This thesis considers applications of gradient-based optimization algorithms to the design and control of some mechanics systems. The material distribution approach to topology optimization is applied to design two different acoustic devices, a reactive muffler and an acoustic horn, and optimization is used to control a ball pitching robot. Reactive mufflers are widely used to attenuate the exhaust noise of internal combustion engines by reflecting the acoustic energy back to the source. A material distribution optimization method is developed to design the layout of sound-hard material inside the expansion chamber of a reactive muffler. The objective is to minimize the acoustic energy at the muffler outlet. The presence or absence of material is represented by design variables that are mapped to varying coefficients in the governing equation. An anisotropic design filter is used to control the minimum thickness of materials separately in different directions. Numerical results demonstrate that the approach can produce mufflers with high transmission loss for a broad range of frequencies. For acoustic devices, it is possible to improve their performance, without adding extended volumes of materials, by an appropriate placement of thin structures with suitable material properties. We apply layout optimization of thin sound-hard material in the interior of an acoustic horn to improve its far-field directivity properties. Absence or presence of thin sound-hard material is modeled by a surface transmission impedance, and the optimization determines the distribution of materials along a “ground structure” in the form of a grid inside the horn. Horns provided with the optimized scatterers show a much improved angular coverage, compared to the initial configuration. The surface impedance is handled by a new finite element method developed for Helmholtz equation in the situation where an interface is embedded in the computational domain. A Nitschetype method, different from the standard one, weakly enforces the impedance conditions for transmission through the interface. As opposed to a standard finite-element discretization of the problem, our method seamlessly handles both vanishing and non-vanishing interface conditions. We show the stability of the method for a quite general class of surface impedance functions, provided that possible surface waves are sufficiently resolved by the mesh. The thesis also presents a method for optimal control of a two-link ball pitching robot with the aim of throwing a ball as far as possible. The pitching robot is connected to a motor via a non-linear torsional spring at the shoulder joint. Constraints on the motor torque, power, and angular velocity of the motor shaft are included in the model. The control problem is solved by an interior point method to determine the optimal motor torque profile and release position. Numerical experiments show the effectiveness of the method and the effect of the constraints on the performance.

La simulation numérique est largement utilisée pour évaluer les performances aérodynamiques des aéronefs ainsi qu'en optimisation de forme. Ainsi l'objectif de ces simulations est souvent le calcul de fonctions aérodynamiques. L'objet de cette thèse est d'étudier des méthodes d'adaptation de maillages basées sur la dérivée totale de ces fonctions par rapport aux coordonnées du maillage (notée dJ/dX). Celle-ci pouvant être calculée par la méthode adjointe discrète. La première partie de cette étude concerne l'application de méthodes d'adaptation de maillages appliquées à des écoulements de fluides parfaits. Le senseur qui détecte les zones de maillage à raffiner s'appuie sur la norme de cette dérivée pour adapter des maillages pour le calcul d'une fonction J. La seconde partie du travail est la construction et l'étude de critères plus fiables basés sur dJ/dX pour d'une part adapter des maillages et d'autre part estimer si un maillage est bien adapté ou non pour le calcul de la fonction J. De plus une méthode de remaillage plus efficace basée sur une EDP elliptique est aussi présentée. Cette nouvelle méthode est appliquée pour des écoulements bidimensionnels de fluides parfaits ainsi que pour un écoulement décrit par les équations RANS. La dernière partie de l'étude est consacrée à l'application de la méthode proposée à des cas tridimensionnels d'écoulement RANS sur des géométries d'intérêt industriel. / Numerical simulation is widely used for the assessment of aircraft aerodynamic performances and shape optimizations. Hence the objective of these simulations is often to compute aerodynamic outputs. The purpose of this thesis is to study mesh adaptation methods based on the total derivative of the outputs with respect to mesh coordinates (denoted dJ/dX). This derivative can be computed using the discrete adjoint method. The first part of this study is about the application of mesh adaptation methods applied for Eulerian flows. The mesh locations to refine are detected using a sensor based on the norm of the derivative dJ/dX. This study confirmed that this derivative is relevant in order to adapt a mesh for the computation of the output J. The second part of this work is the construction and the study of reliable criteria based on dJ/dX for both mesh adaptation and the quality assessment of a given mesh for the computation of the output J. Moreover a more efficient remeshing method based on an elliptic PDE is presented too. This new method is applied for both two-dimensional Eulerian flows and a flow described by the RANS equations. The last part of the study is devoted to the application of the proposed method to three-dimensional RANS flows on geometries of industrial interest.

