Titre de l'écran-titre (visionné le 5 septembre 2023) / Au vu de l'urgence climatique actuelle et des différents rapports scientifiques au sujet du dérèglement climatique, il est primordial et même vital de réduire drastiquement la pollution générée par l'Homme. Le dernier rapport du GIEC (Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat) (2022) indique qu'il faut effectivement réduire de moitié les émissions d'ici 2030 et insiste fortement sur la nécessité d'agir immédiatement afin de préserver la planète. Dans ce sens, l'industrie de la production de béton est responsable de 4 à 8% des rejets totaux humains de dioxyde de carbone et doit donc urgemment évoluer afin de réduire son impact environnemental. L'objectif principal de cette étude est de participer à cette transition industrielle en développant un modèle numérique fiable et exploitable afin d'optimiser la production, diminuer le temps de malaxage et réduire le gaspillage du béton à l'aide des outils technologiques de contrôle qualité déjà mis en place. En effet, développer une simulation numérique permettant de mieux comprendre le comportement et les profils d'écoulement du béton frais à l'intérieur d'une toupie de malaxage est extrêmement prometteur puisqu'elle permet alors d'encore mieux optimiser les temps et les coûts de malaxage. Afin d'espérer exploiter un tel outil numérique complexe, la mise en place de modèles élémentaires d'écoulement du béton frais est essentielle afin de valider, caractériser et calibrer les simulations numériques. Dans ce mémoire, le développement de trois modèles simples d'écoulement est traité et les résultats obtenus ont permis de valider le comportement numérique de l'écoulement du béton frais. Chacun de ces modèles présente des forces et faiblesses et participe à la création d'un environnement de travail numérique qui permet de beaucoup mieux appréhender la rhéologie et le comportement d'écoulement du béton frais. Ce projet de recherche est donc une véritable porte d'entrée vers la modélisation complète de la production du béton frais. / In view of the current climate emergency and the various scientific reports on climate change, it is essential and even vital to drastically reduce man-made pollution. The latest IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) report (2022) indicates that emissions must be halved by 2030 and strongly emphasizes the need to act immediately to preserve the planet. In this sense, the concrete production industry is responsible for 4-8% of total human carbon dioxide emissions and therefore urgently needs to evolve to reduce its environmental impact. The main objective of this study is to participate in this industrial transition by developing a reliable and exploitable numerical model to optimize the production, reduce mixing time and also reduce concrete waste by using technological quality control tools already available. Indeed, developing a numerical simulation allowing to better understand the behavior and flow profiles of fresh concrete inside a mixing-truck is extremely promising as it allows for further optimization of mixing times and costs. In order to be able to exploit such a complex numerical tool, the implementation of elementary fresh concrete flow models is essential to validate, characterize and calibrate the numerical simulations. In this thesis, the development of three simple flow models is discussed and the results obtained are used to validate the numerical behavior of fresh concrete flow. Each of these models has strengths and weaknesses and contributes to the creation of a numerical working environment that provides a much better understanding of the rheology and flow behavior of fresh concrete. This research project is therefore a real gateway to a full modelling of fresh concrete production.

