Academic literature on the topic 'Modélisation deux-Échelles'

Cet article présente les différentes étapes des développements réalisés au CNRM des années 1990 à nos jours pour spatialiser à diverses échelles les simulations du modèle Isba des surfaces terrestres. Une attention particulière est portée sur l'intégration, dans le modèle, de données satellitaires permettant de caractériser la végétation. Deux façons complémentaires d'introduire de l'information géographique dans Isba sont présentées : cartographie de paramètres statiques et intégration au fil de l'eau dans le modèle de variables observables depuis l'espace. This paper presents successive steps in developments made at CNRM from the 1990s to the present-day in order to spatialize the simulations of the Isba land surface model at various scales. The focus is on the integration in the model of satellite data informative about vegetation. Two complementary ways to integrate geographic information in Isba are presented: mapping of static model parameters and sequential assimilation of variables observable from space.

C'est avec plaisir que nous avons récemment relu les "Tribunes Libres" de Ghislain de MARSILY (1994) et Jacques GANOULIS (1996), plus particulièrement leur discussion relative à une nouvelle typologie des modèles hydrologiques ainsi que leurs réflexions concernant l'analyse des incertitudes. Il nous apparaît toutefois, à la lecture de ces deux articles, qu'il subsiste encore quelques confusions ou interprétations alternatives concernant la modélisation hydrologique. Il est donc important et ceci malgré le fait que nous adhérons à beaucoup de points examinés par ces deux auteurs, de discuter encore quelques éléments de la modélisation hydrologique afin de lever certaines ambiguïtés. La distinction effectuée par de MARSILY entre les modèles conditionnés par les phénomènes observables et les modèles à base physique utilisés lorsque aucun phénomène n'a été constaté, invite à la critique eu égard aux pratiques réalisées. Par ailleurs, l'argument de GANOULIS affirmant que les modèles à base physique peuvent fournir une description valable des processus si l'on utilise des coefficients empiriques à différentes échelles spatiales et temporelles, ne résiste pas non plus à une analyse détaillée des effets d'échelle. En d'autres termes, la question soulevée par ces auteurs réside dans l'impossibilité d'utiliser une modélisation à base purement physique pour des applications pratiques, en raison de la difficulté de prendre en compte et de transcrire les caractéristiques et le comportement unique de chaque unité du paysage ou chaque sous-bassin versant. Face à cette attitude, nous pouvons affirmer aujourd'hui qu'il existe d'autres voies de réflexion en ce qui concerne l'usage de modèles dits à base physique. Affirmer que tous les lieux concernés par une modélisation distribuée ont des caractéristiques uniques est une évidence géographique. Il n'en reste pas moins que les limitations de la modélisation, exprimées par de MARSILY (1994) dans le contexte des trois principes d'unité de lieu, d'action et de temps, peuvent être mieux définies en procédant à une analyse plus fine dans le contexte de l'unicité. Les unicités expliquent en partie le développement très répandu de la modélisation par rapport à la théorie et des outils propres à des applications particulières. Force est de constater que les attentes face aux prévisions quantitatives en hydrologie ont augmenté parallèlement à l'évolution de la disponibilité et la puissance des ordinateurs. Cette évolution est toutefois due essentiellement aux avancées technologiques plutôt qu'à de réels progrès scientifiques. Pourquoi? En raison principalement des caractéristiques uniques des bassins versants. Celles-ci transcendent, à notre point de vue, toutes les théories disponibles en matière de modélisation hydrologique. De surcroît, cet aspect ne change pas si on émet de meilleures hypothèses physiques ou si on réalise des prévisions pour les variables ou "phénomènes non-observables" discutés par de MARSILY. Dans cette communication, nous tenterons une évaluation de ces questions et nous suggérerons une approche pertinente de la modélisation hydrologique pour prendre en compte le caractère unique des bassins versants.

L’exploitation des valeurs instantanées de débits liquides et de débits solides en suspension dans le bassin versant de l’oued Boumessaoud (118 km2), pour la période allant de septembre 1988 à août 2004, a permis de mettre en évidence la variabilité annuelle et saisonnière de l’apport solide, et d’examiner l’ampleur du phénomène pendant les périodes d’érosion active de l’année dans ce bassin des régions méditerranéennes semi-arides où la contribution des crues s’est élevée à 71 % durant la saison de l’automne, pour atteindre 97 % de la charge globale moyenne au printemps. Les résultats de cette analyse montrent que la dégradation spécifique moyenne est de l’ordre de 518 t∙km-2∙an-1. L’approche statistique abordée, qui est une régression reliant les deux variables débit liquide (QL) et débit solide (QS), a été testée à différentes échelles temporelles; les modèles générés sont de type puissance (QS = aQLb), où les débits liquides expliquent globalement plus de 80 % de la variance du transport solide. L’identification des périodes productives de sédiments dans cette dynamique érosive a été étudiée en analysant l’évolution de la concentration des particules en suspension dans le cours d’eau. Cette modélisation aura pour application la reconstitution de données manquantes au droit des stations de contrôle au niveau du bassin d’étude.

L’enjeu majeur du phénotypage animal est d’acquérir une connaissance systémique de la robustesse des animaux d’élevage pour répondre au mieux à une double finalité en termes d’exploitation de la variabilité des aptitudes animales : une sélection éclairée vers des objectifs majeurs pour améliorer l’efficience et la robustesse des génotypes, et un élevage de précision exploitant la variabilité individuelle des animaux pour gagner en résilience à l’échelle du troupeau, ou pour améliorer la conduite à génotype donné. Deux défis majeurs de connaissance, interdépendants et communs à toutes les filières animales, sont à relever pour améliorer la robustesse des animaux : i) comprendre et prédire les compromis entre fonctions vitales, c’est-à-dire les changements de priorités dans l’allocation de ressources limitées ; ii) comprendre et exploiter les aspects temporels de la robustesse au cours de la vie de l’animal pour lui permettre de maintenir son niveau de production dans une large gamme d’environnements sans pour autant compromettre sa reproduction, sa santé et son bien-être. Atteindre ces objectifs nécessite de lever les verrous techniques suivants : i) définir des phénotypes complexes à partir de l’intégration de données obtenues à différentes échelles moléculaires, tissulaires, de l’animal ou d’une de ses fonctions ; ii) mettre en oeuvre des technologies à haut débit pour caractériser à moindre coût et le plus précisément possible le plus grand nombre d’animaux ; iii) développer d’importantes bases de données, des méthodes et outils informatiques performants, nécessaires aux traitements des informations à des fins de modélisation et de biologie prédictive.

