Dans le contexte actuel, pour diminuer la consommation de fuel et les émissions de polluants comme le CO2 ou les NOx, les chambres de combustion aéronautiques de nouvelle génération sont basées sur la combustion partiellement prémélangée pauvre. La simulation numérique de ce type de chambre nécessite de prédire avec précision la température, la dynamique de flamme et la formation de polluants. Comme l'écoulement est fortement instationnaire, l'utilisation de la simulation aux grandes échelles s'avère nécessaire. C'est dans ce contexte que nous avons développé le modèle F-TACLES (Filtered Tabulated Chemistry for Large Eddy Simulation). Ce modèle se base sur un filtrage a priori de flammelettes calculées en prenant en compte les effets liés à la chimie détaillée. Il permet alors d'améliorer la prédiction des polluants et de la température tout en prenant en compte les contributions résolues et de sous maille de plissement, garantissant ainsi la bonne prédiction de la vitesse de propagation de la flamme. F-TACLES est appliqué à deux configurations d'injecteurs industriels étudiés expérimentalement : les chambres PRECCINSTA et MOLECULES. Sur le plan de la prédiction de la dynamique de flamme, le développement de F-TACLES a induit une réflexion plus générale sur la combustion en LES. En effet, l'ensemble des méthodes de simulation de la combustion introduisent un épaississement artificiel de la flamme afin de pouvoir la résoudre sur le maillage de calcul. L'impact de cet épaississement est étudié pour les approches TFLES (Thicken Flame for Large Eddy Simulation) et F-TACLES dans le cadre simplifié de la combustion prémélangée. Pour cela, une approche analytique ainsi que des simulations laminaires et turbulentes sont réalisées et comparées à des simulations directes (Direct Numerical Simulation) et à des données expérimentales. Pour finir, la chambre de combustion d'un hélicoptère est simulée avec l'approche F-TACLES pour reproduire et comprendre l'effet d'une modification géométrique observée expérimentalement.

L'industrie de la microélectronique est en perpétuelle évolution, surtout concernant la diminution des dimensions des composants. Ainsi, pour les nouvelles générations de mémoires non volatiles Flash, le poly-silicium de la grille flottante pourrait être remplacé par des nanoplots discrets de silicium. L'élaboration de ces nanoplots par LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) à partir de silane SiH4 sur un substrat amorphe SiO2 demeure l'une des voies privilégiées par l'industrie. Le fonctionnement de ce type de mémoires est fortement dépendant des conditions de synthèse des nanoplots de silicium. Ce travail de cette thèse visait donc à améliorer la compréhension des mécanismes de nucléation et de croissance en jeu. Nous avons étudié les premiers instants de la nucléation en chimie quantique, grâce à l'utilisation de la théorie DFT, en considérant l'oxyde de silicium comme surface de dépôt. Des lois cinétiques intrinsèques ont été tirées de ces résultats DFT et elles ont été implémentées dans un modèle de simulation à l'échelle du procédé industriel, sur la base du code de CFD Fluent. Pour la nucléation, il est apparu que seul le silylène, SiH2, peut se chimisorber à la surface du substrat. De plus, sa faible concentration et la première désorption de H2, qui est très lente, expliquent le temps d'incubation. Pour la croissance, le caractère auto-catalytique des dépôts a été expliqué par la contribution très forte du silane au dépôt dès la seconde chimisorption. L'étape limitant la croissance est clairement la désorption de H2. La réalisation d'essais expérimentaux et la comparaison avec le modèle multi-échelles issu de notre travail a permis d'expliquer pourquoi les cinétiques classiques de la littérature surestiment la vitesse de dépôt des nanoplots. Il est aussi apparu que la vitesse de dépôt du silicium sur des nanoplots en croissance est plus forte que celle d'un film de silicium continu « épais ». La prise en compte des sites de chimisorption lors des premiers instants et la description détaillée de la désorption de H2 sont des paramètres clés pour rendre compte du comportement des dépôts de nanoplots de silicium. / The need of high integrated systems of the everyday life involves a permanent evolution of the microelectronic industry. Integrated circuits involving non volatile Flash memories are good examples of these trends. In this technology, the poly-silicon floating gate could be replaced by a discrete trap floating gate in which discrete traps are made up of silicon nanodots. The synthesis of nanodots by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) from silane SiH4 on SiO2 surfaces remains one of the most promising ways of industrial synthesis. Despite a huge experimental effort, fundamental understanding of the key mechanisms of nanodots nucleation and growth remains elusive. Here we find the main objectives of the thesis. For nucleation, our main results reveal that only silylene SiH2 is involved in the very first steps of nucleation. The incubation time experimentally observed can be explained by the low SiH2 concentration and the first slow H2 desorption process. For growth, silane is the main responsible for deposition, which explains the autocatalytic behaviour of silicon deposition. The growth limiting step is clearly the H2 desorption process. Comparisons between experimental and multiscale modelling allow to explain why classical kinetics of the literature overestimate nanodots deposition rate. We have found that the silicon deposition rate is higher on nanometer silicon dots than on a continuous silicon film. Key parameters to conveniently model nanodots deposition are good descriptions of the first chemisorption sites and of the H2 desorption process.