L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est d'explorer de nouvelles méthodes numériques efficaces et robustes pour la résolution par la méthode des éléments finis des problèmes d'écoulements des fluides viscoélastiques pour des nombres de Weissenberg élevés. La motivation de cette étude provient en grande partie au fait que les fluides viscoélastiques sont à la base de nombreuses applications industrielles, notamment dans l'industrie des polymères, l'industrie des pâtes de papiers, l'industrie alimentaire, etc... Ces écoulements sont régis par un système d'équations aux dérivées partielles fortement non linéaire composé des équations de Navier Stokes (ou Stokes pour les écoulements lents) et d'une équation constitutive modélisant la contribution du polymère. Les rhéologues ont mis à la disposition de la communauté scientifique plusieurs modèles. Dans ce travail, afin de pouvoir effectuer des comparaisons avec les travaux effectués par d'autres chercheurs déjà disponibles dans la vaste littérature du domaine, nos simulations numériques ont été faites pour les modèles de Oldroyd-B, PTT et Giesekus. La méthodologie utilisée est toutefois assez générale. Une des difficultés majeures rencontrées dans la simulation numérique des fluides viscoélastiques est la perte de convergence des algorithmes pour des problèmes à faibles nombres de Weissenberg. Ainsi, dans l'optique d'améliorer la convergence des schémas numériques, nous nous sommes proposés de développer et d'implémenter de nouveaux algorithmes en nous basant sur la nouvelle formulation en logarithmique du tenseur de conformation. Cette formulation a été utilisée pour la première fois dans le contexte des fluides viscoélastiques par Fattal et Kupferman et al. (21). Par la suite, en nous inspirant de Coronado et al. (35), nous avons introduit deux autres formulations logarithmiques. La première est une variante de celle proposée par Coronado et al. (35) avec un traitement spécial pour le terme convectif. La deuxième formulation permet une linéarisation complète des équations pour la résolution par la méthode de Newton. Les deux méthodes que nous proposons ont l'avantage d'être relativement simple à mettre en oeuvre. Pour tester la robustesse de ces nouvelles formulations, quelques calculs ont été effectués pour le problème d'écoulement autour d'un cylindre et l'inévitable problème de la contraction 4:1 sur des maillages non structurés anisotropes obtenus par la stratégie générale de remaillage adaptatif développée au GIREF. Nous avons ensuite jugé utile d'appliquer cette nouvelle formulation logarithmique pour la résolution de quelques problèmes de surfaces libres. Nous avons étudié la présence des écoulements secondaires et leur influence sur la morphologie des écoulements complexes des problèmes multi-couches dans une filière. En effet, nous avons montré qu'il possible de résoudre des problèmes multi-couches dans une filière tridimensionnelle en résolvant un problème bidimensionnel de surface libre instationnaire seulement sur une section. Nous avons également traité un problème de cisaillement d'une goutte dans une matrice fluide. Il s'agit ici d'un écoulement régi par la tension superficielle. Le calcul des sufaces libres est rendu possible grâce à la méthode des surfaces de niveau (level set method). Cette méthode requiert la résolution d'une équation de transport pour trouver la nouvelle position de l'interface. L'interface constitue une zone de transition de largeur 2 ? des paramètres rhéologiques des deux fluides. Ces paramètres sont régularisés à l'interface pour éviter de gérer des discontinuités. Une technique de réinitialisation a été mise en oeuvre pour remédier à d'éventuels problèmes de conservation de masse. Ces techniques sont falicitées par l'introduction de la méthode de remaillage adaptatif. Celle-ci permet de concentrer les éléments dans l'interface permettant ainsi de faire les calculs avec une meilleure précision. Pour la résolution des équations hyperboliques, notamment l'équation constitutive, de transport et de régularisation de l'interface, nous avons utilisé la méthode de stabilisation de type SUPG. Il résulte de ces développements une méthode de résolution nettement plus performante que les méthodes classiques.

These thesis review some recent results on the construction of very high order multidimensional upwind schemes for the solution of steady and unsteady conservation laws on unstructured triangular grids. We also consider the extension to the approximation of solutions to conservation laws containing second order dissipative terms. To build this high order schemes we use a sub-triangulation of the triangular Pk elements where we apply the distribution used for a P1 element. This manuscript is divided in two parts. The first part is dedicated to the design of the high order schemes for scalar equations and focus more on the theoretical design of the schemes. The second part deals with the extension to system of equations, in particular we will compare the performances of 2nd, 3rd and 4th order schemes. The first part is subdivided in four chapters: The aim of the second chapter is to present the multidimensional upwind residual distributive schmes and to explain what was the status of their development at the beginning of this work. The third chapter is dedicated to the first contribution: the design of 3rd and 4th order quasi non-oscillatory schemes. The fourth chapter is composed of two parts: We start by understanding the non-uniformity of the accuracy of the 2nd order schemes for advection-diffusion problem. To solve this issue we use a Finite Element hybridisation. This deep study of the 2nd order scheme is used as a basis to design a 3rd order scheme for advection-diffusion. Finally, in the fifth chapter we extend the high order quasi non-oscillatory schemes to unsteady problems. In the second part, we extend the schemes of the first part to systems of equations as follows: The sixth chapter deals with the extension to steady systems of hyperbolic equations. In particular, we discuss how to solve some issues such as boundary conditions and the discretisation of curved geometries. Then, we look at the performance of 2nd and 3rd order schemes on viscous flow. Finally, we test the space-time schemes on several test cases. In particular, we will test the monotonicity of the space-time non-oscillatory schemes and we apply residual distributive schemes to acoustic problems.