Les digues des aménagements hydro-électriques du Rhône et du Rhin sont sensibles à un type d’érosion interne appelé érosion de contact et localisé aux interfaces sols fins/sols grossiers, notamment à l’interface noyau/fondation. Pour analyser ce phénomène, un programme de recherche a été mené conjointement par CNR et EDF depuis 2008, d’abord à l’échelle de l’échantillon au laboratoire LTHE (Université de Grenoble), puis à l’échelle d’un modèle physique à échelle 1 au CACOH à Lyon (Centre d’analyse comportementale des ouvrages hydrauliques, CNR). Ces essais ont d’abord démontré la possibilité de formation d’un conduit d’érosion à la base du noyau menant à une rupture rapide (Beguin et al., 2013a). Pour éviter ce type de rupture, une seconde phase a testé le rôle d’une recharge granulaire, comme parade à ce processus. Une troisième phase expérimentale s’est focalisée sur la recherche des conditions de stabilité de cette recharge, lorsque le conduit amène une forte pression hydraulique sous la recharge. Le dispositif expérimental à échelle 1 utilisé permet la construction de tronçons de digue expérimentale de 2,2 m de hauteur, 4 m de largeur et 8 m de longueur. Ces tronçons sont soumis au chargement hydraulique souhaité pendant une durée de quelques heures à deux semaines et suivis par une instrumentation adaptée. Grâce à ce modèle physique de digue de grande dimension, les scénarios de progression de l’érosion, qui mettent en jeu des échelles supérieures à celle de l’échantillon, ont été observés et analysés pour la première fois. La dernière phase expérimentale a abouti à la proposition de critères de stabilité d’une recharge granulaire vis-à-vis de ce processus d’érosion.

L'océan est le plus grand réservoir d'énergie de notre planète. La quantité de chaleur qu'il est capable de stocker est modulée par sa circulation complexe, opérant sur des échelles allant du centimètre à la dizaine de milliers de kilomètres. Les découvertes scientifiques des deux dernières décennies ont révélé l'existence de fronts de fine échelle (d'environ 1 à 50 km), analogues aux fronts atmosphériques, dans la couche de mélange océanique de surface. Ces fronts agissent comme des conduits entre l'océan et l'atmosphère, contrôlant les échanges de gaz et de chaleur. Combinant observation et modélisation, nous démontrons pour la première fois le rôle capital de ces fronts jusqu'à 1000 m de profondeur. Ils génèrent d'importants flux de chaleur dirigés de l'intérieur de l'océan vers la surface, pouvant modifier la capacité de stockage de chaleur de l'océan, avec des répercussions potentiellement majeures pour les systèmes biogéochimique et climatique. The ocean is the largest solar energy collector on Earth. The amount of heat it can store is modulated by its complex circulation, which spans a broad range of spatial scales, from centimeters to thousands of kilometers. Scientific discoveries of the past two decades revealed the existence of fine-scale fronts (≈ 10-20 km wide), analogous to atmospheric fronts, in the oceanic surface mixed layer. These fronts control the exchanges between the ocean and the atmosphere just as the capillary vessels of our pulmonary alveoli facilitate the exchange of gas when breathing. Combining observation and modeling, we demonstrate for the first time the crucial role played by these fronts in the ocean interior. These fine-scale fronts drive an anomalous upward heat transport from the ocean interior back to the surface. This can alter the ocean heat storage capacity, with potential major implications for the biogeochemical and climate systems.

Cet article résume les apports du programme «Porcherie verte» dans l’évaluation globale intégrée des systèmes de production porcine, prenant en compte à différentes échelles les diverses dimensions pertinentes de la durabilité, au-delà des seuls impacts environnementaux. La comparaison multicritères de deux types de conduite d’élevage prend en compte l’ensemble des dimensions de la durabilité (environnement, société, économie) mais à une échelle restreinte à l’atelier d’élevage porcin. Comparativement aux animaux élevés sur caillebotis, les porcs élevés sur litière avec accès à une courette bénéficient d’un meilleur bien-être, ont de meilleures performances de croissance mais leurs carcasses peuvent être plus grasses. Leurs viandes peuvent avoir une moindre qualité technologique, mais une meilleure qualité sensorielle. Ce type de conduite produit nettement moins d’odeurs désagréables mais il est plus coûteux. Les produits peuvent cependant potentiellement être mieux valorisés par un label. La modélisation visant une optimisation au niveau de l’exploitation prend en compte les dimensions environnementales et économiques, mais pas sociétales, pour comparer différentes filières de gestion des effluents. L’échelle d’approche est plus large que dans l’étude précédente pour prendre en compte les interactions entre productions animales et végétales sur le territoire de l’exploitation qui correspond à un échelon décisionnel fondamental en agriculture. La filière «Lisier brut» conduit à la meilleure marge brute marginale, avec de bons bilans environnementaux, mais la production est limitée à 60 porcs à l’ha. Le traitement biologique du lisier sans séparation de phases permet d’augmenter la production de porcs mais détériore le bilan apparent de phosphore de l’exploitation et réduit significativement la marge brute par porc produit. La mise en œuvre d’un procédé de séparation de phases préalablement au traitement biologique du lisier permet d’augmenter encore la production de porcs en respectant des contraintes environnementales sur le phosphore, mais il réduit encore plus la marge brute par porc produit. Le compostage du lisier peut être une alternative au traitement biologique pour les petites exploitations, mais son bilan environnemental est médiocre. L’exportation du compost de lisier allège les bilans apparents de N et de P de l’exploitation mais ne change pas les émissions gazeuses. Il permet de maintenir une bonne marge brute, même aux chargements élevés. L’élevage de porcs sur litière permet de produire plus de porcs à l’ha mais au prix d’une dégradation de l’impact environnemental et d’une augmentation des coûts de production. Le compostage du fumier des litières permet d’augmenter la production de porcs à l’ha, mais uniquement en l’absence de contrainte environnementale sur le phosphore, et l’accroissement marginal de marge brute est faible. L’exportation du compost excédentaire permet d’augmenter encore la production de porcs en allégeant les bilans apparents de N et P, mais pas les émissions gazeuses. Parmi les filières avec traitement, qui autorisent des chargements élevés, le traitement biologique semble réaliser le meilleur compromis entre marge brute réalisée et impact sur l’environnement, si l’on néglige les transferts d’impacts hors de l’exploitation. Parmi les filières avec traitement et exportation, qui permettent des niveaux de chargement très élevés, le compostage de fumier semble cumuler les inconvénients en termes de marge brute et d’impacts environnementaux, si l’on néglige les transferts d’impacts hors de l’exploitation associés au traitement biologique. L’évaluation globale de l’impact environnemental des élevages porcins est restreinte à la dimension environnementale mais son échelle d’approche permet d’intégrer l’ensemble des impacts associés aux processus en amont de l’exploitation L’analyse de cycle de vie (ACV) est une méthode de choix pour faire cette évaluation et a été mise en œuvre pour comparer les impacts environnementaux de trois scénarios contrastés de production porcine. La production la plus intensive, suivant le scénario des bonnes pratiques agricoles, a le plus faible impact sur le changement climatique, mais le plus fort impact sur l’acidification. La production biologique, peu intensive, consomme beaucoup de surfaces, mais elle a le plus faible impact sur l’eutrophisation. De façon générale, les meilleurs compromis entre coûts de production et respect de l’environnement sont obtenus par les systèmes les plus économes en surface, qui utilisent au mieux les capacités du sol à produire de l’aliment pour les animaux et à recevoir leurs effluents. L’absence de lien au sol coûte cher en argent et en impact écologique.

L'analyse comparative des réseaux trophiques lacustres est d'un grand intérêt pour le développement de la limnologie contemporaine et l'aménagement des lacs. L'analyse des mécanismes écologiques déterminant la structure et le fonctionnement des réseaux trophiques dans les lacs tempérés a permis l'émergence de plusieurs modèles, souvent contradictoires, et suscité d'intenses débats sur le rôle respectif des ressources et des prédateurs. Par contre, dans les lacs tropicaux, les études sont en majorité descriptives et la recherche de principes généraux et de concepts unificateurs y est rare. Cette synthèse présente l'état des connaissances, les approches méthodologiques, les modèles de régulation concernant la structure et le fonctionnement des réseaux trophiques lacustres. Les réseaux trophiques semblent varier selon un gradient de situations intermédiaires entre deux modèles extrêmes : (a) les milieux à cascades trophiques intenses et à effet atténué des ressources (lacs tempérés oligo-mésotrophes) caractérisés par la présence de poissons piscivores et de zooplancton herbivore de grande taille (tels Daphnia spp.) et (b) les milieux à régulation intermédiaire (lacs tempérés méso-eutrophes et la plupart des lacs tropicaux), caractérisés par la présence de poissons filtreurs microphages omnivores et de zooplancton herbivore de petite taille. Notre synthèse souligne aussi l'importance d'allier les approches expérimentales en enceintes ou par biomanipulation à des suivis à long terme et des modélisations pour avoir une bonne compréhension et des prédictions précises du fonctionnement des écosystèmes lacustres à différentes échelles spatiales et temporelles et pour différentes conditions climatiques, géographiques ou trophiques.

