L'objectif de cette thèse est d'étudier le vieillissement thermique et prédire la durée de vie d'un jonc composite utilisé comme raidisseur de câbles électriques aériens. En effet, en conditions normales de fonctionnement, la température des câbles est de l'ordre de 80-90°C et, pendant les opérations de maintenance, des pics jusqu'à des températures de l'ordre de 220°C peuvent aussi être enregistrés. L'analyse microstructurale des coupes radiales du jonc après vieillissement dans l'air entre 160 et 220°C met en évidence son endommagement. Lorsque la matrice époxy n'est pas bien réticulée, l'endommagement consiste en une fissuration spontanée (sous l'effet de contraintes induites par le retrait chimique de la matrice) suivie de la thermo-oxydation du cœur du jonc. En revanche, lorsque la matrice est bien réticulée, cet endommagement est remplacé par la formation et l'accumulation de microcavités de gaz dans le cœur du jonc, résultant de la thermolyse de la matrice. A terme, ces microcavités coalescent pour former de larges fissures apparentes. Cette dégradation provoque la baisse progressive du module élastique et, au-delà d'un taux d'endommagement (porosités, fissures) critique, la chute catastrophique des propriétés à la rupture. Sur la base de ces résultats, des relations microstructure/propriétés mécaniques sont établies. Des tests complémentaires par thermogravimétrie couplée à la spectroscopie de masse haute résolution sont réalisés sur des films de matrice pure entre 160 et 240°C sous atmosphère inerte, afin d'élucider le mécanisme de thermolyse et l'origine de la cavitation. La décomposition des liaisons instables du réseau époxy conduit à la formation de trois principaux composés organiques volatils dont de l'eau. Lorsque la concentration de ce dernier dépasse son seuil de solubilité dans la matrice, les premières cavités apparaissent. Sur la base de ces résultats, un schéma mécanistique et un modèle cinétique de thermolyse sont proposés et vérifiés avec succès par gravimétrie. / This thesis is devoted to the study of thermal ageing and lifetime prediction of a composite rod used to stiffen electrical overhead power lines. The operating temperature of the wire is usually ranged between 80 and 90°C and, during maintenance, temperature can rise up to 220°C for short durations. Microstructural analysis of radial composite cross-sections after ageing between 160 and 220°C in air evidences its damage. When the epoxy matrix is under-crosslinked, the damage consists in a spontaneous cracking (due to stresses induced by the chemical shrinkage of the matrix) followed by the thermal oxidation of the rod core. However, when the matrix is better crosslinked, this damage is replaced by the formation and accumulation of microcavities of gases in the rod core, resulting from the matrix thermolysis. Eventually, these microcavities get connected to form wide apparent cracks. This degradation leads to the progressive decrease of the elastic modulus and, beyond a critical damage (porosities, cracks) fraction, a catastrophic fall of fracture properties. Based on these results, microstructure/properties relationships are established. Complementary tests by thermogravimetry coupled with high resolution mass spectrometry are carried on neat matrix films between 160 and 240°C under inert atmosphere to elucidate the thermolysis mechanism and the origin of the cavitation. The decomposition of unstable linkages in the epoxy network leads to the formation of three major volatile organic compounds including water. When the concentration of this later exceeds its solubility threshold in the matrix, the first microcavities appear. Based on these results, a mechanistic scheme and a kinetic model of thermolysis are proposed and successfully checked by gravimetry.

