Rozprawy doktorskie na temat „Multi-physics processes”

The potential of particulate mechanics was explored with the purpose of developing a single software modelling framework in which to model multi-physics geomechanical problems. Individual particulate models were developed for solid, fluid and granular material phases, building onto the existing Distinct Element Modelling (DEM) environment Particle Flow Code in Three Dimensions (PFC3D), with the intention that they could be combined to represent a geomechanical problem of any configuration. Advantages of utilising PFC3D were firstly, its inbuilt feature allowing inter-particle bonding so that, in the limiting case, solid material could be represented and secondly, its embedded coding language, FISH, which allows the creation of user defined variables and functions which may be used to manipulate and modify the basic DEM code. The Particle Solid Model (PSM) employed a bonded particle assembly with the concept of constructing a determinate lattice to replace a continuum material. Basic particle interactions were handled by the DEM behaviour inherent to PFC3D and complex behaviour, such as fracturing, was realised through additional code written in FISH. The Particle Fluid Model (PFM) was created with the concept of developing a macroscopic particle representation of a fluid where the particles moved freely with the flow. Fluid behaviour was implemented by preventing physical contact of the DEM particles through force-separation laws representative of pressure and viscosity fields. These were again realised via FISH code. The Particle Proppant Model (PPM) would be implemented simply through the inherent capabilities of the PFC3D DEM code and would be used to represent granular material on a grain for grain basis. After initial development of the individual models, benchmark tests were carried out to evaluate their basic capabilities.

Microwave heating is a process widely used for industrial processes, scientific applications, medical treatments, as well as for household appliances. The advantage of this technology is mainly related to the velocity of this heating process, important factor in order to meet the needs of the market. In fact, the heat sources are localized inside the load under heating, so reducing the process time. However, because of the involved frequencies and, sometimes, due to the costs of the devices involved in such processes, generally the quality (uniformity) of the microwave heating is pretty penalized. The progress of semiconductor technologies, along with the high quality and efficiency required from the consumers, seem to be the key points for the innovations in this sector. The multi-physic numerical modeling, coupled with the optimization techniques ever more efficient, leads to an accurate design of the heating process, as well as of the corresponding devices. The aim of the present work consists in the development of numerical multiphysics models, simulating microwave heating processes for household applications (microwave ovens) and medical devices (hyperthermia treatments). The experimental validations confirm the reliability of the proposed methods
Il riscaldamento a microonde è un processo largamente impiegato nei settori industriale, medico e domestico. Il vantaggio legato all'utilizzo di questa tecnologia consiste nell'elevata velocità del processo di riscaldamento, fattore di rilevante importanza al fine di soddisfare le esigenze del mercato. Le sorgenti di calore vengono infatti localizzate direttamente nel carico oggetto di riscaldamento, riducendo i tempi di processo. Tuttavia, a causa delle frequenze in gioco e talvolta dei costi legati ai dispositivi coinvolti in tali processi, generalmente la qualità (uniformità) del riscaldamento viene penalizzata. Il progresso nel settore delle tecnologie dei semiconduttori, assieme alle richieste di qualità ed efficienza sempre più stringenti da parte dei consumatori, sembrano essere i punti chiave per l'innovazione tecnologica in questo settore. L'impiego di metodologie di simulazione multifisiche al calcolatore, accoppiate a tecniche di ottimizzazione sempre più performanti, permette un'accurata progettazione del processo di riscaldamento e dei relativi dispositivi. Il presente lavoro si pone l'obiettivo di sviluppare modelli numerici multifisici nel settore dei riscaldamenti a microonde per uso domestico (forni a microonde) e medicale (trattamenti di ipertermia). Le validazioni sperimentali sviluppate confermano l'affidabilità delle soluzioni e dei metodi proposti.

Based on a multi-mode multi-level Jaynes-Cummings model and multi-photon resonance theory, a set of universal two-qubit and three-qubit gates has been realized where dual-rail qubits are encoded in cavities. In this way, the information has been stored in cavities and the off-resonant levels have been eliminated by the theory of an effective two-level Hamiltonian. A further model, namely the spin-J model, has been introduced so that a complete population inversion for levels of interest has been achieved and periodic multilevel multi-photon models have been performed. The combination of the two models has been employed to address two-level, three-level, four-level, and even five-level configurations. Considering the present cavity-QED experiments, several numerical simulations have been designed in order to check the robustness of the logic gates to variations in experimentally important parameters including the coupling constants and the detunings. Finally, based on Liouville's equation, and the wave-function treatments, the impact of decoherence processes on the fidelity of the qubit states in the iSWAP and the Fredkin gates has been studied. This thesis may have applications to quantum information processing, involving logic with simple quantum bits, with the possible application to the building of a quantum computer.

