous les effets de la pression capillaire et des tensions de surface. A partir des observations numériques réalisées, nous proposons un modèle pour décrire le fluage et le retrait du gel de C-S-H de manière unifiée
In pre-stressed concrete structures, creep and shrinkage tend to reduce the pre-stress forces which are initially produced so as to maintain concrete in a state minimizing traction forces and then cracks. Understanding and predicting these phenomena through models are thus highly important for the design and durability of civil engineering structures, such as containment buildings in nuclear power plants.The objective of this thesis is to develop a micromechanical modeling framework to describe shrinkage and creep in cementitious materials in a unified manner. For this purpose, the study focuses on the scale of the porous structure of the C-S-H gel where the intrinsic mechanisms of delayed strains are active. A computational homogenization approach is developed to model these phenomena in porous structures with arbitrary morphologies. An explicit description of the porous network and of the liquid phase of water during the drying/humidification process is taken into account. The mechanisms related to delayed strains in the solid phase are modeled by the microprestress-solidification theory (MPS). The simulations at the microscale are conductedbased on an original approach coupling the Lattice Boltzmann method (LBM) and the finite element method (FEM). The LBM is used to describe the distribution of capillary water in the porous structure, whereas the FEM serves as modeling the strain of the solid skeleton under the capillary water effets and a macroscopic load.The proposed method allows, by means of the simulations, to better understand the mechanisms related to the capillary effects in the porous structure. More specifically, taking into account realistic morphologies of microstructures and of the formed menisci lead to different regimes of shrinkage/swelling. Then, the effects of capillary pressure intensity, of surface tension and of morphologies of capillary surfaces on the elastic response of the solid skeleton are evaluated. Finally, the above approaches are extended to the case of a viscoelastic solid deformed under the action of the capillary water. From numerical observations, we propose a model is proposed to describe the creep and shrinkage of C-S-H gel in a unified way

Dans le contexte du stockage géologique profond des déchets radioactifs, le comportement hydromécanique différé de l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx) est étudié afin d’assurer les conditions de sûreté requises pour un stockage à long terme de déchets radioactifs. La première partie de l'étude s'appuie sur une approche phénoménologique menée directement à l'échelle macroscopique du matériaux rocheux et des ouvrages souterrains. Dans un premier temps, un modèle quasi-analytique du comportement hydromécanique d'une cavité sphérique profonde creusée dans un massif rocheux dilatant poro-viscoplastique est présenté. Cette modélisation considère trois étapes d'un cycle de vie simplifié de l’ouvrage souterrain : excavation, convergence libre et comportement post-fermeture. Ensuite, le développement, l’extension et l’évolution de la zone rocheuse endommagée par l'excavation (EDZ, Excavation Damaged Zone) sont étudiés à l'aide d’un code aux éléments finis. Cette zone endommagée fait référence à une région caractérisée par des changements importants et pour la plupart irréversibles des propriétés géochimiques et hydromécaniques de la roche. Des analyses de sensibilité et de probabilité sont aussi effectuées pour étudier l’évolution de l'étendue au cours du temps de l’EDZ. Dans la deuxième partie de l'étude, une approche numérique multi-échelles est utilisée pour étudier les effets de fluage et d'endommagement sur le comportement mécanique. Tout d'abord, un modèle basé sur la micromécanique, dans le cadre de modélisation de type éléments finis au carré (EF²), est développé pour modéliser le comportement à long terme de l'argilite du Callovo-Oxfordien. Pour simuler les effets visqueux de la matrice argileuse, deux mécanismes à l’échelle microscopique ont été introduits : la viscoplasticité des agrégats d'argile et la viscoélasticité de leurs contacts. Ensuite, le modèle de comportement de l’argilite du Callovo-Oxfordien développé à petite échelle est appliqué pour modéliser le comportement de fluage à grande échelle, c’est-à-dire à l'échelle du laboratoire et des galeries souterraines. À partir des résultats de simulations à l'échelle du laboratoire, un processus de fluage en trois étapes est reproduit. Il comprend les étapes de fluage primaire, secondaire et tertiaire. A l’échelle des galeries souterraines, l'effet à long terme de la viscosité est étudié sur l'évolution des convergences des galeries et de l'EDZ. Le drainage à long terme et l’évolution de la pression d’eau interstitielle autour d'une galerie sont aussi étudiés. Enfin, le modèle de fluage à double échelle qui a été développé et utilisé pour simuler le comportement de fluage d'une roche fissurée saturée en eau est étendu au cas partiellement saturé. L’objectif est d’étudier l'interaction hydrique entre la roche autour des galeries souterraines et l'air à l’intérieur de celles-ci qui se produit lorsqu’il y a une circulation d’air humide dans les galeries. Les prédictions du modèle reproduisent la cinétique de drainage et de désaturation des roches saines et endommagées