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Conditioning geologic models to production data and assessment of uncertainty is generally done in a Bayesian framework. The current Bayesian approach suffers from three major limitations that make it impractical for field-scale applications. These are: first, the CPU time scaling behavior of the Bayesian inverse problem using the modified Gauss-Newton algorithm with full covariance as regularization behaves quadratically with increasing model size; second, the sensitivity calculation using finite difference as the forward model depends upon the number of model parameters or the number of data points; and third, the high CPU time and memory required for covariance matrix calculation. Different attempts were used to alleviate the third limitation by using analytically-derived stencil, but these are limited to the exponential models only. We propose a fast and robust adaptation of the Bayesian formulation for inverse modeling that overcomes many of the current limitations. First, we use a commercial finite difference simulator, ECLIPSE, as a forward model, which is general and can account for complex physical behavior that dominates most field applications. Second, the production data misfit is represented by a single generalized travel time misfit per well, thus effectively reducing the number of data points into one per well and ensuring the matching of the entire production history. Third, we use both the adjoint method and streamline-based sensitivity method for sensitivity calculations. The adjoint method depends on the number of wells integrated, and generally is of an order of magnitude less than the number of data points or the model parameters. The streamline method is more efficient and faster as it requires only one simulation run per iteration regardless of the number of model parameters or the data points. Fourth, for solving the inverse problem, we utilize an iterative sparse matrix solver, LSQR, along with an approximation of the square root of the inverse of the covariance calculated using a numerically-derived stencil, which is broadly applicable to a wide class of covariance models. Our proposed approach is computationally efficient and, more importantly, the CPU time scales linearly with respect to model size. This makes automatic history matching and uncertainty assessment using a Bayesian framework more feasible for large-scale applications. We demonstrate the power and utility of our approach using synthetic cases and a field example. The field example is from Goldsmith San Andres Unit in West Texas, where we matched 20 years of production history and generated multiple realizations using the Randomized Maximum Likelihood method for uncertainty assessment. Both the adjoint method and the streamline-based sensitivity method are used to illustrate the broad applicability of our approach.

Boundary shape optimization is a technique to search for an optimal shape by modifying the boundary of a device with a pre-specified topology. We consider boundary shape optimization of acoustic horns in loudspeakers and brass wind instruments. A horn is an interfacial device, situated between a source, such as a waveguide or a transducer, and surrounding space. Horns are used to control both the transmission properties from the source and the spatial power distribution in the far-field (directivity patterns). Transmission and directivity properties of a horn are sensitive to the shape of the horn flare. By changing the horn flare we design transmission efficient horns. However, it is difficult to achieve both controllability of directivity patterns and high transmission efficiency by using only changes in the horn flare. Therefore we use simultaneous shape and so-called topology optimization to design a horn/acoustic-lens combination to achieve high transmission efficiency and even directivity. We also design transmission efficient interfacial devices without imposing an upper constraint on the mouth diameter. The results demonstrate that there appears to be a natural limit on the optimal mouth diameter. We optimize brasswind instruments with respect to its intonation properties. The instrument is modeled using a hybrid method between a one-dimensional transmission line analogy for the slowly flaring part of the instrument, and a finite element model for the rapidly flaring part. An experimental study is carried out to verify the transmission properties of optimized horn. We produce a prototype of an optimized horn and then measure the input impedance of the horn. The measured values agree reasonably well with the predicted optimal values. The finite element method and the boundary element method are used as discretization methods in the thesis. Gradient-based optimization methods are used for optimization, in which the gradients are supplied by the adjoint methods.