La compréhension et la modélisation d'un contact lubrifié en présence de texturation nécessitent une description physique très fine pour comprendre les analyses contradictoires et pour expliquer les résultats très différents en termes de performance présentes dans la littérature internationale. De nombreuses études théoriques et expérimentales ont montré que la texturation des surfaces pourrait améliorer les caractéristiques tribologiques des contacts. La capacité de charge, le coefficient de frottement et la résistance à l'usure sont les principales caractéristiques susceptibles d'être améliorées. La texturation de surface fait appel à de nombreux paramètres géométriques, qui peuvent agir de façon très différente selon le contact. Enfin, les phénomènes supposés expliquer l'apport de la texturation ne font pas l'unanimité dans la communauté scientifique. Ainsi, les différentes contradictions font que ce domaine de recherche est en pleine évolution.Dans ce contexte scientifique, l'objectif principal de cette thèse est de conduire, à travers une étude théorique et numérique approfondie, vers une meilleure compréhension des effets induits par la texturation dans un contact lubrifié. Les paramètres géométriques, essentiels par rapport aux phénomènes physiques générés, font l'objet d'une analyse étendue. Les éléments théoriques obtenus à travers cette étude permettront une optimisation opérationnelle de tous types de dispositifs fonctionnant dans un milieu lubrifié. Parmi ces nombreuses applications, la butée en régime hydrodynamique a été choisie afin d'illustrer la pertinence des résultats de nos recherches. / Understanding and modeling a lubricated contact in the presence of surface textures requires a refined physical description in order to comprehend and explain the contradicting results that are currently presented in international literature. An increasing number of theoretical and experimental studies have shown that surface texturing could improve the tribological properties of lubricated or even dry contacts. The load-carrying capacity, the friction coefficient or the wear resistance are the main characteristics that can be improved through texturing. Nevertheless, the lubrication mechanisms that might explain these effects are still the subject of debate within the scientific community. These various contradictions have lead to a significant development of this particular field of research. In this scientific context, the main objective of this thesis is to lead, by means of a thorough numerical and theoretical analysis, towards a better understanding of the physical effects induced by surface texturing in lubricated contacts. The geometrical parameters, which are essential with regard to the generated effects, are submitted to a detailed investigation that also takes into account the influence of the operating conditions (surface speed, viscosity, ambient pressure etc.). The theoretical conclusions obtained throughout this investigation should lead to an improvement in texture design and should allow an optimization of most devices operating in lubricated conditions. Among these various applications, the hydrodynamic thrust bearing has been chosen in order to illustrate the relevance of our findings.

Le travail de cette thèse a pour but de fournir et valider des outils permettant d'étudier et de comprendre les phénomènes mis en jeu lors de l'injection d'un carburant dans un moteur à combustion interne, principalement axé sur l'écoulement intra-injecteur. Ces outils sont numériques et permettent de simuler la formation d'un spray. Une première partie est axée sur la modélisation 0D. Les modèles permettant de prédire des caractéristiques de spray comme son angle, sa pénétration ou encore la longueur du corps liquide, sont comparés à des données expérimentales. Les conclusions sont que la modélisation 0D permet d'obtenir de bons résultats. Par contre une meilleure connaissance de l'influence de la cavitation sur le spray, qui passe par la compréhension de l'écoulement intra-injecteur, pourrait être bénéfique pour la prédiction de ces modèles. Une seconde étude sur l'écoulement intra-injecteur est alors menée en utilisant un modèle à équation barotrope. Une validation de celui-ci est effectuée de façon à vérifier qu'il est capable de prédire correctement l'écoulement dans un injecteur. Le modèle offre de bons résultats et peut être utilisé pour l'étude suivante. Enfin, dans la dernière partie, le modèle de cavitation qui a été validé est utilisé. Une géométrie d'injecteur mono-trou est utilisée avec des pressions comparables à celles utilisées actuellement en automobile. L'étude consiste à étudier l'influence de plusieurs paramètres géométriques sur l'apparition de la cavitation. Le mouvement de l'aiguille est aussi étudié et est comparé, après avoir offert au code la possibilité de maillage mobile, à des résultats in-stationnaires pour plusieurs levées d'aiguille. / The work of this thesis aims to provide and validate tools useful to study and understand the phenomena involved in the injection of fuel, mainly focused on intra-flow injector. These tools are numeric and simulate the formation of a spray. A first part focuses on zero-dimensional modelling. Models which predict these following characteristics of spray like the spray angle, the spray penetration or the liquid length are compared with experimental data. The conclusions are that zero-dimensional modelling provides good results very quickly in some cases. Although, a better understanding of the influence of cavitation on the spray, which requires an understanding of the intra-flow injector, could be beneficial for the prediction of these models. A second study is carried out to select a model of multi-dimensional cavitation. The chosen model is a barotropic equation model. A validation of this model is then performed to ensure that it is able to predict the cavitating flow inside a nozzle. The model provides good results and can be used for the next step. Finally, in the third part, the cavitation model previously validated is used. Single-hole nozzle geometry is used with an injection pressure comparable to that used in internal combustion engines with direct injection system. The study is done to investigate the influence of several geometrical parameters on the onset of cavitation. The movement of the needle is also studied and compared, after offering to the code the possibility of moving mesh, to the results of several stationary needle lifts.