In the context of radioactive waste repository, the time-dependent hydromechanical behaviour of the Callovo-Oxfordian (COx) claystone is investigated to ensure the safety conditions required for long-term repository of radioactive wastes.The first two parts of the study are based on the phenomenological approach carried out directly at the macroscale. Firstly, a quasi-analytical model for the hydromechanical behaviour of a deep spherical cavity excavated in a dilatant poro-viscoplastic rock mass is presented, considering three stages of a simplified life cycle: excavation, free convergence and post-closure. Subsequently, the sensitive and probability analyses are carried out using the finite element code Cast3M toinvestigate the time-dependent extent of the Excavation Damaged Zone (EDZ) which refers to a region characterized by significant and mainly irreversible changes in geochemical and hydromechanical properties. In the following, a multiscale numerical approach is employed to investigate its creep and damage behaviour under mechanical condition. Firstly, a micromechanics-based model within the finite element square (FE2) framework is developed to model the short-term and long-term behaviours of saturated COx claystone. For the viscous behaviour, two microscale mechanisms have been introduced: the viscoplasticity of the clay aggregates and the viscoelasticity of their contacts. Then, the creep model of COx claystones developed at small scale is applied to model the large-scale creep behaviour at laboratory and gallery scales. From simulation results of laboratory scale, a clear three-stage creep process is reproduced, including the primary creep stage, second creep stage and tertiary creep stage. At the gallery scale, the long-term effect of viscosity on the gallery convergences, the evolution of EDZ, and the long-term drainage and pore pressure around a gallery are investigated. Finally, the above developed double-scale creep model used to simulate saturated cracked medium is extend to partial saturated case to study the interaction between rock and the atmosphere occurs through air circulation within underground galleries. The emphasis is to study the effect of the gallery air ventilation on hydromechanical behaviour of host rock. The model predictions reproduce the drainage and desaturation kinetics of undisturbed and damaged rock

Améliorer la gestion et l’organisation des blocs opératoires est une tâche critique dans les hôpitaux modernes, principalement à cause de la diversité et l’urgence des activités impliquées. Contrairement à l’aviation civile, qui a su optimiser organisation et sécurité, le management de bloc opératoire est plus délicat. Le travail ici présenté abouti au développement et à l’installation de nouvelles technologies assistées par ordinateur résolvant les problèmes quotidiens des blocs opératoires. La plupart des systèmes existants modélisent le flux chirurgical et sont utilisés seulement pour planifier. Ils sont basés sur des procédés stochastiques, n’ayant pas accès à des données sûres. Nous proposons une structure utilisant un modèle multi-agent qui comprend tous les éléments indispensables à une gestion efficace et au maintien de la sécurité dans les blocs opératoires, allant des compétences communicationnelles du staff, au temps nécessaire à la mise en place du service de nettoyage. Nous pensons que la multiplicité des ressources humaines engagées dans cette structure cause des difficultés dans les blocs opératoires et doit être prise en compte dans le modèle. En parallèle, nous avons construit un modèle mathématique de flux d’air entre les blocs opératoires pour suivre et simuler la qualité de l’environnement de travail. Trois points sont nécessaires pour la construction et le bon fonctionnement d’un ensemble de bloc opératoire : 1) avoir accès au statut du système en temps réel grâce au placement de capteurs 2) la construction de modèles multi-échelles qui lient tous les éléments impliqués et leurs infrastructures 3) une analyse minutieuse de la population de patients, du comportement des employés et des conditions environnementales. Nous avons développé un système robuste et invisible qui permet le suivi et la détection automatique d’événements dans les blocs. Avec ce système nous pouvons suivre l’activité à la porte d’entrée des blocs, puis l’avancement en temps réel de la chirurgie et enfin l’état général du bloc. Un modèle de simulation numérique de mécanique des fluides de plusieurs blocs opératoires est utilisé pour suivre la dispersion de fumée chirurgicale toxique, ainsi qu’un modèle multi-domaine qui évalue les risques de propagation de maladie nosocomiale entre les blocs. La combinaison de ces trois aspects amène une nouvelle dimension de sensibilisation à l’environnent des blocs opératoires et donne au staff un système cyber-physique capable de prédire des événements rares impactant la qualité, l’efficacité, la rentabilité et la sécurité dans l’hôpital