Dans cette thèse on s'intéresse à un modèle mathématique décrivant l'adaptation du développement des populations de moustiques face à l'usage intensif des insecticides durant la nuit (moustiquaires imprégnées, répulsifs en spray, répulsifs avec diffuseur électrique, ...).Le modèle proposé dans cette thèse est structuré en âge et dépend du temps/moment où le moustique pique pour prendre son repas. Ceci nous conduità des modèles du type ultra parabolique. Le terme de renouvellement de lapopulation de moustiques est non-local, comme pour tous les problèmes démographiques, mais comporte ici un noyau qui permet à la nouvelle générationd'adapter son temps de piqure (repas). Ceci est dû à la sélection de certainsmoustiques qui piquent plus tôt ou plus tard que les autres moustiques, suite àla pression imposée par l'usage intensif des pesticides à l'intérieur des habitats et en particulier durant la nuit. Les conditions aux bords par rapport au moment de piqure (repas) seront périodiques car selon les espèces, les moustiques prennent toujours leurs repas au même moment de la journée.Les principaux résultats peuvent être classés dans 4 parties.Dans la première partie on présente un modèle structuré en âge décrivant laplasticité du moustique dans un environnement non contrôlé. On montre quele problème est bien posé via la théorie des semi-groupes. Le comportementasymptotique est décrit grâce à l'étude du spectre de l'opérateur A générateurdu C0 semi-groupe. On prouve également l'existence ou la non existence dessolutions stationnaires (sous certaines hypothèses).Dans la deuxième partie on s'intéresse à un problème de contrôle optimalde la population de moustiques. Le contrôle correspond à la proportion demoustiques éliminée et dépend du temps, de l'âge des moustiques et du tempsoù le moustique pique pour se nourrir. On démontre d’abord l’existence desolutions grâce à un argument de point fixe puis on établit des résultats decomparaisons pour notre problème. On établit ensuite l'existence d'un contrôleoptimal puis on dérive le système d'optimalité.Dans la troisième partie on s'intéresse à la question de contrôlabilité exacte locale pour le problème décrivant la capacité des moustiques à adapter leurdynamique face à l'usage intensif des insecticides. On établit une nouvelleinégalité de type Carleman pour le modèle structuré en âge avec diffusionet une condition au bord de renouvellement non-locale et des conditions auxbords périodiques par rapport au temps de piqure des moustiques.Dans la quatrième partie on s'intéresse au comportement en temps longd'un modèle non linéaire décrivant l'adaptation de la population des moustiques à l'usage intensif des insecticides. Quand le contrôle est petit (usage limité des insecticides) alors la population mature de moustiques devient grandeavec le temps et quand le contrôle est grand (usage intensif des insecticides)la population mature de moustiques devient petite avec le temps. Dans le casintermédiaire on obtient un modèle avec retard en temps pour la populationmature de moustiques qui peut être gouvernée par une sur-équation et unesous-équation. Finalement on montre que la sous-équation admet des ondesvoyageuses et la population mature de moustiques sera donc comprise entreces ondes voyageuses et les sur-solutions. / This dissertation is concerned with an age structured problem modelling mosquito plasticity. The main results can be divided into four parts.The first part presents an age structured problem modelling mosquito plasticity in a natural environment. We first investigate the analytical asymptotic solution through studying the spectrum of an operator A which is the infinitesimal generator of a C0-semigroup. Additionally, we get the existence and nonexistence of nonnegative steady solutions under some conditions.In the second part, we study the optimal control of an age structured problem. Firstly, we prove the existence of solutions and the comparison principle for a generalized system. Then, we prove the existence of the optimal control for the best harvesting. Finally, we establish necessary optimality conditions.In the third part, we investigate the local exact controllability of an age structured problem modelling the ability of malaria vectors to shift their biting time to avoid the stressful environmental conditions generated by the use of indoor residual spraying (IRs) and insecticide-treated nets (ITNs). We establish a new Carleman's inequality for our age diffusive model with non local birth processus and periodic biting-time boundary conditions.In the fourth part, we model a mosquito plasticity problem and investigate the large time behavior of matured population under different control strategies. Firstly, we prove that when the control is small, then the matured population will become large for large time and when the control is large, then the matured population will become small for large time. In the intermediate case, we derive a time-delayed model for the matured population which can be governed by a sub-equation and a super-equation. Finally, we prove the existence of traveling fronts for the sub-equation and use it to prove that the matured population will finally be between the positive states of the sub-equation and super-equation.