La maîtrise des phénomènes de macroségrégation et des défauts liés à la déformation est le principal enjeu des processus de solidification. La modélisation numérique apporte une réponse aux besoins industriels pour maîtriser ces défauts. L'un des problèmes les plus critiques et essentiels est le calcul simultané de l'écoulement du fluide dans les régions liquides et de l'évolution contrainte-déformation dans les régions déjà solidifiées. Dans ce but spécifique, un algorithme de solution partitionnée est développé pour modéliser à la fois les processus de coulée en lingots et de coulée continue: l'écoulement de liquide induit par convection naturelle ou étape de remplissage, le retrait de solidification, la déformation thermiquement induite de la phase solide. Sur la base des deux champs de vitesse - solide et liquide résultant de cette résolution couplée, la résolution du transport des espèces chimiques (macroségrégation) est réalisée
Control of macrosegregation phenomena and deformation related defects is the main issue in solidification processes. Numerical modeling provides an answer to industrial needs to master these defects. One of the most critical and essential issues is the concurrent computation of fluid flow in the bulk liquid and stress-strain evolution in the already solidified regions. For this specific purpose, a partitioned solution algorithm is developed to model both ingot casting and continuous casting processes. Liquid flow induced by natural convection or filling step, solidification shrinkage and thermally induced deformation of the solid phase. On the basis of the resulting liquid and solid velocity fields, the transport of chemical species (macrosegregation) is achieved

Using a narrow-band resonant fluorescence spectra from a nano-cell with a thickness of L= [lambda]/2, and VSOP resonances formed at a thickness L =[lambda] ([lambda] is the wavelength of the resonant radiation), for the first time it was experimentally investigated the behaviour of the frequency and intensity (transition probabilities) of the atomic hyperfine structure transitions between the 85Rb, 87Rb, D1 and D2 lines Zeeman sublevels in external magnetic fields in range 5 - 7000G. The behaviour of tens of previously unstudied atomic transitions was analyzed and it is demonstrated that the intensities of these lines can both greatly increase, and decrease (tenfold). For the first time it is demonstrated that, in the case of partial pressure of neon buffer gas up to 6~torr into the nano-cell of thickness L = [lambda] filled with Rb, VSOP resonances are recorded confidently, while the addition of 0.1~torr neon buffer gas in a cell of a centimeter thickness leads to the complete disappearance of VSOP resonances formed with the help of the widely used technique of saturated absorption. It is demonstrated for the first time that the spectral width of the resonant fluorescence spectra of the rubidium nano-cell with thickness L= [lambda]/2, for all values of the neon buffer gas pressures is much narrower (6-8 times) compared with the resonant fluorescence spectra of an ordinary centimeter cell containing rubidium with the same pressures of neon

I begin this study by presenting an overview of the theory of magnetohydrodynamics and the necessary conditions to justify the fluid treatment of a plasma. Upon establishing the fluid description of a plasma we move on to a discussion of magnetohydrodynamics in both the ideal and Hall regimes. This framework is then extended to include multiple plasmas in order to consider two problems of interest in the field of theoretical space physics. The first is a study on the evolution of a partially ionized plasma, a topic with many applications in space physics. A multi-fluid approach is necessary in this case to account for the motions of an ion fluid, electron fluid and neutral atom fluid; all of which are coupled to one another by collisions and/or electromagnetic forces. The results of this study have direct application towards an open question concerning the cascade of Kolmogorov-like turbulence in the interstellar plasma which we will discuss below. The second application of multi-fluid magnetohydrodynamics that we consider in this thesis concerns the amplification of magnetic field upstream of a collisionless, parallel shock. The relevant fluids here are the ions and electrons comprising the interstellar plasma and the galactic cosmic ray ions. Previous works predict that the streaming of cosmic rays lead to an instability resulting in significant amplification of the interstellar magnetic field at supernova blastwaves. This prediction is routinely invoked to explain the acceleration of galactic cosmic rays up to energies of 10¹⁵ eV. I will examine this phenomenon in detail using the multi-fluid framework outlined below. The purpose of this work is to first confirm the existence of an instability using a purely fluid approach with no additional approximations. If confirmed, I will determine the necessary conditions for it to operate.

Multi-photon nonlinear processes in atoms have served as important tools for quantum metrology, quantum communications, and quantum sensing. In this thesis, we experimentally address the interplay of various multi-photon Raman processes in hot Rb vapor, with the four-wave mixing (FWM) process being a central theme. FWM is the nonlinear response of a medium to a strong optical pump field inelastically scattering off atomic resonances and resulting in the generation of additional photons in different modes. FWM is a detrimental, but inherent part of electromagnetically induced transparency (EIT) and Raman based quantum memories. However, we were able to weaken the four-photon resonance by utilizing two-photon absorption to remove the additional photons without interfering with the signal beam. We also demonstrate the ability to tailor FWM to generate new photons in a controlled fashion for mode conversion. With this, we showed the conversion of 795 nm light to 420 nm light. While FWM is a source of noise in quantum memories, it can also be used for the generation squeezed twin-beams. Such beams have relative intensity noise reduced below the classical shot noise limit and share mode dependence based on the phase-matching conditions. Using this, we demonstrated that twin-beams can be generated with largely different spatial structure (optical angular momentum) and still share strong correlations, so long as the phase-matching conditions are satisfied. We then constructed and demonstrated the operation of a polarization-based quantum interferometer using squeezed twin-beams and showed that our beams were entangled under the inseparability condition. Using this interferometer, we were also able to achieve squeezing at low detection frequencies, which is necessary for things like quantum imaging and gravitational wave detection. We also demonstrated that squeezed twin-beams can be utilized to enhance the sensitivity of two-photon absorption spectroscopy. This research has touched on many different subjects related to quantum information science and improved upon some of the tools needed for the implementation of such technologies.