Improving operating room management is a constant issue for modern large hospital systems who have to deal with the reality of day to day clinical activity. As opposed to other industrial sectors such as air civil aviation that have mastered the topic of industry organization and safety, progress in surgical flow management has been slower. The goal of the work presented here is to develop and implement technologies that leverage the principles of computational science to the application of OR suite problems. Most of the currently available models of surgical flow are used for planning purposes and are essentially stochastic processes due to uncertainties in the available data. We propose an agent-based model framework that can incorporate all the elements, from communication skills of the staff to the time it takes for the janitorial team to go clean an OR. We believe that human factor is at the center of the difficulty of OR suite management and should be incorporated in the model. In parallel, we use a numerical model of airflow at the OR suite level to monitor and simulate environment conditions inside the OR. We hypothesize that the following three key ingredients will provide the level of accuracy needed to improve OR management : 1) Real time updates of the model with ad hoc sensors of tasks/stages 2) Construction of a multi-scale model that links all key elements of the complex surgical infrastructure 3) Careful analysis of patient population factors, staff behavior, and environment conditions. We have developed a robust and non-obtrusive automatic event tracking system to make our model realistic to clinical conditions. Not only we track traffic through the door and the air quality inside the OR, we can also detect standard events in the surgical process. We propose a computational fluid dynamics model of a part of an OR suite to track dispersion of toxic surgical smoke and build in parallel a multidomain model of potential nosocomial contaminant particles flow in an OR suite. Combining the three models will raise the awareness of the OR suite by bringing to the surgical staff a cyber-physical system capable of prediction of rare events in the workflow and the safety conditions

Cette thèse de doctorat porte sur le traitement multi-échelle et adaptatif (en espace et en intensité) des images à tons de gris. A partir d'une caractérisation ponctuelle, une image est représentée par un ensemble de voisinages locaux : les voisinages adaptatifs généraux (VAG). A chaque point de l'image est associée une famille croissante de VAG permettant une analyse multi-échelle des différentes caractéristiques de l'image. Ces VAG sont adaptatifs dans le sens ou chaque voisinage coïncide spatialement avec la structure locale du point considéré, suivant les informations radiométriques, morphologiques, géométriques, ou texturales, étudiées. De plus, les VAG sont physiquement cohérents puisque leur modélisation dépend de la nature physique et/ou psychophysique de l'image à analyser. Par conséquent, les VAG sont adaptés aux images ou systèmes d'imagerie linéaires, mais aussi non linéaires et/ou bornes, tels que les images acquises en lumière transmise, en lumière réfléchie (modèle multiplicatif) ou le système humain de perception visuelle. Cette analyse par voisinages adaptatifs généraux conduit au développement d'outils de traitement d'image. Ces VAG forment naturellement des fenêtres opérationnelles propices à des transformations locales d'image. Dans un premier temps, la morphologie mathématique adaptative est introduite en considérant des éléments structurants (adaptatifs) bases sur ces VAG. Les transformations résultantes satisfont les propriétés standards des opérateurs morphologiques usuels et de surcroît en vérifient de nouvelles telles que la connexité, ce qui est topologiquement remarquable. Dans un second temps, le filtrage de Choquet est étendu à l'aide des voisinages adaptatifs généraux, généralisant de nombreux opérateurs non-linéaires tels que les filtres d'ordre. En outre, les VAG permettent la définition de descripteurs adaptatifs locaux d'images en tons de gris tels que l'orientation ou l'épaisseur. Ces mesures peuvent conduire d'une part à la définition de nouveaux VAG permettant une analyse d'image plus cohérente ou d'autre part à la résolution de problèmes pratiques de traitement d'image. Dans le cadre de cette thèse, le traitement d'image à voisinages adaptatifs généraux (TIVAG) à été appliqué aux problèmes de restauration, de rehaussement ou de segmentation d'image. Cette approche ouvre par ailleurs de nouvelles perspectives théoriques et devrait permettre la mise au point de nombreux processus de traitement d'image répondant à des problèmes applicatifs concrets.