Literatura académica sobre el tema "Simulation d'accélérateur de particules"

Les systèmes physiques à grand nombre de particules, d’une importance capitale en physique, sont incroyablement complexes. Leur comportement, en effet, « ne doit pas être compris à travers une simple extrapolation des propriétés de quelques particules. Au contraire, à chaque niveau de complexité, des propriétés entièrement nouvelles émergent (…) » (P.W. Anderson [1]). L’avènement des technologies quantiques, et tout particulièrement de la simulation quantique, permet aujourd’hui d’aborder d’une façon nouvelle et prometteuse la physique de ces systèmes à N corps en interaction. Nous présentons ici l’apport des dispositifs à atomes froids, à travers deux exemples d’expériences aujourd’hui en construction au Laboratoire Kastler Brossel.

Dans le cadre du Plan d'Action Saint-Laurent, une méthodologie détaillée d'analyse de la contamination par tronçon faisant appel à la modélisation numérique a été développée. Une méthode de simulation utilisant le mouvement aléatoire de particules a servi à élaborer le logiciel PANACHE. Les concentrations sont obtenues en post-traitement en attribuant une masse de contaminant aux particules du modèle. Les champs de vitesses servant à calculer leurs mouvements sont produits à l'aide d'un modèle bidimensionnel aux éléments finis. Une nouvelle approche pour l'analyse de la contamination est proposée. Celle-ci s'inspire de la méthodologie de modélisation des micro-habitats populaire dans le domaine de l'hydrobiologie. Le résultat apparaît sous la forme d'Aires Pondérées Inutilisables (API), c'est-à-dire, des surfaces où certains critères de qualité de l'eau ne sont pas respectés dans les zones de mélange. Ce système Informatisé a été élaboré sur une plate-forme INTEL/386-486 - OS2/PM.

In this work, we study the diffusion of particle accelerated in an electromagnetic wave packet, through a numerical simulation of the relativistic standard map. We contribute to the field of stochastic diffusion of accelerated particles as a function of the stochastic parameter K, specially the transition between partial and global stochasticity, and we also compare our theoretical computation of the diffusion with numerical results.

Cet article propose un état des lieux des méthodes pour la détermination des paramètres rhéologiques des biomasses grossières appliquées à la méthanisation en voie solide. La méthanisation en voie solide est un procédé biologique permettant la valorisation sous forme de biogaz des sous-produits à forte teneur en matières sèches, en particulier les sous-produits agricoles, les déchets ménagers et les déchets alimentaires. Afin d’assurer le développement de plusieurs technologies de méthanisation, des connaissances précises sur les propriétés rhéologiques des substrats et du milieu réactionnel sont indispensables pour la conception, l’opération et la simulation de procédés. Malgré l’importance des propriétés rhéologiques, très peu de données du comportement rhéologique de la biomasse grossière sont présentes dans la littérature. Cela s’explique par le fait que les rhéomètres rotatifs conventionnels ne sont pas bien adaptés à la biomasse hétérogène comportant des particules grossières et de longues fibres. Jusqu’à présent, les équipements rotatifs conçus permettent de déterminer les propriétés rhéologiques de biomasse concentrée contenant des particules d’une taille maximale de 3 cm alors que les biomasses peuvent contenir des fibres lignocellulosiques ayant jusqu’à 25 cm de longueur. Compte tenu de cette limitation instrumentale, différents appareils alternatifs issus des domaines de l’analyse du béton, des sols ou des aliments ont été récemment adaptés pour accéder à des propriétés rhéologiques des biomasses agricoles. Dans cet article, ces différents outils ont été répertoriés en précisant des informations sur les facteurs d’influence, les principes physiques théoriques, le montage expérimental et leur gamme d’application pour la biomasse. Hélas, pour certains de ces appareils, les relations trouvées sont à ce jour plutôt qualitatives que quantitatives et les raisonnements mathématiques permettant d’intégrer complètement les phénomènes physiques observés avec les facteurs influençant la rhéologie de la biomasse doivent encore être investigués afin de mettre en place des méthodes normalisées spécifiques à une biomasse grossière.

L'analyse de sensibilité constitue une étape importante dans le développement et la mise en place d'un modèle de simulation. Cette analyse de sensibilité du modèle CEQÉROSS effectuée sur un petit bassin versant agricole du Québec (Canada) montre que la dimension du maillage utilisé pour découper le bassin versant de Lennoxville en éléments de calcul exerce une influence directe, mais modérée, sur la charge sédimentaire transportée à l'exutoire. Les paramètres de calage associés à l'érosivité des précipitations et les variables d'entrée décrivant la topographie influencent considérablement les résultats de la simulation pour la période considérée et, de ce fait, nécessitent une plus grande attention lors des étapes de préparation des données et de calage du modèle. La forme linéaire de l'équation de production de sédiments en rivière exerce un rôle majeur sur les charges totales annuelles simulées. L'importance relative des paramètres associés à la granulométrie des sédiments transportés en rivière indique que la capacité du cours d'eau à transporter les particules grossières limite la charge totale annuelle évacuée à l'exutoire du bassin versant de Lennoxville pendant la période d'étude. Ces résultats doivent cependant être confrontés à d'autres analyses de sensibilité afin de décider des modifications éventuelles à apporter aux équations du modèle.

