The thermo-chemical relaxation of nitrogen hypersonic flows behind strong shocks and in nozzle expansions is investigated with 1D flow simulations and detailed vibrational kinetics. This work aims at deriving from detailed vibrational models accurate reduced models easy to implement in multidimensional reentry flow codes. First, nonequilibrium couplings between vibrational excitation, dissociation and recombination reactions are considered. Vibrational kinetics is described using accurate vibrational state-to-state rate constant databases of the literature completed with the forced harmonic oscillator model. The key role of multiquanta vibration-translation processes on the relaxation of the vibrational distribution function and the dissociation/recombination processes is put forward behind shocks and in nozzles. The vibrational distributions, which deviate strongly from equilibrium for nozzle expansions, are driven by vibration-translation processes and dissociation/recombination processes. A macroscopic model using groups of vibrational levels is developed to derive consistently the chemical and vibrational energy source terms from the vibrational state-to-state database.This model successfully reproduces the thermal, chemical and vibrational distribution function dynamics predicted by the state-to-state model with one group of levels behind a shock wave, and with three groups of levels in nozzle expansions. In a second step, the detailed vibrational model is extended to ionized nitrogen flows, including in particular a detailed modeling of the resonant electronvibration processes. Behind shocks, these processes control the rate of ionization by feeding energy to the electrons, up until the time when the elastic electron-ion exchanges takes over. It is shown that the widely used assumption of equilibrium between the electron and vibration temperatures predicts a too fast relaxation behind shock waves. In nozzle expansions, it is shown that for low electron concentration, the electron temperature is driven by electronvibration processes. Moreover, it is found that electrons are strongly coupled to low vibrational levels, and that more levels are coupled when the electron temperature increases. Coupling of the flow field with radiation is performed using the tangent slab approximation, and it is shown that the population of a metastable and two higher electronic levels are strongly impacted. Finally, the macroscopic model is extended to ionized nitrogen flows and is successfully applied on shock waves with one group of levels and with three groups of levels in nozzle expansions. In particular, the proposed macroscopic model represents more accurately the electron-vibration coupling than the widely used Landau-Teller model.

In optimization problems involving uncertainty, probabilistic constraints are an important tool for defining safety of decisions. In Energy management, many optimization problems have some underlying uncertainty. In particular this is the case of unit commitment problems. In this Thesis, we will investigate probabilistic constraints from a theoretical, algorithmic and applicative point of view. We provide new insights on differentiability of probabilistic constraints and on convexity results of feasible sets. New variants of bundle methods, both of proximal and level type, specially tailored for convex optimization under probabilistic constraints, are given and convergence shown. Both methods explicitly deal with evaluation errors in both the gradient and value of the probabilistic constraint. We also look at two applications from energy management: cascaded reservoir management with uncertainty on inflows and unit commitment with uncertainty on customer load. In both applications uncertainty is dealt with through the use of probabilistic constraints. The presented numerical results seem to indicate the feasibility of solving an optimization problem with a joint probabilistic constraint on a system having up to 200 constraints. This is roughly the order of magnitude needed in the applications. The differentiability results involve probabilistic constraints on uncertain linear and nonlinear inequality systems. In the latter case a convexity structure in the underlying uncertainty vector is required. The uncertainty vector is assumed to have a multivariate Gaussian or Student law. The provided gradient formulae allow for efficient numerical sampling schemes. For probabilistic constraints that can be rewritten through the use of Copulae, we provide new insights on convexity of the feasible set. These results require a generalized concavity structure of the Copulae, the marginal distribution functions of the underlying random vector and of the underlying inequality system. These generalized concavity properties may hold only on specific sets.

The main objective of this thesis is the automatic modeling, understanding and segmentation of diffusively infiltrative tumors known as Diffuse Low-Grade Gliomas. Two approaches exploiting anatomical and spatial prior knowledge have been proposed. We first present the construction of a tumor specific probabilistic atlas describing the tumors' preferential locations in the brain. The proposed atlas constitutes an excellent tool for the study of the mechanisms behind the genesis of the tumors and provides strong spatial cues on where they are expected to appear. The latter characteristic is exploited in a Markov Random Field based segmentation method where the atlas guides the segmentation process as well as characterizes the tumor's preferential location. Second, we introduce a concurrent tumor segmentation and registration with missing correspondences method. The anatomical knowledge introduced by the registration process increases the segmentation quality, while progressively acknowledging the presence of the tumor ensures that the registration is not violated by the missing correspondences without the introduction of a bias. The method is designed as a hierarchical grid-based Markov Random Field model where the segmentation and registration parameters are estimated simultaneously on the grid's control point. The last contribution of this thesis is an uncertainty-driven adaptive sampling approach for such grid-based models in order to ensure precision and accuracy while maintaining robustness and computational efficiency. The potentials of both methods have been demonstrated on a large data-set of heterogeneous Diffuse Low-Grade Gliomas. The proposed methods go beyond the scope of the presented clinical context due to their strong modularity and could easily be adapted to other clinical or computer vision problems.

L'intérêt industriel des composites alumine-zircone ZTA (Zirconia Toughened Alumina) a déjà été largement démontré dans la littérature, notamment pour les applications biomédicales telles que les prothèses orthopédiques. La combinaison du renforcement par transformation de phase de la zircone et de la stabilité de la matrice d'alumine permet de dépasser les propriétés mécaniques des composés monolithiques. La dépendance des propriétés mécaniques vis-à-vis des conditions d'élaboration rend toutefois la production industrielle de tels composites très complexe. Le premier objectif de cette thèse CIFRE, en collaboration avec la société Nanoe et le laboratoire SPMS, est la production de composites alumine-zircone contenant de 2.5 à 50%m de zircone pour ensuite pouvoir les caractériser systématiquement en termes de propriétés microstructurales, structurales et mécaniques, notamment en se concentrant sur les aspects de stabilité de la phase tétragonale de la zircone. La méthode de production industrielle mise au point permet d'obtenir des composites denses à plus de 99% et présentant des microstructures fines et homogènes. Les tailles de grains des deux matériaux dans le composite sont dépendantes de sa composition en zircone mais indépendantes du taux de stabilisant dans la zircone. La comparaison des propriétés microstructurales aux résultats structuraux et mécaniques nous a permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes. Hormis la variation de taille de grain et de macro-contraintes due à la différence de coefficients de dilatation thermique, l'alumine est relativement insensible à l'effet du composite. Le contrôle de la stabilité de la phase tétragonale dans les composites nécessite la prise en compte de multiples phénomènes à différentes échelles. À l'échelle de la maille, le premier effet bien connu est celui du dopage par l'oxyde d'yttrium qui stabilise la phase tétragonale. Nous avons mis un autre effet en évidence : les macro-tensions appliquées par la matrice d'alumine déstabilisent la maille tétragonale. Pourtant la rétention de la phase tétragonale de la zircone pure dans la matrice d'alumine est rendue possible par l'effet d'inhibiteur de croissance et la rigidité de l'alumine. La matrice d'alumine stabilise donc la phase tétragonale à l'échelle du grain. Cette observation nous a notamment permis de déterminer la taille critique de transformation spontanée de la zircone pure dans les composites alumine-zircone qui est comprise entre 250 et 310nm. De la même manière, l'absence de vieillissement pour les composites contenant moins de 40%m de zircone nous indique que la taille critique de vieillissement de la zircone dopée à 3%mol d'oxyde d'yttrium est comprise entre 310 et 360nm dans le composite. Il faut donc maîtriser chacun de ses effets pour obtenir à la fois le renforcement par transformation le plus efficace et la meilleure résistance au vieillissement. D'après notre étude, cet optimum se situe entre 1 et 2%mol d'oxyde d'yttrium pour des ZTA présentant une taille de grain de zircone inférieure à 300nm.

In this Ph.D. thesis, we have carried out 2D numerical simulations to study the influence of dielectric surfaces on the propagation dynamics of plasma discharges at atmospheric pressure. First we have improved the computational efficiency of the discharge code used in this work in implementing parallelization techniques and more efficient numerical schemes. Second we have studied the dynamics of an air discharge at atmospheric pressure in a point-to-plane geometry with a dielectric layer on the cathode plane. Then, we have studied the influence of a dielectric layer obstacle in the inter-electrode gap. We have shown that depending on the characteristics of the dielectric layer and the amplitude and polarity of the applied voltage, a second discharge may reignite or not below the dielectric in the second air gap. The comparison of simulation results with experiments has shown that in a point-to-plane geometry with a sharp point and a high over-voltage, a single conical discharge structure is observed. A good agreement on the discharge diameter and propagation velocity has been obtained. With a dielectric obstacle in the gap, the simulated reignition dynamics is faster than in the experiments. To improve the agreement, we have studied the influence of several physico-chemical processes. Finally, we have studied the dynamics of discharges in dielectric tubes at atmospheric pressure. For a He -N2 mixture, we have put forward the importance of three body reactions. Last, the influence of the tube radius on the structure of discharges in He - N2 and air is discussed.

During the last decades, the localized failure of massive structures under thermo-mechanical loads becomes the main interest in civil engineering due to a number of construction damaged and collapsed due to fire accident. Two central questions were carried out concerning the theoretical aspect and the solution aspect of the problem. In the theoretical aspect, the central problem is to introduce a thermo-mechanical model capable of modeling the interaction between these two physical effects, especially in localized failure. Particularly, we have to find the answer to the question: how mechanical loading affect the temperature of the material and inversely, how thermal loading result in the mechanical response of the structure. This question becomes more difficult when considering the localized failure zone, where the classical continuum mechanics theory can not be applied due to the discontinuity in the displacement field and, as will be proved in this thesis, in the heat flow. In terms of solution aspect, as this multi-physical problem is mathematical represented by a differential system, it can not be solved by an 'exact' analytical solution and therefore, numerical approximation solution should be carried out. This thesis contributes in both two aspects. Particularly, thermomechanical models for both steel and concrete (the two most important materials in civil engineering), which capable of controling the hardening behavior due to plasticity and/or damage and also the softening behavior due to the localized failure, are carried out and discussed. Then, the thermomechanical problems are solved by 'adiabatic' operator split procedure, which 'separates' the multi-physical process into the 'mechanical' part and the 'thermal' part. Each part is solved individually by another operator split procedure in the frame-work of embbed-discontinuity finite element method. In which, the 'local' discontinuities of the displacement field and the heat flow is solved in the element level, for each element where localized failure is detected. Then, these discontinuities are brought into the 'static condensation' form of the overall equilibrium equation, which is used to solved the displacement field and the temperature field of the structure at the global level. The thesis also contributes to determine the ultimate response of a reinforced concrete frame submitted to fire loading. In which, we take into account not only the degradation of material properties due to temperature but also the thermal effect in identifying the total response of the structure. Moreover, in the proposed method, the shear failure is also considered along with the bending failure in forming the overal failure of the reinforced structure. The thesis can also be extended and completed to solve the behavior of reinforced concrete in 2D or 3D case considering the behavior bond interface or to take into account other type of failures in material such as fatigue or buckling. The proposed models can also be improved to determine the dynamic response of the structure when subjected to earthquake and/or impact.