Une expertise scientifique collective conduite par l’Inra (INRA 2012) pointe l’importance des flux d’azote liés aux activités d’élevage et identifie des leviers pour limiter la pression sur l’environnement. Depuis une vingtaine d’années, les pollutions azotées font l’objet de diverses législations et plans d’action dans le cadre des politiques relatives à la qualité des eaux, de l’air et des écosystèmes. La transposition de la directive «Nitrates» (12 décembre 1991) fait actuellement l’objet d’un contentieux avec la commission européenne. C’est dans ce contexte que les ministères français en charge de l’Agriculture et de l’Ecologie ont sollicité l’Inra pour dresser un bilan de l’état des connaissances scientifiques sur les flux d’azote en élevage et leur devenir. L’objectif était de mettre à disposition des décideurs et des acteurs publics et privés les connaissances scientifiques actualisées et d’identifier des options permettant de réduire les pressions de l’azote sur l’environnement. 1/LA MÉTHODE D’EXPERTISE SCIENTIFIQUE COLLECTIVELe travail d’expertise a été porté par un collectif de 22 experts. Deux tiers d’entre eux appartiennent à l’Inra, un tiers à d’autres organismes de recherche (Irstea, CNRS, universités) dont deux experts des Pays-Bas (WUR) et un du Canada (Agriculture et Agroalimentaire Canada). Les sciences sociales ont fourni un quart de l’effectif d’experts, la zootechnie et l’approche systémique des systèmes d’élevage 40% et le complément regroupe des spécialistes des cycles biogéochimiques et de l’agronomie. La méthode a consisté à dresser un état des lieux critique des connaissances scientifiques publiées. Quelque 1360 références bibliographiques (2900 auteurs) ont été sélectionnées parmi les articles les plus récents (80% des sources sont postérieures à 1998) et relatifs ou transposables au cadre géographique français. L’analyse a privilégié l’échelle de l’exploitation agricole car c’est l’unité de référence des politiques agricoles et environnementales et des actions agronomiques. Cependant les informations scientifiques portent souvent sur un niveau infra : l’animal, l’atelier d’élevage, la parcelle, le bâtiment, la zone de stockage, etc., ou sur un niveau supra : le bassin versant, le paysage, les statistiques et modélisations nationales et internationales. Ces différents niveaux d’information ont permis d’approcher les variations entre productions et celles liées aux pratiques agricoles. 2 / L’EXPERTISE A MIS EN AVANT LE RÔLE MAJEUR DE L’ÉLEVAGE DANS LES FLUX D’AZOTE ET LES IMPACTS POTENTIELS 2.1 / Les flux d’azote en élevage et les fuites vers l’environnement sont élevésL’élevage utilise plus des trois quarts des quantités d’azote entrant dans les systèmes agricoles. Mais l’efficience, c’est-à-dire le rapport entre les sorties valorisées et les entrées d’azote, calculée au niveau de l’animal est globalement faible : souvent beaucoup moins de la moitié de l’azote ingéré se retrouve sous forme de protéines consommables, lait, œufs et viande. A l’échelle de l’exploitation d’élevage, une part de l’azote excrété dans les déjections est recyclée avec les effluents mais l’efficience reste néanmoins généralement inférieure à 50%. Le reste de l’azote se disperse dans l’environnement. L’élevage contribue ainsi pour environ la moitié aux pertes nationales de nitrates vers les eaux, et pour plus des trois quarts aux émissions nationales atmosphériques azotées, notamment sous forme d’ammoniac (et jusqu’à 90% si on tient compte du fait qu’une grande partie des engrais industriels est employée sur les cultures utilisées pour produire des aliments du bétail). L’azote se trouve de ce fait à la croisée de préoccupations croissantes en termes de compétitivité des filières animales et d’impacts sur l’environnement et sur la santé humaine. Ces impacts ont été récemment décrits dans une expertise européenne (European Nitrogen Assessment 2011). Ils interviennent au niveau de l’écosystème environnant (dépôts de NH3), de la région (NH3, NO3 -) et plus globalement dans le changement climatique (émissions de N2O). 2.2 / La question de l’azote ne se réduit pas à celles du nitrate, les émissions de NH3 constituent un enjeu fort Alors qu’en France, la question du nitrate a longtemps focalisé les débats, dans certains pays d’Europe du Nord, l’ammoniacest aussi de longue date au centre des préoccupations. D’abord étudié pour son rôle dans l’acidification et l’eutrophisation des milieux, l’ammoniac est aujourd’hui examiné dans le cadre de la pollution de l’air par les particules. Au niveau national, le premier contributeur d’émissions d’ammoniac est l’élevage bovin. 2.3 / Risques et impacts dépendent aussi de la sensibilité des territoires et de leur capacité d’épurationLes teneurs en nitrate des eaux ne dépendent pas seulement du niveau de surplus des bilans azotés mais aussi du climat, des types de sol, de la topographie et des modes d’occupation des sols : densité animale, part des terres agricoles dans les utilisations totales des surfaces, importance des prairies permanentes, etc. La présence majoritaire de prairies au sein des territoires réduit les risques de fuites de nitrate et d’émissions d’ammoniac. 3/LES FLUX D’AZOTE SONT AUSSI DÉTERMINÉS PAR DES CONSIDÉRATIONS ÉCONOMIQUES ET JURIDIQUES3.1 / La concentration spatiale des élevages a un rôle déterminant dans les impacts des pollutions azotéesLes plus fortes pressions azotées se situent dans les territoires de l’Ouest qui combinent productions de ruminants et de monogastriques. Les quantités d’azote contenues dans les effluents y dépassent parfois largement les capacités d’absorption des surfaces agricoles. Les territoires d’élevage plus extensifs connaissent des pressions azotées faibles. Cette hétérogénéité s’explique par la concentration géographique des filières animales, résultant principalement de facteurs économiques dont les moteurs relèvent des économies d’échelle et des économies d’agglomération qui sont liées à l’intensification et à la spécialisation des élevages ainsi qu’à leur concentration territoriale. La littérature scientifique pointe la difficulté de sortir d’une telle trajectoire, notamment parce que le fonctionnement technique et économique des acteurs des filières (producteurs d’intrants, éleveurs, transformateurs) est étroitement dépendant. 3.2 / L’encadrement juridique n’a pas permis d’atteindre les objectifs environnementaux La réglementation française a abouti à une multiplicité de zonages auxquels sont dédiés des normes, obligations ou programmes d’action volontaire. L’architecture d’ensemble est confuse et ses résultats critiqués de longue date. Parmi les difficultés rencontrées, la littérature pointe i) le caractère diffus des pollutions, qui, à la différence d’autres pays, n’a pas incité en France àune responsabilisation individuelle des éleveurs, ii) l’intégration de préoccupations économiques et sociales dans les politiques environnementales, iii) le suivi des objectifs environnementaux confié aux acteurs du développement agricole et les échelles administratives peu pertinentes vis-à-vis du réseau hydrographique. Enfin, la multiplicité des formes de pollution azotée pose la question de la cohérence d’ensemble des politiques, notamment entre les critères de la directive «Nitrates» et ceux la Convention de Genève sur la pollution atmosphérique (1979). 4/DE NOMBREUSES PISTES DE PROGRÈS EXISTENT QUI ENGAGENT PLUS OU MOINS EXPLOITANTS AGRICO- LES, TERRITOIRES ET FILIÈRES D’ÉLEVAGE4.1 / Améliorer les pratiques à l’échelle de l’exploitationLa littérature fournit de nombreuses pistes d’actions pour limiter les pertes d’azote dans l’exploitation (figure 1). Il est encore possible d’optimiser la nutrition azotée des animaux, cependant les gains escomptés sont modestes en regard des enjeux. La maîtrise de la chaîne de gestion des effluents ouvre plus de marges de manœuvre pour préserver l’azote organique et réduire les achats d’engrais minéraux. En effet, selon les modalités de gestion des effluents, les fuites vers l’environnement varient de 30 à 75% de l’azote rejeté par les animaux. Des innovations sont déjà disponibles pour le stockage et l’épandage, même si les incertitudes sur les facteurs de variation des émissions sont encore grandes. Il est enfin démontré que développer les prairies à base de légumineuses, les cultures intermédiaires pièges à nitrate (Cipan) et ajuster les rotations réduit les risques de lixiviation du nitrate. A l’échelle des systèmes, les modes de production à bas intrants (moins de fertilisants et d’aliments riches en protéines) améliorent l’efficience de l’azote et limitent donc les pertes vers l’environnement. Les indicateurs de type bilan d’azote à l’échelle de l’exploitation et de ses sous-systèmes (troupeau, gestion des effluents, sols et cultures) sont des outils adaptés pour identifier les sources d’inefficacité et rechercher les voies d’amélioration les mieux adaptées localement. De nombreux autres indicateurs approchent les niveaux d’émissions, de pollution ou les impacts, mais ne sont pas toujours d’usage facile. pour le document complet voir le pdf https://www6.inrae.fr/productions-animales/content/download/6365/88149/version/1/file/nouvelles+de+la+recherche.pdf