Résumé Le présent travail porte sur le développement et la validation du modèle conceptuel RQSM (Runoff Quality Simulation Model). Le modèle RQSM a pour objectif de simuler le lessivage des matières en suspension. Le modèle RQSM considère que l’accumulation est infinie sur les surfaces perméables et imperméables. Il utilise l’énergie cinétique des précipitations pour décrire la mise en suspension des particules solides. Il modélise le transport des matières en suspension à l’aide de la théorie des systèmes linéaires. Les charges de matière en suspension mesurées durant 22 événements pluvieux enregistrés à l’exutoire du sous-bassin (1) de l’arrondissement de Verdun au Canada et à l’exutoire de trois sous-bassins de la ville de Champaign aux États‑Unis ont servi à valider le modèle RQSM. Les charges de matière en suspension simulées par le modèle RQSM ont été comparées aux charges mesurées et aux charges simulées par le modèle de « rating curve » et par le modèle de lessivage exponentiel du logiciel SWMM. Les charges simulées à l’aide du modèle RQSM étaient comparables aux charges mesurées. De plus, la performance du modèle RQSM a été jugée équivalente à celle des modèles exponentiel et « rating curve ». Une analyse de sensibilité menée sur le modèle RQSM a mis en lumière l’influence de chaque paramètre sur la charge simulée.

Abstract. Temporal variations in the amount of radionuclides released into the atmosphere during the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (FNPS1) accident and their atmospheric and marine dispersion are essential to evaluate the environmental impacts and resultant radiological doses to the public. In this paper, we estimate the detailed atmospheric releases during the accident using a reverse estimation method which calculates the release rates of radionuclides by comparing measurements of air concentration of a radionuclide or its dose rate in the environment with the ones calculated by atmospheric and oceanic transport, dispersion and deposition models. The atmospheric and oceanic models used are WSPEEDI-II (Worldwide version of System for Prediction of Environmental Emergency Dose Information) and SEA-GEARN-FDM (Finite difference oceanic dispersion model), both developed by the authors. A sophisticated deposition scheme, which deals with dry and fog-water depositions, cloud condensation nuclei (CCN) activation, and subsequent wet scavenging due to mixed-phase cloud microphysics (in-cloud scavenging) for radioactive iodine gas (I2 and CH3I) and other particles (CsI, Cs, and Te), was incorporated into WSPEEDI-II to improve the surface deposition calculations. The results revealed that the major releases of radionuclides due to the FNPS1 accident occurred in the following periods during March 2011: the afternoon of 12 March due to the wet venting and hydrogen explosion at Unit 1, midnight of 14 March when the SRV (safety relief valve) was opened three times at Unit 2, the morning and night of 15 March, and the morning of 16 March. According to the simulation results, the highest radioactive contamination areas around FNPS1 were created from 15 to 16 March by complicated interactions among rainfall, plume movements, and the temporal variation of release rates. The simulation by WSPEEDI-II using the new source term reproduced the local and regional patterns of cumulative surface deposition of total 131I and 137Cs and air dose rate obtained by airborne surveys. The new source term was also tested using three atmospheric dispersion models (Modèle Lagrangien de Dispersion de Particules d'ordre zéro: MLDP0, Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model: HYSPLIT, and Met Office's Numerical Atmospheric-dispersion Modelling Environment: NAME) for regional and global calculations, and the calculated results showed good agreement with observed air concentration and surface deposition of 137Cs in eastern Japan.