L'hadronthérapie joue un rôle de plus en plus important au sein des techniques de radiothérapie grâce aux propriétés balistiques des ions et, dans le cas de ceux plus lourds que les protons, à une augmentation de l'efficacité biologique dans la région tumorale. Ces caractéristiques permettent une meilleure conformation de la dose délivrée au volume tumoral et elles permettent en particulier de traiter des tumeurs radio-résistantes. Elles conduisent cependant à une grande sensibilité du parcours des ions aux incertitudes du traitement. C'est dans ce contexte qu'a été proposée la détection de radiations secondaires émises lors des interactions nucléaires induites par les ions incidents dans le patient. La tomographie par émission de positons et la détection des rayons gamma prompts ont notamment fait l'objet d'une recherche intense ces dernières années. Le réseau de formation européen ENTERVISION, soutenu par la communauté ENLIGHT, a été crée fin 2009 pour développer ce type d'imagerie et, plus généralement, traiter les incertitudes de traitement en hadronthérapie. Le travail présenté dans ce manuscrit et intitulé ≪ Modélisation et simulation des processus physiques pour l'imagerie en ligne de l'hadronthérapie ≫ est l'un des nombreux travaux issus de ce projet. Bien que le sujet soit particulièrement large, le fil conducteur de ce travail a été une étude systématique visant in fine une implémentation d'un dispositif d'imagerie ≪ gamma prompts ≫ utilisable à la fois en faisceau de protons et d'ions carbone
Hadrontherapy is taking an increasingly important role in radiotherapy thanks to the ballistic properties of ions and, for those heavier than protons, an enhancement in the relative biological effectiveness in the tumour region. These features allow for a higher tumour conformality possible and gives the opportunity to tackle the problem of radioresistant tumours. However, they may lead to a great sensitivity of ion range to treatment uncertainties, namely to morphological changes along their path. In view of this, the detection of secondary radiations emitted after nuclear interactions between the incoming ions and the patient have been long proposed as ion range probes and, in this regard, positron emitters and prompt gammas have been the matter of intensive research. The European training network ENTERVISION, supported by the ENLIGHT community, was created in the end of 2009 in order to develop such imaging techniques and more generally to address treatment uncertainties during hadrontherapy. The present work is one of the many resulting from this project, under the subject “Modelling and simulation of physics processes for in-beam imaging in hadrontherapy”. Despite the extensive range of the topic, the purpose was always to make a systematic study towards the clinical implementation of a prompt-gamma imaging device to be used for both proton and carbon ion treatments

Lors de ce travail de thèse, les mécanismes de double ionisation de l'argon par impact électronique incluant l'effet Auger ont été étudiés en fonction de l'énergie de l'électron
incident. Des sections efficaces cinq et six fois différentielles en angle et en énergie ont été mesurées et analysées en géométrie coplanaire.
La mise au point d'un nouvel analyseur toroïdal a permis d'améliorer l'efficacité de détection de l'ensemble du dispositif. La section efficace six fois différentielle où l'électron
Auger et l'électron éjecté ont des énergies identiques (205 eV) a ainsi été obtenue en première mondiale avec une cible d'argon, pour une énergie incidente de 956 eV.
Les modèles théoriques développés lors de ce travail représentent le triple continuum par un ensemble d'ondes coulombiennes décrivant les interactions entre les trois électrons de la voie de sortie et l'ion résiduel. Les effets d'échange entre les électrons ont aussi été inclus dans les modèles.
La confrontation des résultats expérimentaux et théoriques a permis de mettre en évidence la contribution relative de l'effet Auger et de la double ionisation directe sur la dépendance angulaire de la section efficace quintuplement différentielle, révélant en particulier une influence de l'effet Auger d'autant plus importante que l'énergie incidente est élevée.