Description du sujet. Cet article traite d’une manière d’aborder la relation société-milieu, adaptée au caractère multi-échelle et interdisciplinaire des problématiques socio-écologiques contemporaines complexes. Objectifs. Son objectif est méthodologique : construire un cadre conceptuel, formel et générique, qui ait le potentiel de guider la phase d'observation et rende mieux compte de la relation société-milieu. Méthode. La modélisation conceptuelle utilise un standard de langage formel, des ontologies de domaines de connaissance pour définir un méta-modèle d'observation puis modéliser l'objet d'intérêt, un triplet, lui-même en relation avec son contexte, et la notion de service écosystémique (SE). Elle procède par abstraction croissante. Résultats. Le modèle RESOMI décrit le triplet-SE (une personne - un faisceau de liens en vue de services écosystémiques - un espace géographique) en précisant ses attributs internes et ses relations avec son contexte territorial, puis en abstrait des fonctions ; il distingue les concepts directement observables (1er niveau d'abstraction) de ceux des fonctions, non directement observables (2e niveau d'abstraction). De plus, avec un niveau d'abstraction encore supérieur, le modèle AIM positionne deux nouveaux concepts, attache et insertion au monde, dans une ingénierie territoriale elle-même abstraite à partir de l'organisation des fonctions. Conclusions. Le cadre conceptuel formé de deux modèles opère des ponts entre disciplines et échelles ; il offre des perspectives de modélisation mathématique et informatique. Son potentiel d’observation-description est mis en perspective dans deux expériences de terrain. Il est ensuite discuté de façon générale et pour sa capacité à intégrer plus d'éthique et de durabilité dans les problématiques socio-écologiques pour une meilleure gouvernance.

Quel que soit le secteur d’activité, les procédés de fabrication additive pour les matériaux métalliques ont un fort potentiel industriel, spécifiquement pour la production de pièces à haute valeur ajoutée. Le secteur de l’outillage est l’un des utilisateurs de ces procédés, et plus particulièrement du Selective Laser Melting (SLM). Ce procédé permet de diminuer les coûts et les temps de production des outillages, tout en augmentant la complexité des pièces fabriquées. Cependant, pour améliorer la qualité des pièces fabriquées, une meilleure compréhension des mécanismes physiques qui le régissent est nécessaire. Dans ce travail de thèse, consacré à la modélisation du procédé SLM, les approches suivies sont multiphysiques à deux échelles. La première échelle de modélisation, utilisant la méthode Volume Of Fluid, correspond à la fusion d’un lit de poudre par un laser puis sa solidification. Le lit de poudre numérique est produit à partir d’un générateur spécifique basé sur la granulométrie identifiée expérimentalement. Après certaines hypothèses simplificatrices posées sur les phénomènes physiques à modéliser, la tension superficielle a été implémentée et a nécessité l’utilisation de la méthode des « heights functions ». La seconde échelle de modélisation correspond à la construction d’une succession de cordons à l’aide de la méthode des éléments finis. Le modèle thermomécanique utilise la méthode « element birth » pour se rapprocher au plus près des conditions réelles du procédé. Après leur validation par des essais expérimentaux, les simulations ont permis de prédire le champ de température, la largeur de la zone fondue, ainsi que la formation du « keyhole »
Regardless the industry, additive manufacturing processes for metallic materials have a great industrial potential, especially to product high added value parts. One of the main users of these processes, and more specifically the Selective Laser Melting (SLM), is the tooling industry for plastics processing. It make possible to reduce production costs and manufacturing times while increasing the complexity of manufactured parts. However, in order to improve the quality of the latter and ensure their certifications, a better insight into the related physical phenomena undergone by the material during the process is still needed. In this PhD thesis, the SLM process modeling is multiphysic and concerns two different scales. The first modeling scale uses the Volume Of Fluid method to model the powder bed melting and its ensuing solidification. The numerical powder bed is computed thanks to a specific generator enabling to take account for the experimental granulometry. Once some simplifying assumptions on the physical phenomena stated, the surface tension has been implemented requiring the "heights functions" method use. The second modeling scale corresponds to the building of laser tracks series through the finite element method. The thermomechanical approach uses the element birth method in order to meet as far as possible the experimental conditions. Following its assessment through experiment/simulation face off, model have enable to predict the temperature field and the melted zone width as well as the keyhole formation