Les agrégats multi-échelles (sulfure de zinc: ZnS, ...) ont des propriétés physiques et physicochimiques présentant un grand intérêt industriel (industrie pharmaceutique, matériau, environnement...). L'objectif général de cette thèse est de caractériser ces agrégats multi-échelles par une méthode optique d'une part, et par une étude géométrique d'autre part. Le but est de trouver des relations simples entre propriétés optiques et géométriques. Les résultats présentés sont valables pour tout matériau à haut indice de réfraction.Ce travail comporte une première étape de modélisation en étudiant tout d'abord des modèles simples d'agrégats multi-échelles (agencement ordonné de particules élémentaires sphériques). Différents agrégats sont alors géométriquement modélisés suivant des paramètres de construction prédéfinis (volume global des agrégats, rayon des particules primaires...). Une analyse préliminaire optique puis une analyse géométrique sont alors effectuées afin de déterminer les paramètres respectifs à étudier: la section efficace moyenne de diffusion (...), calculée au moyen d'une extension de la théorie de Mie (GMM pour Generalized Multiparticle Mie) d'Y-L Xu, et des caractéristiques géométriques spécifiques (volume de matière, compacité...).Une seconde étape consiste à étudier les variations de la valeur de ... en fonction de celles des paramètres géométriques des agrégats. Des relations caractérisant ces variations sont établies. Enfin, une expression approchées pour la valeur de ... est recherchée sous la forme d'une loi de puissance, reposant sur des méthodes optiques approchées existantes et sur la sélection de caractéristiques géométriques pertinentes. Le modèle mis en place est robuste et présente un compromis entre précision et complexité. Le travail réalisé ouvre diverses perspectives comme la confrontation du modèle mathématique théorique obtenu, avec l'expérience. / Multiscale aggregates (zinc sulfide: ZnS, ...) havephysical and physicochemical properties of great industrial interest (e.g. pharmaceutical industriy, material, environment). The overall objective of this thesis is to characterize these multiscale aggregates by an optical method on the one hand, and a geometric study of the other. The goal is to find simple relations between optical and geometrical properties. The results presented are valid for any material with high refractive index.The first step of this work is to build in a simple way the multiscale aggregate (like ordered arrangement of spherical elementary particles). Different aggregates are then geometrically modeled thanks to predefined design parameters (e.g. particles radius, aggregates overall volume). A preleminary analysis of optical and geometrical analysis is then performed to determine the relevant parameters: the average scattering cross section (...), calculed using a generalization of the Mie theory (GMM for Generalized Multiparticle Mie) developped by Y.L. Xu, and specific geometric values features. An analysis of the behavior of the optical parameter and the geometrical characteristic (e.g. compactness, volume of matter...), with respect to the construction parameters of the aggregates, is then performed.A second step is to study variations of ... value versus the variation of the geometrical parameter of aggregates. Mathematical relations characterizing these variations are established. Finally, a study on the approximation of the ... value is carried out. A power law is proposed which is basedon previous optical approximate methods and on the selection of geometrical characteristics of the aggregates. The optical properties and geometrical characteristics of the clusters are fairly extensive and contrasted to give a general groundwork to this study. The work done opens various perspectives such as the confrontation of the theorical mathematical model obtained, with experiment.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'évolution sédimentaire des milieux lagunaires est un phénomène complexe faisant intervenir à la fois des processus intenses sur le court terme (crues, tempêtes) et des processus plus lents sur le long terme (variations du niveau marin moyen, changements climatiques). Si les mécanismes généraux de ces phénomènes sont bien connus, leur variabilité spatiale et temporelle les rends difficiles à estimer au niveau local. La grande diversité des milieux lagunaires et l'influence des actions anthropiques rendent plus hasardeuse encore cette estimation. Dans cette étude, je me suis intéressé au cas du système lagunaire méditerranéen des « étangs Palavasiens, étang de l'Or, canal du Rhône à Sète » situé dans le Golfe du Lion (Sud de la France). L'utilisation d'une approche pluridisciplinaire a permis d'évaluer la dynamique sédimentaire sur des échelles de temps multiples. Sur les deux derniers siècles, le comblement du système lagunaire a pu être estimé à la vitesse moyenne de 1,3 mm.an-1 à travers l'utilisation conjointe de données géographiques historiques et d'analyses géochronologiques (210Pb, 137Cs). Une perte de surface imputable pour moitié aux aménagements anthropiques est également mise en avant au cours du XXème siècle. Une campagne de mesures haute fréquence de la dynamique hydro-sédimentaire a été menée à court-terme (2 ans). Elle a permis de déterminer l'influence des conditions de forçages physiques sur les processus internes (érosion, remise en suspension, dépôt). Les seuils caractéristiques tels que la tension critique d'érosion ont pu être estimés et reliés aux conditions météorologiques. Le bilan net sur les stations suivies durant cette période montre une perte de sédiment. Ce bilan opposé aux estimations historiques sur les mêmes secteurs est probablement en lien avec les conditions d'apports réduites durant la période investiguée. L'adaptation d'un modèle numérique sur la zone d'étude a été entreprise afin de préciser cette dynamique sur une plus large échelle spatiale et temporelle. / The sedimentary evolution of coastal lagoons is a complex phenomenon involving both short term extreme processes (floods, storms) and long term processes (mean sea level variations, climate change). If general mechanisms of these phenomena are well known, their spatial and temporal variability makes them difficult to assess at the local scale. The diversity of lagoonal environments and human influence makes this even more risky. I have focussed this study on the case of a Mediterranean lagoon system : “Palavasian lagoons, Or lagoon, and Rhône-Sète waterway” which is located in the Gulf of Lion (South of France). A multidisciplinary approach was used to assess sediment dynamics on multiple time scales. An average filling rate of 1.3 mm.year-1 over the two last centuries was assessed using a both historical maps and geochronology (210Pb, 137Cs). An area loss due for half to anthropogenic impacts was also highlighted in the twentieth century. A short term (2 years) and high frequency monitoring of in situ hydro-sedimentary dynamics was performed to determine the influence of physical forcing over internal processes (erosion, resuspension, deposition). The main characteristics thresholds were estimated and related to weather conditions. The observed net balance during this monitoring shows a loss of sediment. This assessment, opposite of historical trends, is probably related to the conditions of reduced river contribution. The implementation of a numerical model is going on in order to explain the dynamics on a larger spatial and temporal scales.

Les procédés par infusion de résine consistant à infuser une résine liquide à travers un empilement de préformes fibreuses sous l’action d’une pression extérieure ap-pliquée à cet empilement. Un drainant peut être utilisé pour créer un lit de résine sur ou sous cet empilement fibreux. Ces procédés sont utilisés pour fabriquer des pièces minces utilisées dans l’aéronautique par exemple. Les caractéristiques physiques et mécaniques des pièces obtenues sont difficiles à prévoir et à contrôler. La simulation numérique peut donc aider à la maîtrise de ces procédés. Dans ce travail, un modèle numérique éléments finis est proposé pour simuler les procédés par infusion de résine. L’écoulement de la résine, considérée comme un fluide Newtonien incompressible, est décrit par les équations de Stokes dans le drainant (milieu très perméable), et par les équations de Darcy dans les préformes fibreuses (milieu faiblement perméable). Ce couplage Stokes - Darcyest réalisé par une approche monolithique, consistant à utiliser un seul maillage pour les deux milieux. La formulation mixte en vitesse - pression, est alors discrétisée par des éléments finis linéaire - linéaire, et stabilisée par une méthode multiéchelle dite "ASGS". L’interface entre Stokes et Darcy et le front de la résine sont chacun représentés par une fonction "Level-Set", et des conditions de couplage sont imposées sur l’interface qui sépare les deux milieux. Au cours du procédé, les préformes subissent de grandes déformations, que ce soit durant la phase de compaction, ou durant l’infusion de la résine. La pression de la résine fait alors gonfler les préformes. Les déformations des préformes sont traitées par une formulation Lagrangienne réactualisée établie en grandes déformations. Les préformes sèches ont un comportement élastique non linéaire, donné dans le sens transverse par l’expérience. L’effet de la résine sur les préformes humides est représenté par le modèle de Terzaghi. Lorsque les préformes se déforment, leur porosité et donc la perméabilité du milieu varient, affectant ainsi l’écoulement. La formule de Carman-Kozeny est utilisée pour relier porosité et perméabilité. Après avoir validé le couplage Stokes - Darcy par de nombreux cas tests et par la méthode des solutions manufacturées, diverses simulations 2D et 3D de procédés par infusion de résine sont présentées, incluant la déformation des préformes. Des comparaisons sont finalement faites avec succès entre simulation numérique et résultats expérimentaux dans un cas de géométrie simple. Des extensions à des cas tridimensionnels présentant des courbures et des variations d’inertie sont proposées en guise de perspectives. / Resin infusion-based processes are good candidates for manufacturing thin composite materials parts such as those used in aeronautics for instance. These processes consist in infusing a liquid resin into a stacking of fibrous preforms under the action of a mechanical pressure field applied onto this stacking where a stiff- distribution medium is also placed to create a resin feeding. Both physical and mechanical properties of the final pieces are rather difficult to predict and control. Numerical simulation are perfectly suited to master these processes. In the present work a numerical finite element modeling framework is proposed to simulate infusion processes. The flow of the assumed Newtonian resin is described in the distribution medium, a highly porous medium, through Stokes’ equations and through Darcy’s equations in the fibrous preforms, very low permeability media. This coupled Stokes-Darcy flow is modeled in a monolithic approach which consists in using a single mesh for both media. The mixed velocity- pressure formulation is then discretized by linear-linear finite elements, stabilized by a so-called ASGS multi-scale approach. Both Stokes-Darcy interface and fluid front are represented individually thanks to "Level-Set" functions, and some specific coupling conditions are prescribed on the interface separating both fluid and porous media. During the process, orthotropic preforms undergo finite strains, either during the compaction stage when resin is not yet present, or during resin infusion. Resin pressure then tends to make the preforms swell. Preforms deformations are represented through an updated Lagrangian formulation for finite deformations. Dry preforms possess a non-linear elastic behaviour in their transverse direction - across their thickness- given by existing experimental measurements. The effect of the presence of resin in the wet preforms is accounted for using a Terzaghi’s equivalent model. Also, when preforms deform their porosity will change, and so will their permeability, modifying the resin flow. A Carman-Kozeny model is then used to relate porosity and permeability. After the Stokes-Darcy coupling is validated both on numerous tests cases and using the method of manufactured solutions, various 2D and 3D simulations of injection and infusion-based processes are analyzed.The latter includ- ing preform deformations along with resin flow. Comparisons with existing experimental measurements permit to validate the approach on a simple geometry. Last, some ex- tensions to more complex 3D cases are proposed as outlooks, including curvatures and thickness variations.

Certaines applications industrielles nécessitent des niveaux d’étanchéité exceptionnels pour permettre la réalisation d’un vide poussé ou pour répondre à des enjeux de sécurité radiologique par exemple. Ces niveaux de haute étanchéité statique sur des assemblages démontables sont obtenus à l’aide de joints entièrement métalliques. La fuite résultante de l’assemblage n’est due qu’à la persistance d’un champ des ouvertures à l’interface entre le joint d’étanchéité et la bride d’assemblage, conséquence d’un contact imparfait entre les deux surfaces rugueuses. Le champ des ouvertures à l’interface de contact est assimilable à une fracture rugueuse hétérogène, de nature multi-échelle, et peut en principe être obtenu par un calcul de déformations mécaniques préalable. Dans ce travail, on s’intéressera plus particulièrement à l’écoulement gazeux raréfié dans le régime glissant au sein de cette fracture. Pour les régimes modérément raréfiés,l’écoulement est modélisé par l’équation de Reynolds faiblement compressible avec correction de glissement de premier ordre aux parois que l’on développe. On effectue ensuite un changement d’échelle par la méthode de la prise de moyenne volumique, permettant d’établir un modèle macroscopique d’écoulement à l’échelle d’un élément représentatif, où le débit massique est relié au gradient de pression via le tenseur de transmissivité. Celui-ci, caractéristique de l’élément représentatif de fracture, est calculé par résolution d’un problème de fermeture et est dépendant de la microstructure ainsi que du libre parcours moyen représentatif sur l’élément. Pour remonter à l’écoulement dans l’ensemble de la fracture, hétérogène à cette échelle, celle-ci est subdiviséeen pavés sur chacun desquels est calculé un tenseur de transmissivité local par la méthode sus-citée. Ensuite, l’écoulement dans ce champ de tenseurs est résolu par une méthode des éléments finis de frontière, donnant la transmissivité apparente glissante du joint dans son ensemble. Cette approche à deux échelles, vue comme outil d’aide à la conception, permet une réduction de la complexité de calcul par rapport à une simulation directe, rendant possible une analyse plus efficace du comportement d’un système d’étanchéité. Pour valider l’utilisation du modèle de glissement d’un point de vue macroscopique et s’affranchir des incertitudes sur le calcul de déformation mécanique, des puces nanofluidiques de type réseau hétérogène de canaux droits sont fabriquées par photolithographie par niveaux de gris. Des essais expérimentaux de mesure de fuite sont réalisés sur ces géométries modèles, représentant des joints idéalisés. Ces essais sont effectués en appliquant une forte différence de pression d’hélium par utilisation d’un spectromètre de masse mesurant la fuite, produisant une condition de vide en sortie de puce.Selon les puces, les régimes de raréfaction atteints vont alors du régime glissant au régime moléculaire. Le débit de fuite mesuré est alors supérieur à celui prédit par le modèle de premier ordre, l’écart restant inférieur à un ordre de grandeur quel que soit le régime

Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés aéroacoustiques de jets supersoniques impactant une paroi par simulation des grandes échelles. Ces simulations sont réalisées à partir des équations de Navier-Stokes 3-D instationnaires compressibles exprimées pour des coordonnées cartésiennes ou cylindriques. Afin de résoudre ces équations, des schémas numériques de différenciation spatiale et d'intégration temporelle peu dispersifs et peu dissipatifs sont utilisés. Les écoulements étudiés étant supersoniques, une procédure de capture de choc est également implémentée afin de supprimer les oscillations de Gibbs de part et d'autre des chocs.Dans un premier temps, un jet rond libre et quatre jets ronds impactant une paroi avec un angle de 90 degrés sont simulés sur des maillages cylindriques. Ces jets sont supersoniques, sous-détendus, et sont caractérisés par un nombre de Reynolds calculé à partir du diamètre du jet de Re=60.000, et par un nombre de Mach parfaitement détendu de Mj=1.56. Les résultats du jet libre sont tout d'abord présentés. Ils sont comparés aux résultats de plusieurs études expérimentales et de modèles afin de valider l'approche numérique utilisée. Notamment, les différentes composantes acoustiques spécifiques aux jets sous-détendus comme le bruit de choc large-bande et le bruit de screech sont observées et analysées. Les résultats obtenus pour les quatre jets impactant une paroi sont ensuite examinés. Dans ce cas, la présence d'une boucle de rétroaction aéroacoustique entre les lèvres de la buse et la