L'objectif de la thèse a été d'étudier les propriétés dynamiques des polymères à grande densité d'interactions fortes intermoléculaires, en fonction de l'énergie et de la densité de ces interactions. Cette étude s'est effectuée par la méthode de la dynamique moléculaire. Deux types d'interactions fortes ont étés proposés et implémentés numériquement. Un premier modèle dit isotrope dans lequel des interactions fortes sont modélisées par un potentiel isotrope, représentant par exemple des interactions ioniques. Et un second modèle dans lequel nous avons choisi un potentiel directionnel, modélisant les liaisons polaires ou les liaisons hydrogènes. L'unité de l'énergie des interactions fortes intermoléculaires a été fixée par rapport aux forces de Van der Waals des monomères non polaires qui forment la partie principale des polymères considérés J'ai étudié la dynamique de la relaxation à grande échelle (mode de Rouse) en fonction des paramètres pertinents (l'énergie et la densité) dans le régime dit Williams-Landel-Ferry (WLF). Ensuite, nous avons étudié les mécanismes de relaxation à petite échelle (monomérique) en cherchant à mettre en évidence des mécanismes spécifiques à ces polymères à fortes interactions. Nous avons également étudié la relaxation du stress. Nous avons mis en évidence une relaxation à temps intermédiaire entre le temps monomérique te les temps longs pendant laquelle le stress reste à un niveau relativement élevé, sur des échelles de temps comparables à ceux des mécanismes de relaxation spécifiques mis en évidence au niveau microscopique. Ce régime spécifique de relaxation du stress qui n'est pas observé à faible fraction de liaisons fortes est susceptible de dominer les propriétés mécaniques et viscoélastiques de ces polymères à l'état fondu. Nous avons également considéré le comportement ultime de ces polymères en étudiant les mécanismes de la cavitation. L'énergie à la rupture peut être augmentée par la présence de liaisons fortes à suffisamment forte densité le long des chaînes. Les systèmes à forte densité de liaisons polaires ne font plus apparaître de cavitation mais exhibent un comportement de strain hardening / The aim of the thesis is to study the dynamic properties of polymers with high densities of strong intermolecular interactions, depending on the energy and the density of these interactions. This study is carried out by the molecular dynamics method

Il a été montré que la cavitation acoustique pouvait se révéler utile dans l'administration de médicaments pour de nombreuses applications biologiques et médicales. Cette thèse commence par une présentation de la cavitation ultrasonore et des mécanismes d'action mis en jeu pour la délivrance de médicaments. A la fin de ce cette synthèse, un dispositif à deux transducteurs ultrasonores disposés de manière confocale est présenté pour résoudre certains des problèmes actuels dans le domaine. Il est ensuite mis en oeuvre dans différentes études de faisabilité. La thèse est organisée en 5 chapitres : 1. L'utilisation de la cavitation acoustique dans un contexte biomédical est présentée ici dans une revue générale. Ce chapitre comprend l'état de l'art pour la génération de cavitation, les techniques expérimentales qui sont actuellement mises en oeuvre pour la mesure de la cavitation, et les approches cliniques et précliniques pour l'utilisation de la cavitation in vivo pour différents types de tissu biologique. 2. Le dispositif ultrasonore utilisé pour toutes les études de cette thèse est ensuite décrit. Il est caractérisé acoustiquement et comparé avec un simple transducteur dans le but de démontrer son efficacité pour la génération de la cavitation. Cette comparaison est d'abord faite par une quantification chimique du niveau de cavitation. A puissance constante, le dispositif à deux transducteurs confocaux est bien plus efficace pour générer de la cavitation. Les causes de cette observation, notamment la réduction de la propagation non-linéaire et la stabilisation du nuage des bulles par les forces Bjerknes, sont ensuite étudiées par des mesures acoustiques, des simulations de pression en régime linéaire et un suivi par une caméra ultra rapide des nuages de bulles induits. 3. Le prototype confocal est utilisé in vivo sur des tumeurs sous cutanées en conjonction avec des liposomes. Dans un premier temps, des essais sous IRM démontrent la possibilité de larguer le contenu des liposomes localement par la cavitation inertielle délivrée par le dispositif. Une seconde étude avec une formulation liposomale de doxorubicine a permis de démontrer l'amélioration de la réponse thérapeutique de la chimiothérapie après application de la cavitation inertielle.. 4. Une étude de faisabilité de l'interférence de l'ARN (RNAi) sur un petit nombre d'animaux est réalisée avec le dispositif confocal et des molécules de siRNA encapsulées dans des liposomes Les expériences sont conduites in vivo avec une xénogreffe de tumeur de sein humain. Après une phase de réglage des paramètres ultrasonores pour limiter la toxicité du traitement, on observe une inhibition significative du gène ciblé. 5. Une deuxième étude de faisabilité est réalisée pour étudier la potentialisation de la chimiothérapie avec l'évérolimus dans un modèle de chondrosarcome de rat. Les traitements ultrasonores et les chimiothérapies sont répétés. Sur un petit nombre d'animaux, on montre l'innocuité du traitement ultrasonore, et l'efficacité en conjonction avec l'agent anti tumoraux, évérolimus / Acoustic cavitation has been shown to be a useful tool in drug delivery for many different biological tissues and indications, and this thesis aims to contribute to the knowledge of cavitation from a drug delivery perspective. This thesis seeks to synthesize the current knowledge and practice concerning acoustic cavitation in a biomedical context, and to present a high intensity confocal ultrasound (US) prototype to address some of the current problems in the field and to give a proof of concept for the therapeutic efficacy of such a prototype. The thesis is organized in 5 chapters: 1. The use of acoustic cavitation in a biomedical context is presented here in a general review. This review comprises the state of the art for cavitation generation, experimental techniques currently being implemented for the measurement of cavitation, and the clinical and preclinical approaches to the use of cavitation in vivo on a tissue by tissue basis. 2. The high intensity confocal US prototype used for all studies in this thesis is presented here. It is characterized in terms of the advantages it gives for the generation of cavitation. Enhancement of cavitation is first demonstrated chemometrically with a fluorescent dosimeter compared to a single transducer at the ultrasonic focus. The mechanisms for cavitation enhancement are then investigated with acoustic measurements, linear pressure simulations, and high speed camera data. 3. The confocal US prototype in used in conjunction with a liposomal formulation of doxorubicin is performed in which a therapeutic enhancement of tumor inhibition is presented. The mechanism of this enhancement is investigated with liposomally encapsulated lanthanide contrast agents and magnetic resonance imaging. 4. A small scale proof of concept for the use of RNA interference using the confocal prototype, and liposomally encapsulated siRNA molecules. The experiments are performed In vivo with a xenograft of human breast tumor. This study also includes data for the safety of the US exposure on a mouse treated one time. 5. Another small scale proof of concept of the use of the confocal device on potentiating chemotherapy with the drug everolimus in a rat chondrosarcoma model. The studies presented here also investigate the use of multiple US exposures on the same tumor in a combined drug / US treatment regimen

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la biomécanique de deux mouvements parmi les plus rapides du règne végétal. La première partie porte sur l’étude théorique du mouvement permettant la capture de proies par les pièges de l’utriculaire, des outres déformables de taille millimétrique refermées par une porte flexible. Un modèle dynamique, élaboré à partir d’ingrédients mécaniques, hydrodynamiques et élastiques, permet de relier la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur du piège à la position de la porte via deux équations différentielles couplées. Le modèle permet de capturer la dynamique de fonctionnement du piège et de prédire l’intégralité des comportements observés dans la nature via l’ajout d’un bruit stochastique. La seconde partie est consacrée au mouvement d’éjection des spores par les sporanges de fougères. Notre étude à la fois expérimentale et théorique permet de révéler le caractère remarquable de l’anneau, une structure spécialisée du sporange, dont la nature poroélastique lui confère un comportement comparable à celui d’une catapulte autonome. Les différentes phases du mouvement : ouverture, déclenchement par cavitation, fermeture rapide et recharge éventuelle sont observées via imagerie ultra-rapide. La courbure de l’anneau au cours du mouvement est mesurée expérimentalement puis comparée aux prédictions théoriques pour chacune des phases du mouvement. Cette étude nous permet d’identifier les différents processus physiques à l’origine du mouvement et de déterminer les paramètres caractéristiques de l’anneau : raideur, perméabilité membranaire et pression osmotique interne, ainsi que la pression négative de cavitation. / In this PhD work, we focus on the biomechanics of two motions among the fastest in plant kingdom. The first part is a theoretical study of the motion leading to a prey capture by the bladderwort’s traps, elastic millimeter-sized bladders closed by a flexible door. A dynamical model, based on mechanical, elastic and hydrodynamic ingredients, links the pressure difference between the trap and its surroundings with the door position by the means of two coupled ordinary differential equations. The model captures the dynamics of the trap and predicts all the range of behaviors found in nature by including stochastic noise in the system. The second part focuses on the fern sporangium motion allowing the spores dispersal. Our experimental and theoretical studies point out the remarkable character of the annulus, a specialized structure of the sporangium, as it behaves as an autonomous catapult due to its poroelastic nature. The different stages of the motion: opening, triggering by cavitation, fast closure and eventual reloading are observed using ultra-fast imaging. The annulus curvature is measured experimentally and then compared to the theoretical predictions for each motion phase. This study enables us to identify the physical processes governing the complete motion and to determine the characteristic parameters of the annulus: stiffness, permeability and internal osmotic pressure, and also the negative cavitation pressure.

Cette thèse évalue d'abord le potentiel thermodynamique du cycle au CO2 supercritique (sc-CO2) pour une large gamme de température de source chaude et étudie son couplage aux applications nucléaires, 45.7% d’efficacité thermique étant obtenu pour un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium. Des simulations CFD sont réalisées sur un compresseur à échelle réduite et confrontées à une expérience, apportant des éléments de qualification. Des simulations sur un compresseur à échelle 1:1 révèlent des particularités liées à la compression du sc-CO2 au comportement gaz réel, offrant un retour d’expérience pour la conception. Dans ce cadre, une approche de cartes de performance est proposée et validée à l'aide de simulations. Enfin, une étude de la collapse d’une bulle dans le CO2 liquide au voisinage du point critique est réalisée et indique l'absence d’effet destructif de cavitation, ouvrant la voie au fonctionnement du compresseur en phase liquide, lieu optimum de l'efficacité du cycle. / This study first evaluates the thermodynamic performance of the supercritical CO2 (sc-CO2) cycle in a large range of heat source temperature, with a focus on the nuclear applications; a thermal efficiency of 45.7% is reported for a Sodium-cooled Fast Reactor. Second, CFD simulations have been performed on a small scale sc-CO2 compressor and results have been confronted positively with the experimental data. Simulation results on a real scale compressor have then revealed some particularities during the compression of a real fluid, providing feedbacks for the component design. In addition, a reliable performance maps approach has been proposed for the sc-CO2 compressor and validated using the CFD results. Finally, an investigation of bubble collapse in the liquid CO2 near the critical point has disclosed the likely absence of detrimental effects. As such, risks of cavitation damage should be low, favoring the compressor operation in the liquid region for cycle efficiency improvement.

Des bulles micrométriques sont utilisées dans divers domaines, notamment dans des applications médicales basées sur les ultrasons. Il est possible d’exploiter différents effets des bulles, comme par exemple leur résonance acoustique ou leur effet destructeur en cavitation inertielle. Un autre mécanisme exploitable est la génération de micro-écoulements, appelé microstreaming, induits autour d’une bulle. Ces écoulements sont relativement lents par rapport aux oscillations rapides de la bulle. Le microstreaming et les contraintes de cisaillement associées jouent un rôle important dans la perméabilisation d’une membrane cellulaire, mais il manque encore une compréhension détaillée de l’écoulement induit. Afin d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques, ce travail se concentre sur les écoulements induits autour d’une bulle d’air dans piégée et excitée acoustiquement dans de l’eau et oscillante en modes de surface. La partie expérimentale se décompose de deux étapes. Dans un premier temps, il est nécessaire de contrôler la dynamique de la bulle, en particulier ses modes de surface et son orientation. Ceci est réalisé par coalescence entre deux bulles. Dans un second temps, le microstreaming est généré et enregistré simultanément à la dynamique de bulle. De cette manière il est possible de corréler les motifs d'écoulement aux oscillations de la bulle. Le grand nombre de motifs obtenus peut être classé selon le mode dominant et la taille de la bulle. Une étude plus détaillée de la dynamique de bulle permet de déduire les paramètres importants qui mènent à une telle variété de motifs de microstreaming. Afin de confirmer les résultats expérimentaux, un modèle analytique a été développé. Il est basé sur les équations de la mécanique des fluides de deuxième ordre et moyennées en temps, la dynamique d'interface de la bulle obtenue expérimentalement sert de donnée d’entrée au modèle. Ce manuscrit contient en supplément une section sur la génération de microjets par l'implosion d'agents de contraste. Ces jets peuvent apparaître en cas d’excitation acoustique suffisamment élevée. L’impact de ces jets sur parois présente un autre mécanisme responsable de la perméabilisation de membranes cellulaires. / Microbubbles find use in several domains, one of them being medical ultrasound applications. Different characteristics of those bubbles such as their acoustic resonance or their destructive effect during inertial cavitation can be exploited. Another phenomenon induced around acoustically excited bubbles is microstreaming, that means a relatively slow mean flow with respect to the fast bubble oscillations. Microstreaming and its associated shear stresses are commonly agreed to play a role in the permeabilization of cell membranes, a detailed understanding of the induced flows is however missing. To acquire basic physical knowledge, this work focuses on the characterization of streaming induced around an air bubble in water, more precisely around a single acoustically trapped and excited, nonspherically oscillating bubble. The experimental part consists of two steps. First, the bubble dynamics, in particular the triggered shape mode and the orientation of the bubble have to be controlled. For this, the use of bubble coalescence proves to be an adequate method. In a second step, the microstreaming is recorded in parallel to bubble dynamics. This allows to correlate the obtained streaming patterns to the respective shape oscillations. The large number of obtained pattern types can be classified, in particular with respect to the mode number and bubble size. A close investigation of the bubble dynamics allows furthermore deducing the important physical mechanisms which lead to such a variety of streaming patterns. In order to confirm the experimental findings, an analytical model has been developed. It is based upon time-averaged second-order fluid mechanics equations and the experimentally obtained bubble dynamics serves as input parameters. Supplementary to the microstreaming work, this manuscript contains a short section on directed jetting of contrast agent microbubbles, which might appear at high acoustic driving. The impact of those microjets on cell membranes presents another mechanism made responsible for the permeabilization of cell membranes.

L’irradiation des matériaux par des impulsions laser ultrabrèves déclenche un agencement anisotrope de la matière à l’échelle nanométrique: des structures de surface périodiques induites par laser (LIPSS). L'énergie laser déposée et distribuée de manière inhomogène dans le matériau induit des contraintes thermiques locales et des changements de phase transitoires entraînant ainsi des modifications microstructurales. Cette thèse porte sur le rôle de l'altération de la surface irradiée ainsi que les modifications microstructurales en profondeur dans la contribution à la formation des LIPSS, en établissant une corrélation entre l'auto-organisation de la matière et la génération de défauts en tenant en compte de l'orientation cristalline. Comme les LIPSS sont générés au seuil de transition de phase, l’étude de la corrélation avec les défauts induits est alors pertinente. Une étude expérimentale couplée à des simulations de dynamique moléculaire effectuées à l’Université de Virginie suggère que l'altération de surface générée par une irradiation d'échantillons monocristallins de Chrome dans le régime de spallation est susceptible de jouer un rôle majeur dans le déclenchement de génération de LIPSS de haute fréquence spatiale. La microscopie à force atomique ainsi que les résultats de simulations attestent que les caractéristiques de rugosité de surface à l'échelle nanométrique dépendent de l'orientation cristalline. La forte rugosité de surface générée par la première impulsion laser active la diffusion de la lumière laser et l’exaltation du champ local lors des irradiations ultérieures, ce qui génère des structures LIPSS de haute fréquence plus prononcés du côté (100) que celle du (110). Une étude expérimentale approfondie, utilisant la microscopie électronique rétrodiffusés et transmission, a révélé que le Cr (110) est plus susceptible d'être endommagé que les autres orientations cristallines de surface. On constate que les défauts induits par le laser peuvent altérer la topographie de surface et la région sous-jacente, ce qui peut avoir un impact sur les caractéristiques des centres de rugosité favorisant la formation de structures de fréquence spatiale élevée. Afin d’accéder à la transition de phase subie dans la région de formation des LIPSS, une approche d'analyse microstructurale à haute résolution couplée à des calculs hydrodynamiques est utilisée, comprenant la croissance épitaxiale et la nanocavitation. La formation de structures de fréquence spatiale élevée est le résultat de nanocavités périodiques piégés sous la surface, ainsi que des nanocavités apparues à la surface des matériaux cubiques faces centrées.De plus, étant donné que le feedback dans la formation des LIPSS est souvent évoquée, le comportement dynamique des surfaces a été sondé par microscopie électronique à photoémission et étayé par des calculs électromagnétiques. Un caractère périodique des photoélectrons émis par les creux des LIPSS a été mis en évidence, ce qui a permis de vérifier la modulation du dépôt d'énergie.Le travail effectué contribue non seulement à progresser vers l'objectif général d’élucider le phénomène complexe multi-échelles de la formation des LIPSS, mais ouvre une nouvelle voie expérimentale pour générer des structures non conventionnelles avec des périodicités extrêmes (~60nm), offrant ainsi de nouvelles opportunités pour le traitement laser ultrarapide des métaux. / Irradiation of materials by ultrashort laser pulses triggers anisotropically structured arrangement of matter on the nanoscale, the so-called laser-induced periodic surface structures (LIPSS), or ‘ripples’. Ultrashort laser energy deposited and distributed inhomogeneously in the material launches local thermal stresses and transient phase changes yielding microstructural modifications. This thesis focuses on the role of irradiated surface alteration as well as in-depth microstructural modifications in promoting LIPSS formation, by establishing a correlation between self-organization of matter and defect generation taking into account crystalline orientation. Since LIPSS are generated at the threshold of phase transition, then the correlation with defects formation is relevant. An experimental study coupled with molecular dynamic MD simulations performed in the University of Virginia suggest that surface alteration generated by a single pulse irradiation of monocrystalline Cr samples in the spallation regime is likely to play a main role in triggering high-spatial frequency LIPSS generation upon irradiation by multiple laser pulses. Atomic force microscopy as well as computational results suggested that the nanoscale surface features are crystalline orientation dependent. The higher surface roughness generated by the first laser pulse activates scattering of the laser light and the local field enhancement upon irradiation by the second laser pulse, leading to the formation of much more pronounced high-spatial frequency structures on the (100) surface as compared to (110) one. An extended in-depth experimental study, using electron backscattered and transmission microscopy, combined with large-scale two-temperature model TTM-MD simulations revealed that Cr (110) is more likely to get damaged. It is found that laser-induced defects can alter the surface topography and the region beneath it which can impact in turn the roughness center features promoting high-spatial frequency structures formation. In order to infer the phase transition undergone in the LIPSS region, a high resolution microstructural analysis approach coupled with hydrodynamic calculations is employed, including epitaxial regrowth and nanocavitation. High-spatial frequency structures formation is found to be the result of periodic nanovoids trapped beneath the surface as well as nanocavities emerged at the surface on fcc materials. Furthermore, since optical feedback in LIPSS is often evoked, the behavior of dynamical surfaces was probed by photoemission electron microscopy and supported by electromagnetic calculations. A periodic character of photoelectrons emitted from nanoholes was unveiled, which in turn verified a modulated energy deposition. The performed work not only contributes to the progress towards the general goal of untangling the complex multiscale phenomenon of the LIPSS formation, but unlocks a new experimental setup to generate unconventional structures with extreme periodicities (~60 nm), which offers new opportunities in ultrafast laser processing of metals.

Ce travail a pour thème la simulation numérique d’écoulements diphasiques dans un contexte industriel. En effet, la simulation d’écoulements diphasiques est un domaine qui présente de nombreux défis, en raison de phénomènes complexes qui surviennent, comme la cavitation et autres transferts entre les phases. En outre, ces écoulements se déroulent généralement dans des géométries complexes rendant difficile une résolution efficiente. Les modèles que nous considérons font partie de la catégorie des modèles à interfaces diffuses et permettent de prendre en compte aisément les différents transferts entre les phases. Cette classe de modèles inclut une hiérarchie de sous-modèles pouvant simuler plus ou moins d’interactions entre les phases. Pour mener à bien cette étude nous avons en premier lieu comparé les modèles diphasiques dits à quatre équations et six équations, en incluant les effets de transfert de masse. Nous avons ensuite choisi de nous concentrer sur le modèle à quatre équations. L’objectif majeur de notre travail a alors été d’étendre les méthodes aux résidus distribués à ce modèle. Dans le contexte des méthodes de résolution numérique, il est courant d’utiliser la forme conservative des équations de bilan. En effet, la résolution sous forme non-conservative conduit à une mauvaise résolution du problème. Cependant, résoudre les équations sous forme non-conservative peut s’avérer plus intéressant d’un point de vue industriel. Dans ce but, nous utilisons une approche développée récemment permettant d’assurer la conservation en résolvant un système sous forme non-conservative, à condition que la forme conservative soit connue. Nous validons ensuite notre méthode et l’appliquons à des problèmes en géométries complexes. Finalement, la dernière partie de notre travail est dédiée à étudier la validité des modèles à interfaces diffuses pour des applications à des problèmes industriels réels. On cherche alors, en utilisant des méthodes de quantification d’incertitude, à obtenir les paramètres rendant nos simulations les plus vraisemblables et cibler les éventuels développements pouvant rendre nos simulations plus réalistes. / The topic of this thesis is the numerical simulation of two-phase flows in an industrial framework. Two-phase flows modelling is a challenging domain to explore, mainly because of the complex phenomena involved, such as cavitation and other transfer processes between phases. Furthermore, these flows occur generally in complex geometries, which makes difficult the development of efficient resolution methods. The models that we consider belong to the class of diffuse interface models, and they allow an easy modelling of transfers between phases. The considered class of models includes a hierarchy of sub-models, which take into account different levels of interactions between phases. To pursue our studies, first we have compared the so-called four-equation and six-equation two-phase flow models, including the effects of mass transfer processes. We have then chosen to focus on the four-equation model. One of the main objective of our work has been to extend residual distribution schemes to this model. In the context of numerical solution methods, it is common to use the conservative form of the balance law. In fact, the solution of the equations under a non-conservative form may lead to a wrong solution to the problem. Nonetheless, solving the equations in non-conservative form may be more interesting from an industrial point of view. To this aim, we employ a recent approach, which allows us to ensure conservation while solving a non-conservative system, at the condition of knowing its conservative form. We then validate our method and apply it to problems with complex geometry. Finally, the last part of our work is dedicated to the evaluation of the validity of the considered diffuse interface model for applications to real industrial problems. By using uncertainty quantification methods, the objective is to get parameters that make our simulations the most plausible, and to target the possible extensions that can make our simulations more realistic.