Ce travail propose de modéliser la dynamique invasive du cerisier tardif, Prunus serotina Ehrh. , une espèce d'origine nord-américaine, à deux échelles spatiales hiérarchisées. Après une description de l'espèce invasive et de l'écosystème envahi (la forêt de Compiègne, Oise, France), la nature mathématique de ce système dynamique est analysée et confrontée aux modèles de la littérature. Pour comprendre la dynamique locale (parcelle forestière) d'une population de Prunus serotina, un modèle démographique stochastique est d'abord élaboré, qui utilise une matrice de Lefkovitch reprenant les 11 stades du cycle de vie de l'espèce. Les analyses mathématiques du modèle permettent de relier la probabilité d'invasion à un seuil critique de fréquence des perturbations et d'identifier les stades critiques du cycle. L'invasion est ensuite appréhendée à une échelle paysagère, ce qui nécessite la construction préalable d'un indice d'invasibilité des parcelles. Cet indice est incorporé à un modèle matriciel déterministe, où la dispersion de l'espèce par les différents vecteurs fait appel à des fonctions log-normales. Ce modèle paysager permet d' appréhender l'influence de l'hétérogénéité environnementale et de la gestion forestière sur la propagation de l'espèce dans le temps et l'espace. Finalement, un modèle complet, baptisé PRUNUS, est obtenu en incorporant le modèle local dans le modèle paysager. Une analyse de sensitivité permet d'identifier les facteurs clés du phénomène invasif, susceptibles d'être invariants d'un système à l'autre. Moyennant certains ajustements, PRUNUS pourrait être appliqué à d'autres cas d'invasions biologiques et constituer un outil de gestion pertinent.

Nous présentons une approche nouvelle pour la conception des systèmes intelligents distribués dans le cadre du contrôle des vibrations d’une poutre. Nous construisons un circuit analogique distribué qui réalise une approximation d’une loi de contrôle optimale, avec un système d’observation et de contrôle utilisant des transducteurs piézoélectiques distribués. […] Nous proposons une paramétrisation des contrôleurs dynamiques H infini pour des équations d’ état linéaires de dimension finie. […]Une étude de stabilisation a été réalisée sur le modèle à coefficients constants. Les résultats théoriques obtenus ont été validés par des calculs numériques
We present a new approach for the design of intelligent distributed systems for the control of beam vibrations. We construct a distributed analog circuit that approximates an optimal control law, with an observation and control system using distributed piezoelectric transducers. […] We propose a parameterization of the dynamic controllers H infinite for linear equations of state of finite dimension. […] A stabilization study was carried out on the model with constant coefficients. The theoretical results obtained were validated by numerical calculations

Cette thèse présente le développement des modèles du transport de solutés dans un milieu à double-porosité non saturé, en utilisant la méthode d'homogénéisation asymptotique. Les modèles macroscopiques concernent les phénomènes de diffusion, diffusion-convection et dispersion-convection, selon les nombres adimensionnels caractérisant le régime du transport. Les modèles consistent en deux équations couplées, traduisant le non-équilibre local des concentrations. L'implémentation numérique des modèles à double-porosité est réalisée à l'aide du code COMSOL Multiphysics et confrontée avec la solution du même problème à l'échelle fine. Cette implémentation permet de résoudre de manière couplée l'équation de la concentration dans la macro-porosité et celle dans la micro-porosité (calculs à deux échelles). Les calculs du tenseur de dispersion ont été également réalisés. La dispersivité calculée à partir du coefficient de dispersion met en évidence l'influence du degré de saturation, des propriétés physiques du domaine de la macro-porosité et de la structure interne du milieu à double-porosité. Deux séries d'expériences ont été effectuées sur le modèle physique à double-porosité, constitué de billes d'argile solidifiée, distribuées périodiquement dans le sable d'Hostun HN38. La première série a concerné la validation du modèle de l’écoulement non saturé par des expériences du drainage. La deuxième série a été dédiée aux expériences de dispersion en régime permanent d’écoulement non saturé (teneur en eau mesurée par rayonnement gamma). La comparaison entre les simulations numériques et les observations montre un très bon accord. Ceci permet de valider les modèles développés
This Ph. D thesis presents the development of the solute transport models in unsaturated double-porosity medium, by using the asymptotic homogenization method. The obtained macroscopic models concern diffusion, diffusion-convection and dispersion-convection, according to the transport regime which is characterized by the non-dimensional numbers. The models consist of two coupled equations that show the local non-equilibrium of concentrations. The double-porosity transport models were numerically implemented using the code COMSOL Multiphysics (finite elements method), and compared with the solution of the same problem at the fine scale. The implementation allows solving the coupled equations in the macro- and micro-porosity domains (two-scale computations). The calculations of the dispersion tensor as a solution of the local boundary value problems, were also conducted. It was shown that the dispersivity depends on the saturation, the physical properties of the macro-porosity domain and the internal structure of the double-porosity medium. Finally, two series of experiments were performed on a physical model of double-porosity that is composed of a periodic assemblage of sintered clay spheres in Hostun sand HN38. The first experiment was a drainage experiment, which was conducted in order to validate the unsaturated flow model. The second series was a dispersion experiment in permanent unsaturated water flow condition (water content measured by gamma ray attenuation technique). A good agreement between the numerical simulations and the experimental observations allows the validation of the developed models

Cette thèse présente le développement des modèles du transport de solutés dans un milieu à double-porosité non saturé, en utilisant la méthode d'homogénéisation asymptotique. Les modèles macroscopiques concernent les phénomènes de diffusion, diffusion-convection et dispersion-convection, selon les nombres adimensionnels caractérisant le régime du transport. Les modèles consistent en deux équations couplées, traduisant le non-équilibre local des concentrations. L'implémentation numérique des modèles à double-porosité est réalisée à l'aide du code COMSOL Multiphysics et confrontée avec la solution du même problème à l'échelle fine. Cette implémentation permet de résoudre de manière couplée l'équation de la concentration dans la macro-porosité et celle dans la micro-porosité (calculs à deux échelles). Les calculs du tenseur de dispersion ont été également réalisés. La dispersivité calculée à partir du coefficient de dispersion met en évidence l'influence du degré de saturation, des propriétés physiques du domaine de la macro-porosité et de la structure interne du milieu à double-porosité. Deux séries d'expériences ont été effectuées sur le modèle physique à double-porosité, constitué de billes d'argile solidifiée, distribuées périodiquement dans le sable d'Hostun HN38. La première série a concerné la validation du modèle de l'écoulement non saturé par des expériences du drainage. La deuxième série a été dédiée aux expériences de dispersion en régime permanent d'écoulement non saturé (teneur en eau mesurée par rayonnement gamma). La comparaison entre les simulations numériques et les observations montre un très bon accord. Ceci permet de valider les modèles développés.

Dans cette thèse, nous établissons un modèle à deux échelles à la fois pour des matrices de cantilevers unidimensionnels et bidimensionnels en régime de fonctionnement élastodynamique avec des applications possibles aux réseaux de microscopes à force atomique (AFM). Son élaboration est basée sur une analyse asymptotique pour les structures minces élastiques, une approximation à deux échelles et une mise à l'échelle utilisée pour l'homogénéisation des milieux fortement hétérogènes. Nous complétons la théorie de l'approximation à deux échelles pour les problèmes aux limites du quatrième ordre posés dans des domaines minces périodiques connexes seulement dans certaines directions. Notre modèle reproduit la dynamique globale du support ainsi que les mouvements locaux des cantilevers. Pour simplifier la suite du travail, nous concentrons nos travaux à l'étude de matrices de leviers constituées de lignes découplées en régime dynamique. Comme le support des leviers est élastique, l'effet du couplage entre levier est pris en compte. La vérification du modèle est soigneusement réalisée. Nous montrons que chaque mode propre peut être décomposé en produits d'un mode de base avec un mode de levier. Nous présentons une méthode de discrétisation du modèle et effectuons sa vérification numérique en la comparant avec des résultats de simulation par éléments finis du problème d'élasticité tridimensionnel. Par ailleurs, nous avons élaboré de nouveaux outils d'aide à la conception de réseaux d'AFM. Une boîte à outils d'optimisation robuste est interfacée avec le modèle permettant d'optimiser un design avant micro-fabrication. Un algorithme d'estimation de l'état statique combinant la mesure de déplacements mécaniques par interférométrie et le modèle a été introduit. Nous avons également synthétisé un régulateur quadratique linéaire (LQR) pour un réseau de cantilevers en mode dynamique comprenant actionneurs et capteurs régulièrement espacées. Dans le but de mettre en oeuvre le contrôle en temps réel, nous proposons une approximation semi-décentralisée qui peut être réalisé par un circuit électronique distribué analogique. Plus précisément, notre processeur analogique peut être réalisé par un réseau périodique de résistances (PNR). La méthode d'approximation de commande est basée sur deux concepts généraux, à savoir sur un calcul fonctionnel (c'est-à-dire des fonctions d'opérateurs) et sur la formule de représentation d'une fonction d'opérateur de Dunford-Schwartz. Cette méthode d'approximation est étendue pour la résolution d'un problème de filtrage optimal robuste de type H∞ de la dynamique d'un réseau de leviers couplés avec sources aléatoires de bruit.

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

Le dimensionnement en fatigue à grand nombre de cycles d'un contact roulant entre des éléments ayant subi un traitement thermochimique de cémentation s'avère rapidement complexe.D'une part le traitement de cémentation apporte une hétérogénéité de propriété dans les couches supérieures de la pièce qui dépend du protocole utilisé. D'autre part le chargement de contact roulant est un chargement complexe dont le mode de défaillance en fatigue s'initie en sous-couche.Afin de limiter le temps de la caractérisation des champs de propriétés en fatigue, l'utilisation des mesures d'auto-échauffement sous sollicitation cyclique ainsi que leur interprétation par un modèle probabiliste à deux échelles est proposé. Néanmoins de par l'hétérogénéité du matériau et de par la particularité du chargement il peut s'avérer délicat d'appliquer une telle méthode d'évaluation. ll est alors proposé d'explorer ces deux difficultés de manière séparé.Pour prendre en compte l'hétérogénéité matériaux, un protocole d'analyse de courbe d'auto-échauffement basé sur une variante d'un modèle probabiliste à deux échelles et sur les mesures de taux de carbone a été proposé. Les paramètres du modèle ont été identifiés sur une classe d'acier via des mesures d'auto-échauffement réalisées sur des éprouvettes représentatives de l'hétérogénéité du au traitement de cémentation. Enfin le modèle a été validé par comparaison avec des points de fatigue expérimentaux.En ce qui concerne le chargement de contact roulant, les difficultés pour réaliser une mesure d'auto-échauffement ont mené à effectuer une première campagne de mesure sur le cas intermédiaire du contact répété. A l'aide d'un modèle analytique simple, l'évolution du champ de température a pu être reliée à un terme source de chaleur moyen dont le lien avec les mécanismes de fatigue reste à démontrer. Finalement, des prototypes de machine de contact roulant dédiés aux mesures d'auto-échauffement ont été proposés. Les mesures réalisées sur ces dernières et leur interprétation laissent à penser qu'il sera possible d'identifier des propriétés de fatigue à partir de mesure d'auto-échauffement
The rolling contact fatigue prediction between two carburizing part quickly becomes complex.On one hand, the carburizing treatment give heterogeneous properties in surface layer depending on the treatment protocol. On the other hand, the rolling contact load is a complex load with a fatigue initiation in the sub-layer. To limit the duration of the field fatigue properties characterization, self-heating measurements under cycle load are used and their interpretation by a probabilistic two scales model is proposed. Nevertheless applying this fatigue evaluation method on heterogeneous material and for rolling contact load can be difficult. ln first approach those difficulties are split.To take into account the material heterogeneity, an analysis based on a variation of one probabilistic two scales model and on carbon rate measurement is proposed. Model parameters are identified on one steel class with self-heating measurement made on specimens representative of carburizing material heterogeneity. Finally the model is validated by comparison with experimental fatigue point.Making self-heating measurement for rolling contact load is complex. Consequently a first self-heating measurement campaign is made on the intermediary case of repeated contact. With a simple analytic model, the temperature field evolution can be linked to a mean heat source whose link with fatigue mechanism must be proven. Finally, rolling contact machine prototypes are proposed. Self-heating measurement made on those prototypes and their interpretation suggest that it will be possible to identify fatigue properties with self-heating measurement

Les propriétés des matériaux cellulaires dépendent de leur architecture et des défauts de coulée. L'architecture se réfère à la forme et la distribution de la phase solide. Les défauts correspondent à la présence et aux distributions des cavités et d'intermétalliques dans la phase solide du fait de la procédure de fabrication. Deux types de matériaux produits de différentes façons sont étudiés dans cette thèse. D'une part, deux mousses ERG de tailles de pores différentes ont été choisies pour étudier l'effet de la présence des intermétalliques sur la plasticité et l'endommagement. Des tests de micro-traction et des expériences de nanoindentation ont été réalisés sur des éprouvettes extraites de la mousse pour déterminer leur comportement micro-élastoplastique de la phase solide. D'autre part, deux structures ayant la même forme et le même motif répétitif, mais différentes épaisseurs d'entretoises et de nœuds ont été produites par fusion sélective par laser pour étudier aussi la plasticité et l'endommagement. Ce travail de thèse visait à développer une procédure de modélisation par éléments finis générique basée sur les images 3D pour prendre en compte l'effet de la porosité locale et la présence des intermétalliques dans le comportement. Les états initiaux des échantillons ont été numérisés en utilisant des méthodes de tomographie "locale" et "stitching" à haute résolution. Les géométries 3D maillées, la porosité locale et les propriétés élastiques-plastiques de chaque élément ont été directement renseignées à partir des images 3D à haute résolution. Les procédures de déformation et de rupture des échantillons ont été illustrées en effectuant des expériences in-situ/ex-situ couplées à une numérisation tomographique à basse résolution. Des modèles éléments finis conformes à l'image 3D ont été développés pour la simulation des essais de traction/compression et montrent que la prise en compte des hétérogénéités locales de microstructure permet de prédire plus finement le comportement mécanique des structures cellulaires, en particulier dans la rupture. L'étude visait également à déterminer la conductivité thermique d'une mousse ERG hautement poreuse en utilisant des calculs par éléments finis basés sur l'image. Les résultats ont été vérifiés en comparant avec la conductivité thermique mesurée à partir des expériences de plaques chauffées
The properties of cellular materials depend on their architecture and casting defects. The architecture refers to shape and distribution of the solid phase. Defects correspond to the presence and distribution of cavities or intermetallic particles in the solid phase due to the fabrication procedure. Two types of materials produced by different fabricating routes are studied in this manuscript. On the one hand, two ERG foams with different cell sizes were chosen to study the effect of the presence of intermetallic particles on the plasticity and damage. Micro-tensile tests and nanoindentation experiment were also performed on the struts extracted from the foam to determine their micro elastoplastic behaviour. On the other hand, two structures with the same shape and repetitive pattern but different struts and nodes thicknesses were produced by selective laser melting manufacturing route to study the effect of porosity on plasticity and damage. This PhD-work aimed at developing a generic image-based finite element procedure to take into account the effect of the local porosity and the presence of intermetallic particles into the finite element simulations of the cellular materials. The initial state of the samples was pictured by performing high resolution "local" tomography and "stitching" methods. The 3D geometries were meshed and the local porosity and elastic-plastic properties of each element were directly informed according to high-resolution 3D images. The deformation and fracture procedures of the samples were pictured by performing in-situ/ex-situ experiments coupled with low-resolution tomography scanning. 3D image-based finite element models were developed for the simulation of the tension/compression tests. The microstructurally informed FE models better capture the mechanical behaviour of the cellular structures, especially for the prediction of the fracture. The study also aimed at determining the thermal conductivity of a highly porous ERG foam using image-based finite element calculations. The results were verified by comparing with the measured thermal conductivity from guarded hot plates experiments

Dans cette thèse, nous contribuons à la modélisation, la simulation et l'optimisation d'une nouvelle génération de matrices de micro-miroirs conçue par le Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM). Une contribution est également apportée au développement du logiciel de calcul symbolique MEMSALab qui assistera la construction de modèles multi-échelles pour des matrices de microsystèmes. Le couplage entre le comportement élastique quasi-statique non linéaire d'une cellule de la matrice de micro-miroirs et le champ électrostatique utilisé pour son actionnement a été simulé.Une fois validée, cette simulation a été utilisée pour étudier le phénomène de pull-in ainsi que son optimisation. Ensuite, un modèle homogénéisé du champ électrostatique dans le vide entourant la matrice de micro-miroirs est construit à l'aide d'une méthode asymptotique. Les contributions au développement de MEMSALab constituent en l'introduction d'une théorie d'extension et de combinaison de preuves qui sera utilisée pour construire des modèles asymptotiques par un procédé de complexifications successives. Enfin, un langage spécifique complet pour l'utilisation de MEMSALab est présenté et illustré par des exemples significatifs. En particulier, il a été utilisé pour coder la construction d'un modèle homogénéisé qui sert d'art initial à la méthode extension-combinaison
In this thesis, we contribute to the modeling, simulation and optimization of a new generation of micro mirror arrays designed by the Astrophysics Laboratory of Marseille (LAM). A contribution is also made to the development of MEMSALab a symbolic computation software package designed to asist multiscale model derivation for microsystem arrays. The coupling between the quasi-static nonlinear behavior of a cell of the micro-mirror array and the electrostatic field used for its actuation is simulated. The simulation is then used to study the phenomenon of pull-in and its optimization. Then, a homogenized model for the electrostatic field in the vacuum space surrounding in the micro-mirror array has been built using an asymptotic method. The contributions to the development of MEMSALab consist in the introduction of an extension and combination theory that will be used to construct multiscale models based on various asymptotic approaches by a process of successive complexifications. Finally, a complete specification language for using MEMSALab is presented and illustrated by significant examples. In particular, it was used to encode the derivation of a homogenized model that serves as an initial state to the extension-combination method

Les méthodes numériques pour traiter des problèmes du contact à petites échelles ainsi que des modèles associés sont discutés. Une revue d’applications de la méthode des éléments finis et celle des éléments de frontière aux problèmes du contact rugueux est faite. Les deux applications pertinentes sont présentées en détail : le contact des aspérités et le contact des surfaces rugueuses.