paroi est montrée. Pour finir, le comportement aérodynamique et aéroacoustique des jets est étudié, et comparé à différentes études numériques et expérimentales de la littérature. Quatre jets plans supersoniques idéalement détendus impactant une paroi avec un angle de 90 degrés sont ensuite calculés. Ils ont un nombre de Reynolds évalué à partir de la hauteur de la buse de Re=50.000 et un nombre de Mach de Mj=1.28. Une boucle de rétroaction aéroacoustique entre la buse et la paroi est de nouveau mise en évidence. Une combinaison de modèles associant un modèle d'onde stationnaire aérodynamique-acoustique et un modèle de stabilité de jet plan 2-D avec des couches de mélange infiniment minces est alors proposée. Ce modèle permet de déterminer à la fois les fréquences les plus probables de la boucle de rétroaction aéroacoustique et leurs natures plane ou sinueuse.Enfin, les simulations de deux jets plans supersoniques impactant une paroi avec des angles de 60 et 75 degrés sont réalisées grâce à l'utilisation de deux maillages cartésiens, par une méthode de recouvrement de maillages. Les modifications des propriétés de la boucle de rétroaction aéroacoustique lorsque l'angle d'impact dévie de 90 degrés sont ainsi étudiées. / In this PhD work, supersonic impinging jets are simulated using large-eddy simulation in order to investigate their aerodynamic and acoustic fields. In practice, the unsteady compressible Navier-Stokes equations are solved on Cartesian or cylindrical meshes. Low-dissipation and low-dispersion numerical methods are used for spatial differentiation and time integration. As the jets are supersonic, a shock-capturing filtering is also applied in order to avoid Gibbs oscillations near shocks.A free round jet and four round jets impinging normally on a flat plate are first simulated on cylindrical meshes. They are underexpanded, and have a Reynolds number based on the nozzle diameter of Re=60.000 and a fully expanded Mach number of Mj=1.56. The results for the free jet are first presented. They are compared with experimental results and predictions given by models in order to validate the numerical setup. Acoustic components specific to underexpanded jets such as broadband shock-associated noise and screech noise are obtained. The results for the four impinging jets are then examined. An aeroacoustic feedback mechanism establishing between the nozzle lips and the flat plate is found to generate tones. Finally, the flow and acoustic properties of the jets are studied and compared with numerical and experimental data.Four ideally expanded jets impinging normally on a flat plate are then simulated. They have a Reynolds number based on the nozzle height of Re=50.000 and a Mach number of Mj=1.28. An aeroacoustic feedback mechanism is again observed between the nozzle lips and the flat plate. A combination of models based on an aeroacoustic feedback model and a vortex sheet model of the jet is then proposed. The model appears able to predict the most likely tone frequencies of the feedback mechanism, and the symmetric or antisymmetric nature of the corresponding jet oscillation.Finally, two ideally expanded jets impinging on a flat plate with angles between the jet direction and the plate of 60 and 75 degrees are simulated using two Cartesian meshes. The effects of the angle of impact on the properties of the aeroacoustic feedback mechanism are finally studied.

La pose d’une Prothèse Totale de Hanche est l’une des chirurgies orthopédiques les plus pratiquées, et représente un enjeu économique et de santé publique majeur. Ainsi, il est essentiel de comprendre le comportement mécanique de l’os et sa réaction à la suite d’une telle chirurgie. La simulation numérique joue un rôle intéressant dans cette perspective, permettant la reproduction et l’analyse de la réponse osseuse aux stimulus externes. L’os est un matériau complexe présentant une structure hiérarchique et poreuse, et une capacité naturelle d’adaptation structurelle grâce à des cellules spécifiques sensibles aux mouvements de fluide. Basé sur ces caractéristiques, un modèle multi-échelle a été développé au cours de cette thèse dans le but de modéliser la réponse de l’os soumis à des sollicitations mécaniques externes. Le modèle développé repose sur la méthode d’homogénéisation pour les structures périodiques basé sur un développement asymptotique. Il simule l’os cortical comme une structure homogène, composé d’une microstructure périodique, d’une porosité de 5%, saturé de fluide interstitiel qui suit dans ce cas la loi de Darcy. La première application du modèle développé est un cas d’étude, consistant en un volume d’os chargé en compression, permettant la détermination d’une raideur poroélastique équivalente. En considérant principalement deux cas extrêmes de conditions aux limites en fluide, l’analyse de la réponse structurelle correspondante permet d’avoir un aperçu de la contribution du fluide dans le comportement mécanique d’un tel matériau, et en particulier de sa raideur équivalente. Ce paramètre est soit réduit (lorsque le fluide peut sortir de la structure), soit augmenté (lorsque le fluide est confiné dans la structure). Pour valider ce modèle, une étude numérique et expérimentale sont proposées. La validation numérique permet l’estimation de la pertinence du modèle en faisant varier certains paramètres d’entrée comme les propriétés matériaux ou les conditions aux limites. Puis, une validation expérimentale est mise en place. En comparaison, des données issues d’un échantillon d’os trabéculaire de hanche mis en compression sont utilisées. La raideur équivalente de l’échantillon est calculée et comparée à celle obtenue expérimentalement. Les courbes obtenues présentent des résultats similaires et permettent d’attester de la validité du modèle compte tenu des circonstances d’essais. Ainsi, le modèle numérique développé, s’inscrit dans l’objectif de fournir un modèle bio-fidèle de l’os, afin de déterminer les paramètres critiques permettant d’avoir une influence sur le remodelage osseux. En prévision de l’élaboration et de la production de nouvelles générations de prothèses, ce modèle numérique d’os présente à la fois le compromis intéressant de la pertinence scientifique sans requérir des ressources numériques excessives, nécessaires à son application en tant qu’outil de prévision pré-opératoire. / Total Hip Arthroplasty is nowadays one of the most performed orthopedic surgery and is representing a major health and economic issue. Thus, it is essential to provide a better understanding of bone mechanical behavior and its reaction to the implantation of a device such as a hip prosthesis. Numerical simulation plays a key role on this challenge, allowing for the reproduction and analysis of the bone response to the external stimuli. Bone is a complex material showing a hierarchical and porous structure, and natural ability to remodel itself thanks to specific cells, which are sensitive to fluid flows. Based on these characteristics, a multiscale numerical model has been developed in order to simulate the bone response under external mechanical solicitations. The developed model relies on the homogenization technique for periodic structures based on an asymptotic expansion. It simulates cortical bone as a homogeneous structure. It is constituted of a porous microstructure with a 5% saturated with bone fluid, which, in the considered conditions, follows the Darcy’s law. The first application of the developed model is a case study, consisting in the loading of a finite volume of bone, allowing for the determination of an equivalent poroelastic stiffness. Focusing on two extreme fluid boundary conditions, the analysis of the corresponding structural response provides an overview of the fluid contribution to the poroelastic behavior, impacting the equivalent stiffness of the considered material. This parameter is either reduced (when the fluid can flow out of the structure) or increased (when the fluid is confined the structure). To validate the developed model, both numerical and experimental validation are proposed. The numerical validation consists in the estimation of the model accuracy when varying parameters such as material properties or boundary conditions. Then, an experimental validation is set up. As a reference case, a previous work on a cubic trabecular bone sample, extracted from a human hip and put under a compressive load, has been used. Increasing the load applied on the top of the bone specimen, the displacement is extracted, allowing the computation of the equivalent strain-stress curve. The equivalent stiffness of the bone specimen, calculated numerically by the developed numerical tool, is then compared with the one from the experiments. A good agreement between the curves attests the validity of the developed numerical model, accounting for both the solid matrix and fluid contributions. The presented poroelastic numerical, is here developed in the perspective of providing a bio-reliable model of bones, to determine the critical parameters that might impact bone remodeling. Towards the design and manufacturing of new generation of prosthesis, this bone model shows both accuracy and ease of computation, which will be required for its application as a preoperative or design tool.

La dentine est l’un des principaux éléments constitutifs de la dent humaine. Elle montre une structure hiérarchique. A l’échelle microscopique, la dentine est composée de tubules (porosité naturelle du tissu), de dentine péritubulaire et de dentine intertubulaire.L’organisation de ces structures détermine fortement ses propriétés mécaniques. La connaissance de sa structure, de ses propriétés mécaniques et de ses déformations dues aux variations de l’environnement extérieur peuvent être utiles afin d’améliorer les protocoles de restauration de la dentine. Dans ce travail, quatre techniques d’observation (µCT, microscope optique, ESEM et microscope confocal) ont été explorées et comparées. En particulier, la microscopie confocale a été utilisée afin de visualiser en 3D le réseau poreux dentinaire. Comparée à l’observation 2D, elle permet d’obtenir des informations supplémentaires. Par example, les tubules montrent des structures en arbre plus complexes près de l’email que la forme en Y déduite des observations 2D. Ces résultats peuvent également nous fournir des données d’entréespour une modélisation réaliste prenant en compte la structure poreuse complexe à l’intérieur de la dentine humaine.Par la suite, un test de compression associé à la correlation d’images numérique a été mis en place avec un système qui permet de commander simultanément l’humidité et la température de l’environnement. Grâce à ce dispositif, le module d’élasticité de la dentine humaine a été mesuré (16.7GPa avec un écart-type de 5.1GPa), et le coefficient de Poisson a été estimé à 0.31. Le comportement de dilatation de la dentine humaine avec l’humidité relative a été étudié. La spectroscopie par résonance ultrasonore (RUS) a été utilisée et ses résultats comparés au test de compression mécanique. À échelle microscopique, les propriétés mécaniquesde la dentine péritubulaire et de la dentine intertubulaire ont été caractérisées par nanoindentation. Les deux méthodes utilisées (méthode dynamique CSM et méthode de déchargement statique) indiquent les mêmes tendances en matière de module d’Young pour les deux composantes de la dentine. La dentine péritubulaire a un module d’élasticité plus élevé (26.7GPa avec un écart type de 3.1GPa) que la dentine intertubulaire (16.2GPa avec un écart type de 5.5GPa). De plus, le comportement en fluage de la dentine a été étudié par nanoindentation. Il se trouve qu’un modèle de Maxwell-Voigt à quatre éléments peut être utilisé pour évaluer le comportement en fluage de la dentine.Pour résumer, une étude morphologique et mécanique du tissu dentinaire a été effectuée. De nouvelles techniques, par example, la microscopie confocale ont été utilisées et ont montré leur utilité dans le but de donner un nouvel éclairage sur le tissu dentinaire. Les protocoles d’essais mécaniques qui ont été mis en place à différentes échelles permettront de mieux comprendre la relation structure-propriété en utilisant les outils d’observation validés dans ce travail. / Human dentin is one of the main components of human tooth. It shows a hierarchicalstructure from a multi-scale point of view. Generally speaking, dentin can be seen as a hard biomaterial consisting in 3 phases: the porous phase made of tubules, the inclusion phase made of peritubular dentin and the matrix phase made of intertubular dentin. These hierarchical structures strongly determine its mechanical properties. The knowledge of its structure, its mechanical property and its deformation behavior due to the variation of the external environment may be useful to improve the dentin restoration process. In this work, four observation techniques (µCT, optical microscope, ESEM and confocal microscope) have been used and compared. Particularly, confocal microscopy is proposed to allow 3D visualization of the complex dentin porous network. Compared with usual 2D observation tool, it may provide new information. For example, near the DEJ, tubules show a more complex treestructure than the Y-shaped deduced from 2D observations. These findings may also allow to achieve more realistic modeling considering the complex porous structure inside human dentin.Later on, compression test associated with DIC was carried out within an integrated system which can control simultaneously the humidity and the temperature of the environment. Using this system, the elastic modulus of human dentin was measured to be 16.7GPa with a standard deviation of 5.1GPa. And the Poisson’s ratio was found to be 0.31. The dilatation behavior of human dentin due to relative humidity was also explored. Furthermore, resonant ultrasound spectroscopy was performed in order to compare the results with these mechanical testing. At the micro-scale, the mechanical properties of peritubular dentin and intertubular dentin werecharacterized by nanoindentation. The two methods used in this work (dynamic CSM method and the static unload method) present the same trends of elastic moduli for the two components. Peritubular dentin has a higher elastic modulus (26.7GPa with a standard deviation of 3.1GPa) than intertubular dentin(16.2GPa with a standard deviation of 5.5GPa). Besides, the creep behavior of dentin was assessed by nanoindentation. Four elements Maxwell-Voigt model can be used to model dentin’s creep behavior.To sum up, a morphological and mechanical study of the dentinal tissue has been performed. New techniques, such as confocal microscopy have been used and showed their usefulness in order to give new insight into the dentinal tissue. The mechanical testing protocols that have been set up at different scales will enable to better understand the structure-property relationship by using them associated with the observation tools validated in this work.