The potential advantages and applications of Silicon Photonics (SiP) has initiated substantial research efforts. Silicon photonics has been favourably nominated to replace the current copper interconnects due to their high bandwidth, small footprint, and potentially low power consumption. However, the majority of the research into silicon photonics has been based on the silicon-on insulator (SOI) platform. The focus on the SOI platform has limited the design of silicon photonic devices to two-dimensional (2D) structures. Moreover, the fabrication of optical active devices based on silicon photonics has relied on high temperature processing that is not compatible with CMOS back-end integration. New materials that are depositable at low temperatures can offer new possibilities for multi-layered, CMOS back-end compatible, and low optical loss silicon photonic devices. In this project, zinc oxide (ZnO) was investigated as a potential low temperature material whose fabrication is compatible with CMOS technology. Specifically, the naturally n-type doped ZnO can potentially form a heterojunction with p-type silicon without the need for high temperature processing. Poly-silicon is also a depositable and CMOS compatible material that can potentially form future multi-layered silicon photonic structures. However, low optical loss in poly-silicon has been based on high-temperature processing to improve the crystallinity and roughness of the deposited material. The deposition of poly-silicon in the SiP technology have been mainly carried out using plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) and other deposition techniques remain under investigated. In this project, ZnO was, for the first time, deposited at low-temperature (150 ˚C) using atomic layer deposition (ALD) on a silicon waveguide to form a heterojunction diode capable of producing optical switching in the silicon core. Optical switching in the n-ZnO/p-Si heterojunction was caused by the plasma dispersion effect. The design of the optical switch comprised a straight silicon waveguide (width = 1000 nm, height = 220 nm, slabheight = 60 nm) partially covered with a thin ZnO film (thickness = 10 nm). The commonly used highly doped p+ region were not included in the devices because of the high thermal budget (T ' 900 ˚C) needed to activate the dopant. Moreover, the aluminium (Al) metal contacts were not annealed because the annealing temperature (Ts = 425˚C) exceeds the high-temperature threshold (Ts = 400˚C). An extinction ratio of ~ 10 dB was achieved for a 1 mm long device at 20 V forward-bias. This result can be expressed as a figure of merit of 5 dB/cm.V. The insertion loss of the device was estimated to be ~ 1:2 dB. The maximum switching speed of the devices was found to be ~1 MHz. Al-though this performance is inferior to the state-of-the-art silicon optical switches, it offers the first silicon-based electro-optical switch fabricated at low-temperatures with low insertion loss. Detailed analysis of the I-V and switching characteristics of the device revealed large series resistance and capacitance. It was also found that the switching speed is primarily governed by the RC time constant of the device rather than the minority carrier lifetime. This fact has led us to believe that the device functions as both injection and accumulation electro-absorption switch. A thin SiO2 layer is suspected to form at the ZnO/Si interface that facilitates the accumulation operation of the device and increases the RC time constant. The first low loss and low-temperature poly-silicon waveguides are demonstrated in this project. Hot-wire chemical vapour deposition (HWCVD) was used to deposit poly-silicon films at 240˚C. The propagation loss of the TE mode for a 600 by 220 nm waveguide was 13:5 dB/cm. Detailed simulation analysis revealed that at least 60% of the loss was caused by the roughness of the top surface of the waveguides. The RMS roughness was measured using atomic force microscopy (AFM) and was found to be 8:9 nm. Optimisation of the design, the deposition process, and the reduction of the top surface roughness, through surface planarisation, led to a reduction in the propagation loss of the TE mode to ~8:5 dB/cm while still maintaining low deposition temperature of 360˚C. The crystal volume fraction of the optimised poly-silicon film was found to be ~96%. An electro-optical switch based on ZnO and poly-silicon heterojunction was fabricated on a multi-layered poly silicon structure. However, there were problems with the metal contact pads as well as the thickness of the first poly-silicon layer. Future work will focus on improving the n-ZnO/p-Si heterojunction electro-optical performance by adapting an accumulation type structure as well as optimising the multi-layered poly-silicon platform.

Dans ce travail prospectif, nous proposons une modélisation intégrant un couplage thermo-chimio-mécanique pour les élastomères chargés et dissipatifs. En se basant sur les résultats et les observations de la littérature, nous avons développé un cadre thermodynamique général et proposé trois modèles phénoménologiques de comportement. Nos outils principaux sont la thermodynamique des processus irréversibles, la notion d'états intermédiaires, les matériaux standards généralisés. Une variable interne correspondant au degré de réticulation est introduite. L'évolution de cette variable prend en compte une influence thermique et mécanique à travers la pression hydrostatique. Il s'agit d'une des originalités de cette approche. Ce travail se place dans le cadre général des grandes transformations. Un schéma numérique de résolution monolithique des équations bilan par éléments finis est proposé. Ce schéma tient compte de l'hypothèse de faible compressibilité du matériau par un choix judicieux de relations faibles entre inconnues et par le choix des approximations pour ces dernières. La résolution en temps est traitée par un schéma d'Euler implicite associé à une technique de linéarisation de Newton-Raphson. Un modèle orienté objet du matériau thermo-chimio-mécanique est proposé et implémenté en langage Java dans le code FEMJava. Quelques exemples de simulation illustrent le potentiel de ces modèles en reproduisant de manière qualitative des observations expérimentales
In this prospective study, we propose a new thermo-chemo-mechanical coupled model for dissipative filled rubber. This work is based on experimental observations and results from the literature. In this context, we have developed three phenomenological constitutive laws within a generic thermodynamical framework. The models enters the category of the thermodynamics of irreversible processes. Intermediate states are taken into account in the model which is build within the generalized standard materials framework. The degree of cure is introduced as an internal variable. The evolution of this variable takes into account the thermal influence and the mechanical influence via the hydrostatic pressure. This is one of the features making this model original. A finite strains approach is considered. A finite element model is applied to the global problem. A monolithic solution scheme is built based on an implicit Euler scheme associated to a of Newton-Raphson linearization technique. This scheme takes into account the weak compressibility of the material condition through, first, a judicious choice of weak relations between unknowns, and second, an adequate choice of approximations for the unknowns of problem to enforce the stability of the numerical scheme. An object-oriented model for the constitutive equations of the thermo-chemo-mechanical model is proposed and is implemented in Java into the FEMJava code. Some simulations illustrate the high potential of these models in qualitatively reproducing these experimental observations

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de systèmes complexes appliqués aux systèmes économiques. Dans cette thèse, un modèle multi-agent a été proposé, qui modélise le cycle de production. Il est consitué d'entreprises, ouvirers/foyers, et une banque, et repecte la conservation de la monnaie. Son hypothèse centrale est que les entreprises se basent sur une marge espérée pour déterminer leur production. Un scénario simple de ce modèle, ou les marges espérées sont homogènes, a été analysé dans le cadre de models de croissance stochastique. Les résultats sont la distribution de tailles d'entreprises rassemblant des lois de puissance, et leur distribution du taux de croissance de forme 'tente', ainsi qu'une dépendence de taille de la variance de la croissance. Ces résultats sont proches aux faits stylisés issus d'études empiriques. Dans un scénario plus complet, le modèle contient des caractéristiques supplémentaires: des marges espérées hétérogèges, ainsi que des paiements d'intérêts, la possibilité de faire faillite. Cela ramène le modèle aux modèles macro-économiques multi-agents. Les extensions sont décrites de façon théorique par des équations de replicateur. Les résultats nouveaux sont la distribution d'age d'entreprises actives, la distribution de leur taux de profit, la distribution de dette, des statistiques sur les faillites, et des cycles de vie caractéristiques. Tout ces résultats sont qualitativement en accord avec des résultats d'études empiriques de plusieurs pays.Le modèle proposé génère des résultats prometteurs, en respectant le principe que des résultats qui apparaissent simultanément peuvent soit etre générés par un même processus, soit par plusieurs aui qui sont compatibles
The thesis is in the field of complex systems, applied to an economic system. In this thesis, an agent-based model has been proposed to model the production cycle. It comprises firms, workers, and a bank, and respects stock-flow consistency. Its central assumption is that firms plan their production based on an expected profit margin. A simple scenario of the model, where the expected profit margin is the same for all firms, has been analyzed in the context of simple stochastic growth models. Results are a firms' size distribution close to a power law, and tent-shaped growth rate distribution, and a growth rate variance scaling with firm size. These results are close to empirically found stylized facts. In a more comprehensive version, the model contains additional features: heterogeneous profits margins, as well as interest payments and the possibility of bankruptcy. This relates the model to agent-based macroeconomic models. The extensions are described theoretically theoretically with replicator dynamics. New results are the age distribution of active firms, their profit rate distribution, debt distribution, bankruptcy statistics, as well as typical life cycles of firms, which are all qualitatively in agreement with studies of firms databases of various countries.The proposed model yields promising results by respecting the principle that jointly found results may be generated by the same process, or by several ones which are compatible

La métrologie laser basée sur l'analyse de la fluorescence de traceurs moléculaires est devenue l'un des outils clefs pour l'étude expérimentale de la dynamique des fluides réactifs. Une étude spectroscopique des propriétés photophysiques de fluorescence dans le domaine spectral UV-visible de plusieurs molécules fluorescentes appartenant aux cétones aliphatiques et aux aromatiques mono- et bicycliques a permis d'approfondir la compréhension de l'influence de la température, de la pression et de la concentration d'oxygène sur leur fluorescence. Les résultats expérimentaux obtenus ont ensuite permis le développement d'un modèle de simulation du rendement de fluorescence pour les espèces aromatiques (naphtalène et toluène), qui fournit des résultats très proches de ceux mesurés.De ces résultats, le développement de la technique d'imagerie de fluorescence (PLIF) sur la phase vapeur d'un carburant multi-composant a conduit à étendre cette analyse spectrale de fluorescence au cas du kérosène (Jet A-1). La comparaison entre les propriétés de fluorescence du kérosène et des traceurs aromatiques étudiés a notamment permis d'établir une stratégie de mesure de la concentration de la phase vapeur du kérosène dans des environnements où la teneur en oxygène est variable. Les signaux de fluorescence provenant des espèces mono- et di-aromatiques contenues dans le kérosène soulignent des évolutions différentes avec les conditions de température et teneur en oxygène. L'utilisation de filtres optiques appropriés associés à deux caméras ICCD permet alors une mesure bidimensionnelle de la température et de la concentration de kérosène en phase vapeur. La thèse débouche finalement sur l'application de cette technique PLIF-kérosène en combinaison avec la technique PLIF du radical OH en sortie d'un système d'injection industriel multi-point de nouvelle génération intégré dans une chambre de combustion haute pression.

This thesis is concerned with the sampled-data control of non-linear continuous-time systems. Sampled-data systems are present in all computer controlled, hybrid or embedded systems. The design and computation of suitable digital controllers represent unavoidable tasks since both continuous and discrete-time components interact. The basic framework of this work takes part of a wide research activity performed by S. Monaco and D. Normand-Cyrot regarding non-linear sampled-data systems. The underlying idea is to design digital controllers that recover certain continuous-time properties that are usually degraded through sampling as it is the case when continuous-time controllers are implemented by means of zero-order holder devices (emulated control). This thesis brings contributions into three different directions. The first one regards theoretical developments: a new digital backstepping-like strategy design for strict-feedback systems is proposed. This method is compared with other strategies proposed in the literature. The second contribution is the development of a control designer and of a simulation toolbox (in Matlab) for non-linear sampled-data systems. This toolbox includes different digital design strategies such as: multi-rate control, input-output/Lyapunov matching, digital backstepping design, etc. The third contribution concerns several case studies conducted to highlight the performances of the sampled-data controller designs, computed by the means of the software toolbox. Experimental and simulation results are described for various real examples especially in the area of electrical and mechanical processes.