Les accélérateurs de particules reposent sur des simulations de haute précision pour optimiser la dynamique du faisceau. Ces simulations sont coûteuses en ressources de calcul, rendant leur analyse en temps réel difficilement réalisable. Cette thèse propose de surmonter cette limitation en explorant le potentiel de l'apprentissage automatique pour développer des modèles de substitution des simulations d'accélérateurs de particules. Ce travail se concentre sur ThomX, une source Compton compacte, et introduit deux modèles de substitution : LinacNet et Implicit Neural ODE (INODE). Ces modèles sont entraînés sur une base de données développée dans le cadre de cette thèse, couvrant une grande variété de conditions opérationnelles afin d'assurer leur robustesse et leur capacité de généralisation. LinacNet offre une représentation complète du nuage de particules en prédisant les coordonnées de toutes les macro-particules du faisceau plutôt que de se limiter à ses observables. Cette modélisation détaillée, couplée à une approche séquentielle prenant en compte la dynamique cumulative des particules tout au long de l'accélérateur, garantit la cohérence des prédictions et améliore l'interprétabilité du modèle. INODE, basé sur le cadre des Neural Ordinary Differential Equations (NODE), vise à apprendre les dynamiques implicites régissant les systèmes de particules sans avoir à résoudre explicitement les équations différentielles pendant l'entraînement. Contrairement aux méthodes basées sur NODE, qui peinent à gérer les discontinuités, INODE est conçu théoriquement pour les traiter plus efficacement. Ensemble, LinacNet et INODE servent de modèles de substitution pour ThomX, démontrant leur capacité à approximer la dynamique des particules. Ce travail pose les bases pour développer et améliorer la fiabilité des modèles basés sur l'apprentissage automatique en physique des accélérateurs
Particle accelerators rely on high-precision simulations to optimize beam dynamics. These simulations are computationally expensive, making real-time analysis impractical. This thesis seeks to address this limitation by exploring the potential of machine learning to develop surrogate models for particle accelerator simulations. The focus is on ThomX, a compact Compton source, where two surrogate models are introduced: LinacNet and Implicit Neural ODE (INODE). These models are trained on a comprehensive database developed in this thesis that captures a wide range of operating conditions to ensure robustness and generalizability. LinacNet provides a comprehensive representation of the particle cloud by predicting all coordinates of the macro-particles, rather than focusing solely on beam observables. This detailed modeling, coupled with a sequential approach that accounts for cumulative particle dynamics throughout the accelerator, ensures consistency and enhances model interpretability. INODE, based on the Neural Ordinary Differential Equation (NODE) framework, seeks to learn the implicit governing dynamics of particle systems without the need for explicit ODE solving during training. Unlike traditional NODEs, which struggle with discontinuities, INODE is theoretically designed to handle them more effectively. Together, LinacNet and INODE serve as surrogate models for ThomX, demonstrating their ability to approximate particle dynamics. This work lays the groundwork for developing and improving the reliability of machine learning-based models in accelerator physics

Les radiations sont omniprésentes. Elles ont de nombreuses applications dans des domaines variés: en médecine, elles permettent de réaliser des diagnostiques et de guérir des patients; en communication, tous les systèmes modernes utilisent des formes de rayonnements électromagnétiques; et en science, les chercheurs les utilisent pour découvrir la composition et la structure des matériaux, pour n'en nommer que quelques-unes. Concrètement, la radiation est un processus au cours duquel des particules ou des ondes voyagent à travers différents types de matériaux. La radiation peut être très énergétique, et aller jusqu'à casser les atomes de la matière ordinaire. Dans ce cas, on parlera de radiation ionisante. Il est communément admis que la radiation ionisante peut être bien plus nocif pour les êtres vivants que la radiation non ionisante. Dans cette dissertation, nous traiterons de la radiation ionisante. La radioactivité est le processus d'émission des radiations ionisantes. Elle existe sous forme naturelle, et est présente dans les sols, dans l'air et notre planète entière est bombardée en permanence de rayonnements cosmiques énergétiques. Depuis le début du XXe siècle, les chercheurs sont capables de créer artificiellement de la matière radioactive. Cette découverte a offert de multiples avancées technologiques, mais a eu également de lourdes conséquences pour l'humanité comme l'ont démontrés les évènements de Tchernobyl et de Fukushima ou d'autres accidents dans le monde médical. Cette dangerosité a conduit à l'élaboration d'un système de radioprotection. Dans la pratique, la radioprotection est principalement mise en œuvre en utilisant la méthode ALARA. Cette méthodologie consiste à justifier, optimiser et limiter les doses reçues. Elle est utilisée conjointement avec les limites légales. Le facteur d'optimisation est contraint par le fait que l'exposition volontaire d'un travailleur aux radiations lors d'une opération doit être plus bénéfique que si aucune intervention humaine n'était conduite dans une situation donnée. Dans le monde industriel et scientifique, il existe des infrastructures qui émettent des rayonnements ionisants. La plupart d'entre elles nécessitent des opérations de maintenance. Dans l'esprit du principe ALARA, ces interventions doivent être optimisées pour réduire l'exposition des travailleurs aux rayonnements ionisants. Cette optimisation ne peut pas être réalisée de manière automatique car la faisabilité des interventions nécessite dans tous les cas une évaluation humaine. La planification des interventions peut cependant être facilitée par des moyens techniques et scientifiques comme par exemple un outil informatique. Dans le contexte décrit ci-dessus, cette thèse regroupe des considérations techniques et scientifiques, et présente la méthodologie utilisée pour développer des outils logiciels pour la mise en œuvre de la radioprotection.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la simulation de particules colloïdales. Plus précisément, nous nous intéressons aux particules dans un écoulement turbulent et modélisons leur dynamique par un processus lagrangien, leurs interactions comme des collisions parfaitement élastiques où l'influence de l'écoulement est modélisée par un terme de force sur la composante vitesse du système. En couplant les particules deux par deux et considérant leurs position et vitesse relatives, la collision parfaitement élastique devient une condition de réflexion spéculaire. Nous proposons un schéma de discrétisation en temps pour le système Lagrangien résultant avec des conditions aux bords spéculaires et prouvons que l'erreur faible diminue au plus linéairement dans le pas de discrétisation temporelle. La démonstration s’appuie sur des résultats de régularité de l'EDP Feynman-Kac et requiert une certaine régularité sur le terme de force. Nous expérimentons numériquement certaines conjectures, dont l’erreur faible diminuant linéairement pour des termes de force qui ne respectent pas les conditions du théorème. Nous testons le taux de convergence de l’erreur faible pour l’extrapolation de Romberg. Enfin, nous nous intéressons aux approximations Lagrangiennes/Browniennes en considérant un système Lagrangien où la composante vitesse se comporte comme un processus rapide. Nous contrôlons l'erreur faible entre la composante position du modèle Lagrangien et un processus de diffusion uniformément elliptique. Nous démontrons ensuite un contrôle similaire en introduisant une limite réfléchissante spéculaire sur le système Lagrangien et une réflexion appropriée sur la diffusion elliptique
This thesis broadly concerns colloidal particle simulation which plays an important role in understanding two-phase flows. More specifically, we track the particles inside a turbulent flow and model their dynamics as a stochastic process, their interactions as perfectly elastic collisions where the influence of the flow is modelled by a drift on the velocity term. By coupling each particle and considering their relative position and velocity, the perfectly elastic collision becomes a specular reflection condition. We put forward a time discretisation scheme for the resulting Lagrange system with specular boundary conditions and prove that the convergence rate of the weak error decreases at most linearly in the time discretisation step. The evidence is based on regularity results of the Feynman-Kac PDE and requires some regularity on the drift. We numerically experiment a series of conjectures, amongst which the weak error linearly decreasing for drifts that do not comply with the theorem conditions. We test the weak error convergence rate for a Richardson Romberg extrapolation. We finally deal with Lagrangian/Brownian approximations by considering a Lagrangian system where the velocity component behaves as a fast process. We control the weak error between the position of the Lagrangian system and an appropriately chosen uniformly elliptic diffusion process and subsequently prove a similar control by introducing a specular reflecting boundary on the Lagrangian and an appropriate reflection on the elliptic diffusion