Lors de l'élaboration de pièces métalliques de grandes dimensions, la présence interne de pores est habituellement observée. Ces défauts internes sont généralement refermés lors des premières passes de transformation à chaud. Il y a cependant à l'heure actuelle un manque de connaissance sur les mécanismes mis en jeu lors de cette refermeture, et par conséquent aucune prédiction précise possible et un taux de rebut assez important. Le travail présenté dans ce manuscrit vise à mieux comprendre les mécanismes de refermeture en identifiant les paramètres procédés, matériaux et morphologiques clés lors de la refermeture. Ce travail s'est déroulé dans le cadre d'un consortium industriel impliquant six partenaires. La problématique industrielle est donc particulièrement variée en termes de matériaux, de procédés et d'états initiaux de pores.Une étude approfondie des modèles existants dans la littérature est d'abord présentée. Les deux familles d'approches utilisées sont discutées : l'approche explicite en champ complet, et l'approche micro-analytique. Il est montré que ces deux approches ne sont pas suffisantes pour établir un modèle de prédiction dont la précision réponde aux enjeux industriels.Une nouvelle approche est donc proposée dans cette thèse à l'échelle mésoscopique. Les mécanismes de refermeture sont étudiés à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif (VER), permettant une description 3D particulièrement précise des mécanismes locaux, tout en appliquant des conditions aux limites représentatives des états mécaniques mis en jeu à l'échelle macroscopique.Les mécanismes locaux ont été étudiés au moyen d'une vaste campagne de simulations éléments-finis 3D à l'échelle d'un VER. Les paramètres étudiés sont : les paramètres matériaux, la morphologie du pore, et le chargement thermomécanique subit durant la déformation. L'étude a montré que la morphologie et l'état de contraintes sont de premier ordre sur le comportement en refermeture, et que les paramètres matériaux sont de second ordre. Les influences des paramètres de premier ordre ont ensuite été quantifiées afin de proposer un modèle de prédiction de refermeture robuste. La morphologie du pore est exprimée par le biais de ses dimensions équivalentes (rapports d'élongations tridimensionnels) et de son orientation par rapport à la direction principale de déformation. L'état de contraintes est exprimé par le taux de triaxialité des contraintes.Le modèle a finalement été implémenté dans un code éléments finis de mise en forme et une validation sur cas industriels est présentée afin d'évaluer les bénéfices obtenus par ce nouveau modèle par rapport aux modèles de la littérature. Une validation expérimentale a également été menée par le biais d'essais d'écrasements d'échantillons poreux dont l'état de porosité a été mesuré par micro-tomographie aux rayons X avant et après les essais.

Actuellement, le secteur des nanotechnologies est en développement intense. Les nanoparticules de dioxyde de titane et d¿or occupent une part importante de ce secteur, avec des applications utilisant principalement leurs propriétés optiques et catalytiques. Les synergies pouvant exister entre les nanoparticules d¿or et leur support, en particulier via l¿effet plasmon, permettent de modifier la réponse optique de dispositifs catalytiques ou photovoltaïques. Une nouvelle technique polyvalente de mise en forme de film mésoporeux à base de nanoparticules de dioxyde de titane et d¿or a été développée. L¿utilisation de différentes méthodes de synthèse des nanoparticules a permis le contrôle de la morphologie et des propriétés physiques des films déposés par centrifugation. Finalement, l¿adéquation de ces films à leur utilisation en tant qu¿anode de cellules solaires à colorant a été évaluée.

Some industrial applications require deterministic and bounded gathering delays. We focus on the joint time slots and channel assignment that minimizes the time of data collection and provides conflict-free schedules. This assignment allows nodes to sleep in any slot where they are not involved in transmissions. Hence, these schedules save the energy budjet of sensors. We calculate the minimum number of time slots needed to complete raw data convergecast for a sink equipped with multiple radio interfaces and heterogeneous nodes traffic. We also give optimal schedules that achieve the optimal bounds. We then propose MODESA, a centralized joint slots and channels assignment algorithm. We prove the optimality of MODESA in specific topologies. Through simulations, we show that MODESA is better than TMCP, a centralized subtree based scheduling algorithm. We improve MODESA with different strategies for channels allocation. In addition, we show that the use of a multi-path routing reduces the time of data collection .Nevertheless, the joint time slot and channels assignment must be able to adapt to changing traffic demands of the nodes ( alarms, additional requests for temporary traffic ) . We propose AMSA , an adaptive joint time slots and channel assignment based on incremental technical solution. To address the issue of scalability, we propose, WAVE, a distributed scheduling algorithm for convergecat that operates in centralized or distributed mode. We show the equivalence of schedules provided by the two modes.

L'amélioration de la performance des turbomachines fonctionnant loin de leur point d'adaptation passe par la maîtrise des phénomènes instationnaires qui se produisent dans ces différents organes. L'étude présentée ici se concentre sur les interactions entre une roue de ventilateur centrifuge et son diffuseur. Elle vise, par des mesures de pression sur les différentes parois du diffuseur, ainsi que par des sondages dans les canaux inter-aubages à analyser finement ces phénomènes instationnaires et notamment les décollements fluctuants apparaissant sur les aubes à sur débit, et à mesurer leur influence sur la performance du diffuseur. Dans un second temps, un dispositif de contrôle passif de ces décollements utilisant des générateurs de vortex est proposé. Plusieurs configurations sont testés et leurs résultats sont comparés