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la simulation et du contrôle des vibrations de structures montées sur ressort qui peuvent apparaître sous l’effet de l’interaction avec l’écoulement de sillage instationnaire. Le contrôle de ce phénomène, appelé vibrations induites par vortex (VIV), est un enjeu critique dans l’optimisation de nombreux systèmes. Une méthode de frontières immergées (IBM) a été intégrée dans l’algorithme PISO du code OpenFOAM, dédié à la simulation d’écoulements fluides incompressibles. La méthode IBM permet une représentation précise de corps fixes ou en mouvement, tout en conservant des maillages structurés conduisant à des algorithmes plus précis et efficaces en termes de performances numériques. Pour calculer la divergence de l’équation de quantité de mouvement dans une boucle PISO et l’interpolation des flux, un calcul hybride orignal a été proposé avec une résolution analytique utilisant l’équation de la fonction noyau des quantités impliquant le terme force de l’IBM (quantités singulières). La méthode a été étendu au formalisme d’écoulements en régimes turbulents. Une loi de paroi a été intégrée permettant de modéliser la couche limite à grand nombre de Reynolds. Le travail de validation a été réalisé au regard des données expérimentales et numériques disponibles dans la littérature pour l’étude d’écoulements autour de cylindres et de sphères, sur une large gamme de nombres de Reynolds. Avec l’objectif de développer des lois de contrôle optimal pour le VIV, basées sur les mécanismes d’instabilité linéaire du système couplé dans le cadre de la théorie du contrôle, un solveur adjoint a été développé et validé. / This thesis is related to the simulation and the control of the vortex induced vibrations phenomenon (VIV), which can result from the fluid structure interactions between an unsteady wake and the body, when the shedding frequency in the wake is close to the natural frequency of the body. The control of VIV is a critical issue when optimizing many systems. An Immersed Boundaries Method (IBM) was implemented into the PISO algorithm as a new library of OpenFOAM, in order to perform reliable simulations of incompressible flows around bluff bodies.To compute the divergence of the momentum equation and the interpolation of the fluxes, an hybrid calculation with an analytical resolution of the quantities involving the force term (singular quantities) has been proposed. The mesh convergence of several errors was shown by means of a manufactured solution, allowing to analyze both the errors irelated to the discretization and to the IBM. The new algorithm was subsequently extended to the RANS and DDES formalism proposed in OpenFOAM for the simulation of turbulent flows. A wall law was integrated into theIBM method to model the boundary layers that develop around the bodies at large Reynolds numbers. Various 2D and 3D well-documented test cases of academic flows around fixed or moving solid bodies (cylinderand sphere) have been simulated and carefully validated against existing data from the literature in a large range of Reynolds numbers. With the objective of developing optimal control laws for VIV, based on the linear instability mechanisms of the coupled system within the framework of the control theory, a new adjoint solver was also developed and validated in OpenFOAM.

La Tomographie Optique Diffuse (TOD) est une nouvelle technique d'imagerie médicale permettant de reconstruire les propriétés optiques des tissus biologiques dans le but de détecter des tumeurs cancéreuses. Il s’agit, toutefois, d’un problème inverse mal-posé et sous-déterminé. Le travail de cette thèse s’articule autour de la résolution de ce problème en utilisant l’équation du transfert radiatif comme modèle de propagation de la lumière (modèle direct). L’analyse de sensibilité a montré que le facteur d’anisotropie g de la fonction de phase de Henyey-Greenstein est le paramètre le plus influant sur la sortie du modèle direct suivi du coefficient de diffusion µs puis du coefficient d’absorption µa. Dans un premier temps, un algorithme de Gauss-Newton a été implémenté en utilisant les fonctions de sensibilités. Toutefois, ce dernier ne permet d’estimer qu'un nombre très limité de paramètres optiques (supposés constants en espace). Dans un second temps, un algorithme de Quasi-Newton a été développé pour reconstruire les distributions spatiales des propriétés optiques. Le gradient de la fonction objectif a été calculé efficacement par la méthode adjointe à travers le formalisme de Lagrange avec une approche Multi-fréquences. Les reconstructions sont obtenues à partir des données simulées en surface. Le facteur g est reconstruit comme un nouvel agent de contraste en TOD. Le problème de diaphonie entre µs g a été donc mis en évidence dans cette thèse. Notre algorithme a permis de reconstruire en 2D et 3D une ou plusieurs inclusions tumorales présentant différentes formes. La qualité des images reconstruites a été examinée en fonction du nombre de fréquences, de la diaphonie, du niveau de contraste (Inclusion/Fond), du niveau de bruit et de la position des inclusions tumorales / Diffuse Optical Tomography (DOT) is a new medical imaging technique used to reconstruct the optical properties of biological tissues in order to detect cancerous tumors. However, this is an ill-posed and under-determined inverse problem. The work of this thesis deals with the resolution of this problem using the radiative transfer equation as a forward model of light propagation. The sensitivity analysis showed that the anisotropy factor g of the Henyey-Greenstein phase function is the most sensitive parameter of the forward model followed by the scattering coefficient µs and then the absorption coefficient µa. In a first step, a Gauss-Newton algorithm was implemented using the sensitivity functions. However, this algorithm allows to estimate a very limited number of the optical parameters (assumed to be constant in space). In a second step, a Quasi-Newton algorithm was developed to reconstruct the spatial distributions of the optical properties. The gradient of the objective function was efficiently computed by the adjoint method through the Lagrangian formalism with a Multi-frequency approach. The reconstructed images were obtained from simulated boundary data. The g factor was reconstructed as a new optical contrast agent in DOT and the crosstalk problem between this factor and µs has been studied. The results showed that the algorithm is efficient to reconstruct in 2D and 3D one or several tumor inclusions having different shapes. The quality of the reconstructed images was examined according to several parameters: the number of frequencies, the crosstalk, the contrast and the noise levels