La simulation de fluides extrêmement visqueux à l’aide d’une approche basée sur les SPH (Smoothed-particle Hydrodynamics) est une tâche fastidieuse. Le paramètre contrôlant la viscosité varie entre 0 (liquide) et +∞, il est donc difficile de trouver une valeur produisant le comportement visqueux désiré. De plus, puisque les équations sont posées sous la forme d’un problème raide, la simulation de fluides extrêmement visqueux implique l’application de très grandes forces sur les particules du fluide. Ces très grandes forces nécessitent un très petit pas de temps afin de conserver la stabilité de la simulation et produire de bons résultats. L’approche présentée dans ce mémoire utilise un intégrateur itératif de type prédiction-correction afin d’optimiser des forces de rigidité appliquées au sein du fluide, produisant ainsi un comportement variant de liquide à solide. À chaque itération de l’optimisation des forces, la position des particule est prédite. La déformation des particules est ensuite mesurée et comparée à une déformation cible et puis les forces de rigidité sont ajustées afin de contrer la différence entre celles-ci. Comparativement au paramètre de viscosité des approches typiques, le paramètre de rigidité proposé est plus facile à contrôler puisqu’il fournit une variation continue de la déformation dans l’intervalle de 0 (liquide) à 1 (solide). Puisque la simulation de fluides extrêmement visqueux est sujette à de grands temps de calculs et des instabilités, le modèle proposé est complémenté avec certaines améliorations importantes. Premièrement, une amélioration du calcul du pas de temps adaptatif est proposée résultant à la fois en une diminution des temps de calcul et une amélioration de la stabilité de la simulation. Deuxièmement, une approche implicite à la diffusion de température offre une stabilité accrue lors de la fonte et de la solidification peu importe la taille du pas de temps. Troisièmement, une propagation de contraintes permet une convergence plus rapide des forces de rigidité vers un comportement réaliste. Ensemble, ces améliorations et le modèle proposé permettent la simulation de comportements extrêmement visqueux qui étaient très difficiles, voire impossibles, à simuler à l’aide des approches actuelles basées sur les SPH.

On s'interesse a la simulation d'ecoulements diphasiques compressibles instationnaires sur maillage non structure par des methodes volumes finis decentrees. On retient un modele a deux fluides a quatre equations pour la simulation d'ecoulements gaz-particules. Le systeme de convection associe est non conservatif et conditionnellement hyperbolique. On ne sait pas resoudre le probleme de riemann unidimensionnel associe et l'on ne peut pas demontrer le respect du principe du maximum pour la variable fraction volumique. On propose alors une methode a pas fractionnaires pour la resolution de ce systeme de sorte que le principe du maximum soit preserve dans chacun des sous-pas. Chaque sous-systeme est resolu par un solveur de type godunov ou roe avec une discretisation appropriee des termes non conservatifs. Des tests bidimensionnels comprenant des ondes de detente et de choc sont presentes et montrent que l'algorithme traite correctement les chocs forts. On presente ensuite les resultats de la simulation d'un ecoulement stationnaire dans une tuyere et des simulations fortement instationnaires de lits fluidises denses. Ces simulations ont montre la capacite de l'algorithme a gerer les ecoulements ou le taux de compactage des particules peut avoisiner le maximum. On etudie ensuite un modele homogene a trois equations qui suppose la vitesse de glissement entre phases nulle. Le systeme de convection associe est alors inconditionnellement hyperbolique et conservatif. Ceci nous permet de resoudre le probleme de riemann monodimensionnel associe et l'on montre que le respect du principe du maximum est assure si la modelisation de la pression intergranulaire est adequate. On choisit de mettre en uvre un schema recemment propose pour la resolution des systemes hyperboliques complexes. Des simulations bidimensionnelles sont presentees et comparees avec les resultats obtenus par le modele a deux fluides a quatre equations

Nous etudions la filtration de particules entrainees par un ecoulement a faible nombre de reynolds dans un empilement desordonne de spheres de verre de meme taille. Nous pouvons visualiser la trajectoire des particules car l'indice de refraction du fluide est ajuste avec celui du verre. L'influence de la structure geometrique du filtre et les effets hydrodynamiques sont etudies plus particulierement. Les mesures portent sur les distributions statistiques des profondeurs de penetration des particules dans le milieu. Des experiences systematiques en fonction de la taille des particules nous ont permis de mettre en evidence deux types de sites de capture: sites de constriction de taille inferieure a celle des particules et sites ou la capture est due a des effets hydrodynamiques. D'autre part, nous avons observe que des particules injectees par paquets penetrent plus loin dans le filtre que si elles sont injectees une a une. Par comparaison avec des experiences sans ecoulement, nous avons pu montrer que cet effet de concentration inattendu est du aux interactions hydrodynamiques entre les particules qui en se propageant modifient le champ local de vitesse dans le milieu. L'etude numerique consiste en une simulation monte carlo ou l'espace des pores est modelise par un reseau carre a deux dimensions de tubes de rayon aleatoire. Les vitesses locales sont calculees par application de la loi de poiseuille et la loi de propagation des particules est probabiliste: la probabilite pour une particule de choisir un pore est proportionnelle au debit dans ce pore. La modelisation de l'effet de concentration des particules qui augmente leur profondeur de penetration consiste a definir un rayon d'interaction hydrodynamique entre particules de l'ordre d'une ou deux longueurs de pore. Une particule capturee peut etre liberee par le passage alentour d'une autre particule situee a une distance inferieure a ce rayon d'interaction

L'objectif des travaux presentes dans cette these est de d'etudier le transport des particules lourdes dans la gaine d'une decharge luminescente basse pression. Pour cela, nous avons developpe des modeles particulaires bases sur la methode de monte carlo pour simuler le transport des ions et des neutres dans les gaz rares. Tout d'abord, le calcul de la vitesse de derive d'ions dans les gaz rares nous a permis, par comparaison avec des mesures experimentales, d'identifier les jeux de sections efficaces de collision a utiliser. Nous avons aussi teste la validite de l'hypothese d'equilibre local en champ non uniforme et avons mis en evidence des retards a l'equilibre pour des ions d'argon dans du neon pur. La deuxieme etude menee concerne le calcul du taux de pulverisation cathodique due aux bombardement des ions et des neutres rapides, a l'aide d'un modele monte carlo pour les lourds couple a un modele hybride de decharge. Nous avons trouve que plus de 70% de la pulverisation est due au bombardement de neutres rapides. Avec ce modele auto-coherent, nous avons aussi calcule la puissance deposee dans le gaz et a la cathode et en avons deduit la temperature du gaz. Malgre que la majorite de la puissance electrique gagnee par les ions soit deposee a la cathode, nous avons trouve que la temperature du gaz peut depasser 450 k pour nos conditions. Finalement, nous avons applique nos modeles et notre connaissance des mecanismes de pulverisation et de depot de puissance a l'etude de la cellule de decharge d'un spectrometre de masse a decharge luminescente (gdms). Ce dispositif, qui permet l'analyse de purete de materiaux utilises comme cathode, necessite une bonne connaissance de la decharge pour determiner les conditions optimales pour la pulverisation. Nous avons ainsi calcule les taux de pulverisation pour differentes geometries et determine les profils d'erosion cathodique.

Nous étudions dans ce travail une méthode de type éléments finis dans le but de simuler le mouvement de particules rigides immergées. La méthode développée ici est une méthode de type domaine fictif. L'idée est de chercher un prolongement régulier de la solution exacte à tout le domaine fictif afin d'obtenir une solution régulière sur tout le domaine et retrouver l'ordre optimal de l'erreur avec des éléments d'ordre 1. Le prolongement régulier est cherché en minimisant une fonctionnelle dont le gradient est donné par la solution d'un nouveau problème fluide faisant intervenir une distribution simple couche dans le second membre. Nous faisons une analyse numérique, dans le cas scalaire, de l'approximation de cette distribution par une combinaison de masse de Dirac. Un des avantages de cette méthode est de pouvoir utiliser des solveurs rapides sur maillages cartésiens tout en conservant l'ordre optimal de l'erreur. Un autre avantage de la méthode vient du fait que les opérateurs ne sont pas modifiés, seul les seconds membres dépendent de la géométrie du domaine initial. Nous avons de plus écrit un code C++ parallèle en deux et trois dimensions, permettant de simuler des écoulements fluide/particules rigides avec cette méthode. Nous présentons ainsi une description des principales composantes de ce code.

Il est présenté dans ce mémoire une approche globale d’étude et de modélisation des interactions entre particules dans les fluides magnétorhéologiques. D’abord, une campagne expérimentale étudiant l’augmentation de la capacité de transmission d’une contrainte de cisaillement du fluide par une compression est présentée. Les essais ont démontré que l’augmentation pouvait atteindre plusieurs dizaines de fois la capacité initiale sans compression. Une base macroscopique d’observation des interactions entre particules est obtenue. Ensuite, l’élaboration d’une simulation par éléments discrets appliquée aux fluides magnétorhéologiques est présentée. Elle permet, entre autres, l’observation qualitative de l’arrangement des particules et de leur état de force. Finalement, les bases d’un modèle mathématique fondé sur l’hypothèse d’un milieu continu micro-polaire appliqué aux fluides magnétorhéologiques sont proposées. Une méthode d’homogénéisation est proposée afin de mettre à profit l’information tirée de la campagne expérimentale et de la simulation de particules pour obtenir les lois de comportements rhéologiques.
Because of their great potential in mechanical design, magnetorheological fluids have been the subject of a lot of research during the last decade. Although they are already used in some semi-active dampers, their use in other promising technologies such as magnetorheological clutches remains not usual. The main reason for this lack of representation in clutch technologies is the relatively low shear stress transmission capability of these fluids. As a solution, some researchers proposed the application of a compressive stress on the fluid layer while maintaining a magnetic field. As a result, the shear stress transmission capability increases significantly. This effect has been called the Squeeze-Strengthen effect. This effect focuses on the significant interactions between the ferromagnetic particles present in the fluid. This master thesis proposes a global approach to study and model the interactions between particles in magnetorheological fluids. First, experiments are performed to study the Squeeze-Strengthen effect in the context of clutch technologies. The tests have shown that shear stress transmission capacity can be easily increased more than ten times the initial capacity without compression. Then, a numerical model based on the discrete elements method applied to the magnetorheological fluids is proposed. This simulation allows the determination of the state of forces on each particle considered in the model. Some qualitative observations of the particle structure can be made from this simulation. Finally, the bases of a mathematical model of continuum mechanics applied to the magnetorheological fluids are posed. In order to take the particle interactions into account, the assumption of a micro polar medium is made. An homogenization technique is proposed as a way to use the information obtained from the numerical simulations and the experimental investigations in order to obtain the rheologic behaviour laws.

Le processus d'érosion éolienne peut entraîner plusieurs conséquences environnementales: la désertification, la dégradation des sols, la pollution de l'air, etc. Cette dernière est liée aux émissions de particules de matériaux granulaires couramment trouvés sur des sites industriels tels que le minerai et le charbon. La distribution granulométrique de ces matériaux consiste habituellement en un mélange d'une large gamme de diamètres, qui comprennent des particules plus grosses qui ne sont pas érodables même avec de fortes rafales de vent. Les particules non érodables jouent un rôle protecteur pour les particules érodables, en recouvrant la surface et en réduisant ses émissions. L'objectif principal de cette thèse est d'estimer plus précisément les émissions dues à l'érosion éolienne compte tenu de l'influence du pavage causée par des particules non érodables. Un modèle analytique a été proposé pour quantifier les émissions des lits de particules et des tas de stockage avec une large distribution granulométrique. Les effets du processus de pavage sont incorporés dans le modèle par la diminution de la vitesse de frottement moyenne sur la surface érodable puisque les particules non érodables s'accumulent. Des travaux antérieurs ont défini une relation mathématique entre l'évolution de la vitesse de frottement sur la surface érodable et la géométrie des éléments de rugosité. Néanmoins, l’equation n'est valable que pour des taux de couverture de particules non érodables limités. Des simulations numériques ont été effectuées dans ce travail pour étendre cette relation afin d'inclure d'autres cas rencontrés dans des situations réelles (avec de plus grandes quantités de particules non érodables). Le modèle d'émission proposé décrit la relation entre la valeur minimale de la vitesse de frottement (à laquelle les émissions cessent), en tirant parti des résultats numériques, et la profondeur finale érodée du lit, qui fournit à son tour la masse émise. Des expériences en soufflerie ont été réalisées afin de mieux comprendre le phénomène de pavage et estimer les émissions d'un lit de particules contenant une distribution de taille bimodale. Les résultats expérimentaux ont également été utilisés pour valider la modélisation, y compris la masse émise globale et les caractéristiques finales de la surface du lit. Un bon accord a été trouvé entre les résultats expérimentaux et modélisés pour les émissions globales et la profondeur de lit érodé. Le modèle d'érosion a été étendu pour l'application dans les tas de stockage. Dans ce cas, l'érodabilité des particules est plus complexe, puisque la vitesse de frottement et les conditions de seuil ne sont pas spatialement homogènes. L'idée du modèle était de subdiviser le tas en isosurfaces dans lesquelles les conditions de seuil et la vitesse de frottement sont constantes, et traiter chacune de ces zones comme une source différente où le modèle d'émission peut être appliqué. Des expériences en soufflerie ont été réalisées afin d'estimer les émissions d'un tas de sable contenant une distribution de taille bimodale. Les résultats modélisés et expérimentaux ont été comparés pour la configuration d'un tas isolé et un bon accord a été trouvé entre la masse émise estimée et mesurée. L'impact de la présence d'un bâtiment et d'un tas de stockage parallèle successif sur l'émission globale de particules a également été évalué. Des expériences en soufflerie et des simulations numériques ont été effectuées pour plusieurs configurations, en évaluant les effets de: (i) l'orientation du vent, (ii) la vitesse du vent, (iii) la distance entre l'obstacles et (iv) la quantité de particules non érodables. Il a été constaté que les interférences de l'écoulement entre les obstacles augmentent les émissions. Par conséquent, toutes les perturbations du vent ont un impact significatif et doivent être prises en compte dans l'estimation et la modélisation des émissions de poussières
Wind erosion process can lead to several environmental consequences: desertification, land degradation, air pollution, etc. This last one is related to particulate matter emissions from granular materials commonly found on industrial sites, such as ore and coal. The particle size distribution of these granular materials usually consist of a mixture of a wide range of diameters, which include larger particles that are non-erodible even with strong gusts of wind. The non-erodible particles play a protective role for erodible particles, paving the surface and reducing emissions. The main objective of this thesis is to estimate more accurately emissions due to wind erosion considering the influence of the pavement caused by non-erodible particles. An analytical model was proposed to quantify emissions from particle beds and stockpiles with a wide size distribution. The effects of pavement process are incorporated in the model through the decrease of the mean friction velocity on the erodible surface as the non-erodible particles accumulate. Previous works have defined a mathematical relation between the evolution of the friction velocity over the erodible surface and the geometry of the roughness elements. Nonetheless, the formulation was only valid to limited cover rates of non-erodible particles. Numerical simulations were carried out in this work to extend the formulation in order to include other cases encountered in real situations (with larger amounts of non-erodible particles). The proposed emission model describes the relationship between the minimum value of friction velocity (at which emissions cease), taking advantage of the numerical findings, and the final eroded depth of the bed, which in turn, provides the emitted mass. Wind tunnel experiments were carried out in order to better understand the pavement phenomenon and estimate emissions from a bed of particles containing a bimodal size distribution. The experimental results were also used to validate the modeling, including the global emitted mass and the final characteristics of the bed surface. A good agreement was found between experimental and modeled results for the global emissions and the bed eroded depth. The erosion model was extended for application in stockpiles. In this case, the erodibility of the particles is more complex as the friction velocity and the threshold conditions are not spatially homogeneous. The idea of the model was to subdivide the pile in isosurfaces in which the threshold conditions and the friction velocity are constant and then treat each one of these areas as a different source where the emission model can be applied. Wind tunnel experiments were carried out in order to estimate emissions from a sand pile containing a bimodal size distribution. The modeled and the experimental results were compared for the configuration of an isolated stockpile and a good agreement was found between the estimated and the measured emitted mass. The impact of the presence of a building and a successive parallel stockpiles on the overall particles emission was also evaluated. Wind tunnel experiments and numerical simulations were carried out for several configurations evaluating the effects of: (i) main wind flow orientation, (ii) wind flow velocity, (iii) gap between the obstacle and (iv) amount of non-erodible particles. It was found that the flow interferences between the obstacles increase emissions. Therefore, all wind perturbations have a significant impact and have to be accounted in dust emission estimation and modeling
O processo de erosão eólica pode levar a várias consequências ambientais: desertificação, degradação da terra, poluição do ar, etc. Esta última está relacionada com as emissões de partículas provenientes de materiais granulares comumente encontrados em indústrias, como minério e carvão. A distribuição granulométrica destes materiais normalmente consiste em uma mistura com uma ampla gama de tamanhos, incluindo partículas maiores que não são erodíveis mesmo com fortes rajadas de vento. As partículas não erodíveis desempenham um papel protetor para as partículas erodíveis, pavimentando a superfície e reduzindo as emissões. O objetivo principal desta tese é estimar com maior acurácia as emissões devidas à erosão eólica considerando a influência da pavimentação causada pelas partículas não-erodíveis. Um modelo analítico foi proposto para quantificar as emissões de leitos de partículas e pilhas com ampla distribuição granulométrica. Os efeitos do processo da pavimentação são incorporados no modelo por meio da diminuição da velocidade de fricção média na superfície erodível à medida que as partículas nãoerodíveis se acumulam. Trabalhos anteriores definiram uma relação matemática entre a evolução da velocidade de fricção na superfície erodível e a geometria dos elementos rugosos. No entanto, a formulação é válida apenas para limitadas taxas de cobertura de partículas não-erodíveis (< 12%). Simulações numéricas foram realizadas neste trabalho para estender a formulação de modo a incluir outros casos encontrados em situações reais (com maiores quantidades de partículas nãoerodíveis). O modelo de emissão proposto descreve a relação entre o valor mínimo da velocidade de fricção (para qual as emissões cessam), utilizando os resultados numéricos, e a profundidade final erodida do leito, que, por sua vez, fornece a massa emitida. Experimentos em túnel de vento foram realizados para melhor compreender o fenômeno da pavimentação e estimar as emissões de um leito de partículas contendo uma distribuição granulométrica bimodal. Os resultados experimentais foram também utilizados para validar a modelagem, incluindo a massa global emitida e as características finais da superfície do leito. Uma boa concordância foi encontrada entre os resultados experimentais e modelados para as emissões globais e a profundidade erodida do leito. O modelo de erosão foi estendido para aplicação em pilhas de estocagem. Neste caso, a erodibilidade das partículas é mais complexa, uma vez que a velocidade de fricção e as condições de limiar não são espacialmente homogêneas. A ideia do modelo é subdividir a pilha em isosuperfícies em que as condições de limiar e a velocidade de fricção são constantes e, em seguida, tratar cada uma dessas áreas como uma fonte diferente onde o modelo de emissão pode ser aplicado. Foram realizados ensaios experimentais em túnel de vento para estimar as emissões de uma pilha de areia contendo uma distribuição de tamanho bimodal. Os resultados experimentais e modelados foram comparados para a configuração de uma pilha isolada (orientada 60 e 90° em relação a direção do escoamento) e uma boa concordância foi encontrada entre a massa estimada e a emitida. O impacto na emissão da presença de um edifício e de uma pilha de estocagem sucessiva também foi avaliado. Experimentos em túnel de vento e simulações numéricas foram realizados para várias configurações avaliando os efeitos de: (i) orientação do vento, (ii) velocidade do vento, (iii) espaçamento entre os obstáculos e (iv) quantidade de partículas não erodíveis. Verificou-se que as interferências do escoamento entre os obstáculos aumentam as emissões. Portanto, todas as perturbações no escoamento têm um impacto significativo e devem ser contabilizadas na estimativa e modelagem de emissões de partículas

On considère un processus qui est une combinaison de la méthode des particules et de la méthode des grosses particules, lorsque les particules fluides se déplacent le long de trajectoires lagrangiennes dans le fluide principal. Le mouvement de ces particules est déterminé par les lois de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie. En figeant le mouvement de ces particules, il est possible de créer une méthode de simulation du mouvement d'un fluide dans un milieu poreux basée sur les lois de conservation, présentée dans la dernière section. Les modifications apportées à la méthode de modélisation des fluides visqueux sont également discutées.

L'utilisation de modèles informatiques comme outil de conception pour les nanocomposites polymères est discutée. En particulier, un modèle de calcul 3D est utilisé pour étudier la conductivité électrique de polymères chargés de nanotubes de carbone (CNT), de nanoplaquettes de graphène (GNP) et de particules hybrides CNT-GNP. Des lignes directrices qui aident à améliorer la conductivité électrique des composites polymères sont présentées sur la base des résultats de simulation.