La simulation physique interactive est une composante clé pour les environnements virtuels. Toutefois, la quantité de calcul ainsi que la complexité du code augmente rapidement avec la variété, le nombre et la taille des objets simulés. Au cours de cette thèse nous avons étudié les différents moyens d'améliorer l'interactivité, et en même temps de minimiser l'impact sur le code de simulation. En premier lieu nous avons développé une nouvelle approche de détection de collisions pour les objets déformables qui est rapide et plus robuste que les approches traditionnelles de détection par proximité. Pour tirer profit des machines multi-core, nous proposons une approche de parallélisation qui repose sur un parallélisme des tâches. Avant l'éxecution d'un pas de temps nous extrayons un graphe de dépendance de tâche qui est partitionné pour définir la répartition des tâches entre les processeurs. Cette approche a un faible impact sur les algorithmes de simulation physique étant donné que le parallélisme est obtenu en changeant uniquement le code d'orchestration du lancement des tâches. Finalement, nous avons étendu nos travaux aux architectures multi-CPU et multi-GPU. L'utilisation de ces ressources de manière efficace et transparente est un enjeu de taille. Nous proposons un schéma de parallélisation pour l'équilibrage dynamique de charge entre plusieurs CPUs et GPUs. Nous nous appuyons sur une approche à deux niveaux associant un partitionement du graphe de tâches et l'équilibrage de charge par l'utilisation du vol de travail guidé par des critères d'affinité entre processeurs. Ces critères visent à limiter les migrations de taches entre les unités de calcul, et de favoriser l' association de petites tâches sur les processeurs et des grandes sur les GPU pour tirer parti de l'hétérogénéité
Interactive physical simulation is a key component of realistic virtual environments. However, the amount of computations as well as the code complexity grow quickly with the variety, number and size of the simulated objects. During this thesis we studied the different ways to improve interactivity, with the constraint of minimizing the impact in the simulation code. We started by developing a new approach to collision detection between deformable bodies that allows deep intersections. Experiments show that this approach is fast and more robust than traditional proximity-based collisions, allowing physical simulations to employ large time steps. To take profit of multi-core machines, we propose a parallelization approach that relies on a task parallelism. Prior to running a simulation step, we extract a task dependency graph that is partitioned to define the task distribution between processors. This approach has a low impact on physics algorithms as parallelism is mainly extracted from the coordination code. Finally we extended our works multi-CPU and multi-GPU architectures. Using these resources efficiently in a seamless way is a challenging issue. We propose a parallelization scheme for dynamically balancing work load between multiple CPUs and GPUs. We rely on a two level scheduling associating a traditional task graph partitioning and a work stealing guided by processor affinity and heterogeneity. These criteria are intended to limit inefficient task migrations between GPUs, the cost of memory transfers being high, and to favor mapping small tasks on CPUs and large ones on GPUs to take advantage of heterogeneity

Les Noyaux Actifs de Galaxies (NAG) sont parmi les sources les plus énergétiques dans l'Univers. Certains possèdent un jet relativiste dont l'émission est purement non-thermique. Lorsque le jet est aligné avec notre ligne de visée, ces objets appelés "blazars" voient leur émission amplifiée par effet Doppler relativiste. Depuis l'avènement de l'astrophysique gamma aux très hautes énergies (THE; E>100 GeV), les télescopes Cherenkov comme H.E.S.S. ont observé près d'une trentaine de NAG, principalement des blazars, depuis le sol. Ils tirent parti du rayonnement Cherenkov issu des gerbes de particules secondaires engendrées par l'arrivée d'un photon gamma dans l'atmosphère terrestre, pour remonter aux propriétés du photon incident et ainsi étudier ces sources extragalactiques. Nous avons étudié l'émission gamma THE rapidement variable du blazar PKS 2155-304, dont deux éruptions majeures ont été détectées en Juillet 2006, grâce à un modèle synchrotron self-Compton (SSC) dynamique. Cette émission variable présente des propriétés extrêmes excluant certains scénarios d'émission standard des blazars. Nous avons aussi développé un modèle d'émission SSC de jets relativistes non alignés avec la ligne de visée, afin d'interpréter la découverte récente par H.E.S.S. de deux radio galaxies, M 87 et Cen A, qui prouve l'émergence d'une nouvelle famille d'émetteurs cosmiques au TeV. Nous concluons avec une étude systématique menée sur l'ensemble des NAG actuellement connus au TeV, à l'aide d'un modèle SSC stationnaire. Nous présentons des diagnostics de prédictions de densités de flux dans ces objets, pouvant être confrontés aux observations futures du Cherenkov Telescope Array (CTA).

Les molécules possédant des atomes identiques en positions interchangeables existent sous différentes formes appelées " configurations de spin nucléaire " identifiées par la symétrie de la fonction d'onde rovibrationnelle et la valeur de leur spin nucléaire total. Dans le cas des molécules hydrogénées présentes dans les milieux interstellaires et cométaires, la mesure des rapports entre populations de configuration de spin différentes montre que ces dernières ne sont pas à l'équilibre thermodynamique attendu dans les conditions de température du milieu. L'origine de ce déséquilibre reste en débat, et des études plus poussées concernant la conversion de spin nucléaire (CSN) dans la phase solide et à l'interface avec la phase gazeuse à basse température sont nécessaires pour mieux comprendre les observations. Ce travail de thèse expérimental est dédié à l'étude de la CSN du CH4 dans des matrices d'argon et de krypton. La molécule de méthane présente trois configurations de spin qui peuvent être distinguées par spectroscopie d'absorption infrarouge à transformée de Fourier. Dans un premier temps, le travail a consisté en l'étude de la spectroscopie du méthane dans ces matrices (attributions, influence de l'environnement cristallin...). Dans un deuxième temps, nous avons étudié la dynamique de CSN par retour à l'équilibre de matrices préalablement enrichies en une espèce de spin donnée. L'influence de (i) la nature, (ii) la concentration en CH4 et (iii) la température (4.2 K - 10 K) des matrices sur les temps de conversion mesurés ont permis de mettre en évidence les différents mécanismes (inter et intramoléculaires) responsables de la modification des espèces de spin nucléaire de CH4. Ces travaux suggèrent que, pour des glaces astrophysiques, l'équilibre des populations relatives entre les configurations de spin devrait être obtenu en phase solide, ce qui remet en cause l'hypothèse de la conservation des rapports otho/para dans les glaces cométaires et interstellaires.

Depuis une dizaine d'années, la transformée en ondelettes a été reconnue comme un outil privilégié d'analyse des objets fractals, en permettant de définir un formalisme multifractal généralisé des mesures aux fonctions. Dans une première partie, nous utilisons la méthode MMTO (Maxima du Module de la Transformée en Ondelettes) 2D, outil d'analyse multifractale en traitement d'images pour étudier des mammographies. On démontre les potentialités de la méthode pour le problème de la segmentation de texture rugueuse et la caractérisation géométrique d'amas de microcalcifications, signes précoces d'apparition du cancer du sein. Dans une deuxième partie méthodologique, nous généralisons la méthode MMTO pour l'analyse multifractale de données 3D scalaires et vectorielles, en détaillant la mise en oeuvre numérique et un introduisant la transformée en ondelettes tensorielle. On démontre en particulier que l'utilisation d'une technique de filtres récursifs permet un gain de 25 a 60 \% en temps de calcul suivant l'ondelette analysatrice choisie par rapport à un filtrage par FFT. La méthode MMTO 3D est appliquée sur des simulations numériques directes (SND) des équations de Navier-Stokes en régime turbulent. On montre que les champs 3D de dissipation et d'enstrophie pour des nombres de Reynolds modérés sont bien modélisés par des processus multiplicatifs de cascades non-conservatifs comme en témoigne la mesure de l'exposant d'extinction $\kappa$ qui diffère significativement de zéro. On observe en outre que celui-ci diminue lorsqu'on augmente le nombre de Reynolds. Enfin, on présente les premiers résultats d'une analyse multifractale pleinement vectorielle des champs de vitesse et de vorticité des mêmes simulations numériques en montrant que la valeur du paramètre d'intermittence $C_2$, mesuré par la méthode MMTO 3D tensorielle, est significativement plus grande que celle obtenue en étudiant les incréments de vitesse longitudinaux 1D.

Les progrès du calcul scientifique ont permis des avancées importantes dans la simulation et la compréhension de problèmes complexes tels que les différents phénomènes physiques qui ont lieu dans des turbines à gaz industrielles. Cependant, l'essentiel de ces avancées portent sur la résolution d'un seul problème à la fois. En effet on résout soit les équations de la phase fluide d'un côté, de la thermique d'un autre, du rayonnement, etc... Pourtant, dans la réalité tous ces différents problèmes physiques interagissent entre eux : on parle de problèmes couplés. Ainsi en réalisant des calculs couplés on peut continuer à améliorer la qualité des simulations et donc donner aux concepteurs de turbines à gaz des outils supplémentaires. Aujourd'hui, des logiciels récents permettent de résoudre plusieurs physiques simultanément grâce à des solveurs génériques. En revanche, la contrepartie de cette généricité est qu'ils se révèlent peu efficaces sur des problèmes coûteux tels que la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Une autre solution consiste à connecter des codes spécialisés en leur faisant échanger des informations, cela s'appelle le couplage de codes. Dans cette thèse on s'intéresse au couplage d'un domaine fluide dans lequel on simule une SGE réactive (combustion) avec un domaine solide dans lequel on résout la conduction thermique. Pour réaliser ce couplage une méthodologie est mise en place en abordant différentes problématiques. Tout d'abord, la problématique spécifique au couplage de la SGE et de la thermique : l'impact de la fréquence d'échange sur la convergence du système ainsi que sur les problèmes de repliement de spectre et la stabilité du système couplé. Ensuite les problèmes d'interpolation et de géométrie sont traités avec notamment le développement d'une méthode d'interpolation conservative et la mise en évidence des difficultés spécifiques au couplage de géométries industrielles. Finalement la problématique du calcul haute performance (HPC) est traitée avec le développement d'une méthode permettant de réaliser efficacement l'échange des données et l'interpolation entre différents codes parallèles. Ces travaux ont été appliqués sur une configuration de chambre de combustion aéronautique industrielle.

Les contributions de cette thèse portent sur deux sujets. La première partie est dédiée à l'étude de modèles de champ moyen pour la structure électronique de matériaux avec des défauts. Dans le chapitre 2, nous introduisons et étudions le modèle de Hartree-Fock réduit (rHF) pour des cristaux désordonnés. Nous prouvons l'existence d'un état fondamental et établissons, pour les interactions de Yukawa (à courte portée), certaines propriétés de cet état. Dans le chapitre 3, nous considérons des matériaux avec des défauts étendus. Dans le cas des interactions de Yukawa, nous prouvons l'existence d'un état fondamental, solution de l'équation auto-cohérente. Nous étudions également le cas de cristaux avec une faible concentration de défauts aléatoires. Dans le chapitre 4, nous présentons des résultats de simulations numériques de systèmes aléatoires en dimension un. Dans la deuxième partie, nous étudions des modèles Monte-Carlo cinétique multi-échelles en temps. Nous prouvons, pour les trois modèles présentés au chapitre 6, que les variables lentes convergent, dans la limite de la grande séparation des échelles de temps, vers une dynamique effective. Nos résultats sont illustrés par des simulations numériques.

Concrete is a heterogeneous material whose constituents (e.g., cement paste, aggregate etc.) range from a characteristic length-scale dimension of a nanometre to a metre. Owing to the heterogeneity of concrete and the contrasting nature of its constituent’s (cement paste, aggregate) response at ambient and high temperatures, applying a homogeneous macroscopic model to predict concrete’s mechanical and thermo-mechanical performance is questionable. Hence, in this thesis, multiple physical and chemical processes that occur within the concrete constituents at different length scales are considered, and a multi-scale model is developed to study the mechanical and thermo-mechanical behaviour of concrete in a hygral-thermal-chemical-mechanical (HTCM) framework. Firstly, the governing equations of HTCM processes are described at meso-scale, a length-scale where coarse aggregate is explicitly modelled in a binding medium called mortar. After that, a hierarchical homogenization approach is employed, and the evolution of mechanical properties etc., are upscaled (from micro to meso) and used at the meso-scale. The proposed methodology is then used to predict the evolution of mechanical properties (e.g., compressive strength) and time-dependent deformation (e.g., shrinkage and creep) of cement paste, mortar and concrete for a wide variety of factors (e.g., type and content of constituents, different curing conditions, etc.). Like ambient conditions, the developed model is used to simulate thermo-mechanical responses (e.g., in terms of spalling, deformation, residual capacity, etc.) of both plain and reinforced concrete structural elements. Further, the effect of several other meso and macroscopic parameters (e.g., interfacial transition zone, aggregate shape, random configurations of aggregates etc.) on concrete’s mechanical and thermo-mechanical behaviour is studied numerically at the meso-scale. Validation of the proposed methodology with the available experimental results at both ambient and high temperatures for a wide variety of cases highlights the general applicability of the model. It has been shown that on several occasions, existing macro, meso or multi-scale models unable to reproduce the mechanical and thermos-mechanical behaviour of concrete structures. Such limitations can be overcome with the present developed approach. Further, empiricism in several calibrated parameters in the existing thermal-hygral-mechanical macroscopic models (associated with elasticity, strength, shrinkage, and creep prediction) can be avoided by using the present developed multi-scale and multi-physics-based methodology. Similarly, simulated results at high temperatures highlight several crucial aspects related to obtaining a more precise residual capacity of a concrete structure, which is impossible to reproduce with a homogenized macroscopic model. For instance, spalling out of random concrete parts at different times during high-temperature exposure cannot be simulated with a homogenized assumption. Further, unlike macroscopic models, a mesoscopic model does not require transient creep strain to be specified explicitly in the analysis. The primary influencing mechanisms behind this transient creep strain are implicitly taken into account in the present developed meso-scale model that results in such advantages.
Ministry of Human Resource and Development, Government of India

The chromosphere and transition region of the solar atmosphere provide an interface between the cool photosphere (6000 K) and the hot corona (1 million K). Both layers exhibit dramatic deviations from thermal and hydrostatic equilibrium in the form of intense plasma heating and mass transfer. The exact mechanisms responsible for transporting energy to the upper atmosphere remain unknown, but these must include a variety of energetic processes operating across many spatial and temporal scales. This dissertation comprises three studies of possible mechanisms for plasma heating and energy transport in the solar chromosphere and transition region. The first study establishes the theoretical framework for a collisional, two-stream plasma instability in the quiet-Sun chromosphere similar to the Farley-Buneman instability which actively heats the E-region of Earth's ionosphere. After deriving a linear dispersion relationship and employing a semi-empirical model of the chromosphere along with carefully computed collision frequencies, this analysis shows that the threshold electron drift velocity for triggering the instability is remarkably low near the temperature minimum where convective overshoots could continuously trigger the instability. The second study investigates simultaneous Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) observations of magnetohydrodynamic (MHD) waves in the chromospheres and transition regions of sunspots. By measuring the dominant wave periods, apparent phase velocities, and spatial and temporal separations between appearances of two observationally distinct oscillatory phenomena, the data show that these are consistent with upward-propagating slow magnetoacoustic modes tied to inclined magnetic field lines in the sunspot, providing a conduit for photospheric seismic energy to transfer upward. The third and final study focuses on intense, small-scale (1 arcsec) active region brightenings known as IRIS UV bursts. These exhibit dramatic FUV/NUV emission line splitting and deep absorption features, suggesting that they result from reconnection events embedded deep in the cool lower chromosphere. IRIS FUV spectral observations and Solar Dynamics Obser- vatory/Helioseismic and Magnetic Imager (SDO/HMI) magnetograms of a single evolving active region reveal that bursts prefer to form during the active region's emerging phase. These bursts tend to be spatially coincident with small-scale, photospheric, bipolar regions of upward and downward magnetic flux that dissipate as the active region matures.