Le transport de micro-organismes et de fluides biologiques au moyen de cils et flagelles est un phénomène universel que l’on retrouve chez presque tous les êtres vivants. Le but de cette thèse est la modélisation, l’analyse mathématique et la simulation numérique de problèmes d’interaction fluide-structure qui font intervenir des structures actives, capables de se déformer d’elles-mêmes grâce à des contraintes internes, et un fluide à faible nombre de Reynolds, modélisé par les équations de Stokes. Le Chapitre 2 traite de la modélisation de ces structures actives en considérant la loi de Saint Venant-Kirchhoff dans les équations de l’élasticité et en ajoutant un terme d’activité au second tenseur de contraintes de Piola-Kirchhoff. Les équations fluide et structures sont couplées à l’interface fluide-structure et l’étude mathématique d’un problème linéarisé et discrétisé en temps est ensuite réalisée. Une reformulation sous forme d’un problème point-selle est proposée et utilisée pour la simulation numérique du problème. Le Chapitre 3 s’intéresse à l’analyse du problème d’interaction fluide-structure quasi-statique avec une structure active, pour lequel nous montrons l’existence et l’unicité, pour des données petites, d’une solution forte localement en temps. Le Chapitre 4 présente une nouvelle méthode de type domaine fictif (la méthode de prolongement régulier ) pour la résolution numérique de problèmes de transmission. La méthode est d’abord développée pour un problème de transmission de Laplace, puis étendue aux problèmes de transmission de Stokes et d’interaction fluide-structure. / The transport of microorganisms and biological fluids by means of cilia and flagella is an universal phenomenon found in almost all living beings. The aim of this thesis is to model, analyze and simulate mathematical fluid-structure interaction problems involving active structures, capable of deforming themselves through internal stresses, and a low Reynolds number fluid, modeled by Stokes equations. In Chapter 2, these active structures are modeled as elastic materials satisfying Saint Venant-Kirchhoff law for elasticity whose activity comes from the addition of an activity term to the second Piola-Kirchhoff stress tensor. Elasticity and Stokes equations are coupled on the fluid-structure interface and the mathematical study of the linearized problem discretized in time is realized. Then, the problem is formulated as a saddle-point problem which isused for numerical simulations. Chapter 3 focuses on the analysis of a quasi-static fluid-structure with an active structure, for which we show existence and uniqueness, for small data, of a strong solution locally in time. Chapter 4 presents a new fictitious domain method (the smooth extension method) for the numerical resolution of transmission problems. The method is first developed for a Laplace transmission problem and further extended to Stokes transmission and fluid-structure interaction problems.

Les smectites en suspension aqueuse sont des argiles gonflantes largement utilisées dans l'industrie pour leurs capacités d'adsorption, d'étanchéité, de transport ou de liant. Ces propriétés sont inégales en fonction des caractéristiques minéralogiques et physico-chimiques des suspensions. Ce travail a pour but de comprendre l'action de la charge interfoliaire sur les structures construites par le système eau argile en fonction de la concentration pour des smectites homoioniques ou mixte. Son originalité est de coupler des méthodes minéralogiques, physico-chimiques et une large gamme d'essais rhéométriques.<br />Deux populations de smectites (Na+ et Ca2+) sont étudiées séparément puis en mélange. A faible concentration (inférieure à 60 g/l), les suspensions sodiques sont très visqueuses car les feuillets dispersés forment des réseaux. Les feuillets de smectite calcique sont associés en flocs aisément déformables rendant les suspensions peu visqueuses et rhéofluidifiantes. En mélange, les deux populations interagissent faiblement, lorsque le cortège d'échange d'équilibre est atteint (20 % de sodium), les viscosités sont minimales.<br />A plus forte concentration (60 à 100 g/l), les courbes d'écoulement permettent de différencier un domaine de déformation viscoélastique, un domaine d'écoulement hétérogène (bandes de cisaillement) et un domaine d'écoulement homogène. L'étude de la thixotropie révèle l'existence de deux cinétiques de déstructuration/restructuration.<br />L'étude de 12 bentonites brutes permet de monter que la rhéomètrie est un bon moyen de différenciation entre les bentonites sodique naturelle (Herschel-Bulkley), calcique naturelle (Newton) ou calcique activée (Bingham).

These thesis review some recent results on the construction of very high order multidimensional upwind schemes for the solution of steady and unsteady conservation laws on unstructured triangular grids.<p>We also consider the extension to the approximation of solutions to conservation laws containing second order dissipative terms. To build this high order schemes we use a subtriangulation of the triangular Pk elements where we apply the distribution used for a P1 element.<p>This manuscript is divided in two parts. The first part is dedicated to the design of the high order schemes for scalar equations and focus more on the theoretical design of the schemes. The second part deals with the extension to system of equations, in particular we will compare the performances of 2nd, 3rd and 4th order schemes.<p><p>The first part is subdivided in four chapters:<p>The aim of the second chapter is to present the multidimensional upwind residual distributive schemes and to explain what was the status of their development at the beginning of this work.<p>The third chapter is dedicated to the first contribution: the design of 3rd and 4th order quasi non-oscillatory schemes.<p>The fourth chapter is composed of two parts: we start by understanding the non-uniformity of the accuracy of the 2nd order schemes for advection-diffusion problem. To solve this issue we use a Finite Element hybridisation.<p>This deep study of the 2nd order scheme is used as a basis to design a 3rd order scheme for advection-diffusion.<p>Finally, in the fifth chapter we extend the high order quasi non-oscillatory schemes to unsteady problems.<p>In the second part, we extend the schemes of the first part to systems of equations as follows:<p>The sixth chapter deals with the extension to steady systems of hyperbolic equations. In particular, we discuss how to solve some issues such as boundary conditions and the discretisation of curved geometries.<p>Then, we look at the performance of 2nd and 3rd order schemes on viscous flow.<p>Finally, we test the space-time schemes on several test cases. In particular, we will test the monotonicity of the space-time non-oscillatory schemes and we apply residual distributive schemes to acoustic problems. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished