Pour étudier les systèmes électromagnétiques, mécaniques ou thermiques, on a de plus en plus recours à la modélisation numérique. Pour la résolution des différents modèles mathématiques, la méthode des éléments finis est généralement utilisée. Dans le cas de couplages multi-physiques, les particularités de chacune des grandeurs étudiées impliquent l'utilisation d'un maillage commun le plus souvent important en termes de nombre d'éléments. L'objectif de ce travail est de proposer et de mettre en oeuvre une méthode de projection de grandeurs discrètes permettant l'utilisation de maillages dédiés pour chacun des domaines de la physique. Dans le premier chapitre, les modèles mathématiques décrivant les phénomènes de l'électromagnétisme, de la thermique et de la mécanique, ainsi que les espaces de discrétisation des différentes inconnues sont exposés. Dans la seconde partie, la méthode de projection est introduite à l'aide d'une interprétation géométrique de la méthode des éléments finis, puis est développée, tout d'abord dans le cas général, puis pour chacun des domaines de la physique étudiés. Des exemples académiques sont également traités dans cette partie afin de valider la démarche utilisée. Enfin, dans le troisième chapitre, la méthode de projection est employée pour modéliser des dispositifs électromagnétiques dans le cas de couplages magnétothermique et magnétomécanique. / To study electromagnetic, mechanical or thermal systems, numerical modelling is more and more used. Generally, to numerically solve the mathematical models, the finite element method is used. ln the case of multi-physical coupling, the properties of each of the studied quantities imply the use of a common meshing which is mostly important in terms of number of elements. The aim of this work is to propound and use a projection method for discrete quantities allowing using dedicated meshes for each phenomenon. ln the first chapter, the mathematical models describing the electromagnetic, thermal and mechanical phenomena, as well as the discretization spaces of each unknown are exposed. ln the second chapter, the projection method is presented through a geometrical interpretation of the finite element method, and then is developed in a general way and for every physical phenomenon. Academicals examples are also modelled to validate the method. Finally, in the third chapter, the projection method is used for the modelling of electromagnetic systems in the case of magnetothermal and magnetomechanical couplings.

Ce travail de thèse porte essentiellement sur l’étude du couplage élasto-plasmonique dans des systèmes périodiques nanostructurés. Cette interaction plasmon/phonon est étudiée dans un premier temps sur un nanofil métallique inséré dans une cavité d’un cristal bidimensionnel, consistant en un réseau de trous d’air percés dans une matrice diélectrique. Le second système analysé est un cristal à résonances locales composé d'une membrane diélectrique non absorbante, sur laquelle nous avons déposé un réseau carré de nanocylindres d'or. L'intérêt d'étudier ce système résulte du fait qu'il supporte des phonons bien localisés au niveau des nanocylindres, ce qui est une condition nécessaire pour un couplage efficace avec les modes plasmoniques. Le troisième système examiné est également un cristal à résonances locales, composé d’un réseau de nanocylindres métalliques en interaction avec un film métallique par l'intermédiaire d'un film ultra-mince de silice. L’intérêt d’étudier cette dernière structure est double : d’une part, les plasmons deviennent sensibles, par leur forte localisation, à des petites déformations du film ; d’autre part, ce système supporte des phonons bien localisés ce qui permet d’obtenir une amplification locale des vibrations à partir d’une source acoustique. En fin, il s’agit d’une cavité duale pour les phonons et les plasmons. Pour les trois systèmes étudiés dans cette thèse, nous avons montré qu’une vibration mécanique peut moduler au cours de sa période acoustique, la longueur d’onde de résonance des modes plasmoniques supportés par la structure. / This thesis is focused on the elastoplasmonic coupling in periodic nanostructured systems. This interaction plasmon/phonon has been studied first for a metal nanowire inserted into a cavity of a two-dimensional crystal, consisting in a periodic array of holes in a dielectric matrix. The second investigated system is a crystal with sustaining local resonances. The crystal is formed by a square array of gold nanocylindres deposited on a non-absorbing dielectric membrane. The interest of such a system is that it can support phonon modes localized in the nanocylindre enabling thus an efficient coupling with plasmon modes. The third system is a crystal constituted by a metal nanoparticles array coupled to a metal film via an ultra thin dielectric spacer (silica). The motivation behind such a study is twofold: first, plasmon modes are sensitive to small local deformations due to their strong confinement; second such a system supports many localized phonons that can provide a local amplification of vibrations. It is then a dual cavity for phonon and plasmon modes. For the three systems studied in this thesis, we have shown that mechanical vibrations can modulate during an acoustic period the wavelength of the plasmon resonance modes supported by the structure.

Dans cette thèse, nous présentons une modélisation numérique du comportement élastoplastique d'une pâte de ciment soumise à la dégradation chimique. Une courte synthèse bibliographique est d'abord présentée sur la composition minéralogique, la chimie, le comportement mécanique de base, les mécanismes de dégradation chimique et le couplage chimie-mécanique des matériaux cimentaires en général et de la pâte de ciment en particulier. En se basant sur cette synthèse et des données expérimentales, un modèle de comportement élastoplastique est ensuite formulé dans le chapitre 2, pour des pâtes de ciment soumises essentiellement à des contraintes de compression. Deux mécanismes de déformations plastiques sont identifiés, liés respectivement au cisaillement déviatorique et à la compaction des pores. En définissant la dégradation chimique par une variable d'endommagement chimique, les propriétés élastiques et plastiques sont affectées par cet endommagement. Les essais mécaniques effectués sur des échantillons sains et chimiquement dégradés sont simulés par le modèle proposé. La détermination de la cinétique de l'endommagement chimique est abordée dans le chapitre 3. En se basant sur un modèle phénoménologique de la lixiviation chimique, la cinétique de l'endommagement chimique est contrôlée par le processus de diffusion des ions calcium dans la solution interstitielle. La concentration en calcium de la solution interstitielle est alors considérée comme la variable d'état chimique. La variation de la teneur en calcium dans la matrice solide et celle de la porosité sont reliées à la concentration en calcium en fluide par la courbe d'équilibre thermodynamique. La méthode des éléments finis est utilisée par la résolution numérique de l'équation de diffusion généralisée. Le modèle proposé est enfin étendu pour inclure l'endommagement mécanique par microfissuration afin de décrire le comportement fragile des matériaux cimentaires. Un exemple d'application du modèle à une structure soumise à la dégradation chimique est présenté. / Thesis presents elastoplastic modelling of cement-based materials coupledwith chemical degradation and mechanical damage. The emphasis is put on cementpaste subjected to compressive stresses. A short literature review is first presented on the mineralogical composition, chemical degradation mechanisms, basic mechanical behaviour and chemical-mechanical coupling. Based on this analyses and a series of experimental data obtained from uncoupled and coupled tests, an elastoplastic constitutive model coupled with chemical damage is first formulated. Two plastic mechanisms are taken into account; respectivelyrelated to deviatoric shearing and pore collapse. The chemical damage is identified as relative variation of porosity. Elastic and plastic properties are affected by chemical damage. Numerical simulations are compared with experimental data and good agreements have been obtained. The evolution of the chemical damage has been described by the generalized diffusion equation which is based on the mass balance equation and a phenomenological chemistry model. We have used finite element method to solve the generalized diffusion equation. Coupled chemical-mechanical tests have been simulated by the proposed model and we have also obtained satisfactory concordance. An extension of the model is finally proposed by including mechanical damage due to microcracks in order to describe brittle responses of material under tensile stresses and low confining pressures. An example of application to structural analysis with chemical degradation is presented. It has been shown that the proposed model describes correctly the main features of the mechanical behaviours of cement-based materials at different stress conditions with chemical degradation.

En anesthésie-réanimation, l'insuffisance circulatoire aiguë vasoplégique est une situation quotidiennement rencontrée (sepsis, chirurgie, polytraumatisme) qui implique une prise en charge rapide par l'utilisation d'un agent vasopresseur (noradrénaline, le plus souvent). Ce syndrome fait partie d'une atteinte plus large de la fonction vasculaire qui comprend une dysfonction de l'endothélium vasculaire et de ses fonctions de modulation du tonus vasculaire, de la perméabilité vasculaire, de la cascade de la coagulation et des cellules immunitaires. Dans la première étude, nous avons démontré que la survenue d'un syndrome vasoplégique est associée à un trouble de la vasomotricité endothéliale dépendante de la voie du monoxyde d'azote (NO). Dans le deuxième travail, nous avons évalué le couplage ventriculo-artériel chez des patients avec une insuffisance circulatoire dite vasoplégique. L'analyse hémodynamique par une approche du couplage ventriculo-artériel (couplage VA) caractérise mieux l'état hémodynamique qu'une approche conventionnelle (débit, résistances). L'indice de couplage ventriculo-artériel prédit l'évolution de la pression artérielle et du débit cardiaque avec un traitement par noradrénaline, contrairement aux variables hémodynamiques habituelles. Dans la troisième étude, nous avons décrit un nouvel indice hémodynamique permettant d'évaluer en temps réel le tonus vasomoteur (l'élastance artérielle dynamique), donc du besoin en noradrénaline. L'élastance artérielle dynamique prédit la dépendance de la pression artérielle à la noradrénaline. Dans le dernier travail, nous avons validé l'utilisation de cet indice au lit du malade pour optimiser le traitement par noradrénaline. Ces études soulignent l'impact clinique positif d'une nouvelle approche du syndrome vasoplégique en repositionnant notre "regard de l'hémodynamique" selon une approche dynamique : élastance artérielle dynamique et couplage ventriculo-artériel / In ICU and anetshesia, acute vasoplegic syndrom is a daily clinical situation (sepsis, surgery, polytraumatism ...) which involves rapid care by the use of a vasopressor (norepinephrine most often). This syndrome is part of a wider disease; vascular dysfunction which includes dysfunction of the vascular endothelium, dysfunction of vascular tone, vascular permeability, coagulation cascade and immune cells. In the first study, we demonstrated that the occurrence of vasoplegic syndrome is associated with an endothelial vasomotor disorder that is dependent on the NO pathway. In the second work, we evaluated the ventriculo-arterial coupling in patients with vasoplegic syndrom for which norepinehrine was prescribed. Hemodynamic analysis using a ventriculo-arterial coupling approach characterizes the hemodynamic state better than a conventional approach (flow, resistance). The ventriculo-arterial coupling ratio predicts the evolution of blood pressure and cardiac output with norepinephrine treatment. In the third study, we described a new hemodynamic indicator that evaluates in real time the vasomotor tone (dynamic arterial elastance), and therefore the need for nnorepinephrine. Dynamic arterial elastance predicts the norepinehrine dependence of arterial pressure. In the last work, we validated the use of dynamic arterial elastance at the bedside to optimize norepinephrine treatment. These studies highlight the positive clinical impact of a new approach of vasoplegic syndrome by repositioning our "hemodynamic view" in a dynamic approach: dynamic arterial elastance and ventriculo-arterial coupling

La résonance plasma Josephson a permis de détecter précisément l'évolution de la densité Suprafluide hors plan dans le Bi2Sr2CaCu2O8+δ sous-dope en fonction du désordre cristallin. La comparaison avec plusieurs résultats de la littérature a permis de montrer que le transport des charges est réalisé par effet Josephson incohérent par opposition au cas optimalement dope. Tandis que l'évolution des propriétés supraconductrices au sein des plans est bien interprétée dans le cadre de la théorie d'Abrikozov Gor'kov, le transport interplan des paires de Cooper est assure par diffusion anisotrope dans la limite de Born sur les défauts présents entre les couches CuO2. Ce résultat est en accord avec la récente proposition qui relie les modulations spatiales du gap supraconducteur à la présence des défauts d'oxygène entre les plans. En revanche, il sera nécessaire d'effectuer les mêmes mesures sur le composée optimalement dope afin de voir si les défauts d'irradiation permettent de passer de la limite d'un couplage cohérent a celui d'un couplage incohérent. Concernant les propriétés de l'état mixte, la résonance plasma a pu montrer que le rajout d'une composante parallèle aux plans CuO2 du champ magnétique ` a un liquide de pancakes, permet d'induire des corrélations spatiales. Cet effet est du a la réorganisation des courants supraconducteurs. Là encore, seule la résonance plasma Josephson permet de sonder l'état liquide des vortex en raison de sa grande fréquence par rapport aux mouvements de vortex. En conclusion, cette thèse a démontre l'importance de la technique de la résonance plasma Josephson pour l'étude des propriétés supraconductrices dans les matériaux lamellaires. Elle appelle a la mise au point de techniques expérimentales de détection résolue en fréquence qui permettront d'explorer de façon continue le diagramme de phase en champ et en température.

Th.--Sci. phys.--Nancy--I.N.P.L., 1983.

Les boucles fluides diphasiques à pompage thermo-capillaire (BFDPT) ont été identifiées comme des solutions de transport de chaleur alternatives dans le contexte des transports terrestres, afin de répondre au contrôle thermique de l’électronique de puissance. Le développement d’une architecture particulière de boucle, mettant à profit la gravité, a été mené afin d’adapter la capacité des BFDPT à ces nouvelles contraintes. Les investigations expérimentales et numériques ont permis de montrer le fort potentiel de ce nouveau système et amènent aujourd’hui à sa future utilisation industrielle.La conception d’une nouvelle boucle expérimentale avec trois évaporateurs, en parallèle, a pour objectif d’élargir son utilisation comme « bus thermique ». Le banc expérimental, finement instrumenté, a pour but d’approfondir les études antérieures et de caractériser les réponses de cette boucle à une application de puissance, en régime permanent et transitoire, avec un ou plusieurs évaporateurs. L’analyse des résultats obtenus met en évidence les nombreux couplages entre évaporateurs, réservoir et condenseur,notamment lors de phases transitoires sévères, et confirme la capacité du système à gérer le contrôle thermique de l’électronique quelles que soient les puissances appliquées sur les différents composants.Les résultats du travail de modélisation, basée sur la méthode nodale, s’avèrent prédire correctement le comportement thermohydraulique transitoire de la boucle, en fonctionnement nominal, en mode mono ou multi-évaporateurs. Malgré une représentation des évaporateurs et du réservoir encore simplifiée et tributaire de l’expérience, le modèle se révèle être un très bon outil de dimensionnement et d’analyse. / Two-phase fluid capillary pumped loop (TFCPL) have been identified as heat transfers alternative solutionsfor thermal control of power electronics, in the context of ground transportation. A special gravityloop has been improved to adapt TFCPL capacity to these new terrestrial constraints. Experimentaland numerical investigations have proved the great potential of this kind of system and lead today toits upcoming industrial use.The aim is now to employ this new system as « thermal busbar ». A new experimental loop withthree parallel evaporators was built to go further into the earlier studies. Thanks to many measurementinstruments, the goal is to define steady and transient thermohydraulic responses to a power solicitationwith a mono- or multi-evaporators loop. Results highlight many coupling between evaporators, reservoirand condenser, especially during strong transient phases. The thermal control of power electronics, withdifferent range of thermal dissipation on several separate areas, is furthermore demonstrated.The developed modeling is based on nodal method. Transient thermohydraulic behaviour of the gravityloop is very well predicted by numerical results during nominal operating, with one or more evaporators.Even if evaporators and reservoir models are still simplified and depend on empirical identifications, theglobal model of the loop proves to be a great design and analysis tool.

Le traitement des sédiments de dragage pollués aux métaux lourds est une alternative à leur stockage sur sites homologués et pourrait permettre la réutilisation des sédiments en technique routière ou en butte paysagère. Le procédé de dépollution envisagé dans ce projet consiste à déposer les sédiments contaminés sur des géotextiles, matériaux présentant une structure poreuse idéale pour la filtration. La lixiviation permet ensuite de rendre mobile une partie des polluants métalliques afin qu’ils puissent être adsorbés par les géotextiles. Cependant, ces matériaux, généralement synthétiques, n’ont pas de capacité intrinsèque à retenir les métaux et doivent donc être fonctionnalisés avec des molécules capables de fixer les métaux lourds. Cette thèse est orientée vers le développement de procédés de fonctionnalisation par plasma et laser, l’objectif final étant d’immobiliser des biomolécules chélatantes à la surface des géotextiles. Ces biomolécules sont fixées par couplage chimique sur des fonctions –COOH obtenues préalablement par greffage d’un agent intermédiaire, l’acide acrylique. La surface des fibres a été analysée à chaque étape de traitement par microscopie électronique à balayage, spectrométrie infrarouge, et par spectrométrie photoélectronique à rayons X, prouvant le greffage covalent de l’acide acrylique puis des biomolécules. Enfin, des tests avec des solutions métalliques ont été effectués afin de pouvoir sélectionner le textile fonctionnalisé le plus efficace pour réaliser des essais à l’échelle pilote. Parallèlement, une étude de modélisation a été amorcée afin d’étudier plus précisément la structure des complexes métal/biomolécule obtenus. / The treatment of dredged sediments contaminated with trace metals is an alternative to the current storage in accredited sites and could allow the reusability of sediments in civil engineering. The remediation process considered in this project consists in the deposition of polluted sediments onto geotextiles, structures possessing filtration properties. The leaching then favors the release of metals that can be sequestered by the geotextiles. However, these textile structures are mainly composed of synthetic polymers and thus cannot retain heavy metals. Therefore, they have to be functionalized with molecules able to adsorb metal ions present in aqueous media. The main objective of this PhD thesis was to develop functionalization processes using plasma and laser techniques, in order to immobilize biomolecules with chelating properties at the surface of the fabrics. These biomolecules were immobilized by chemical coupling onto –COOH groups obtained at the fabric surface by the grafting of a spacer, namely acrylic acid. The surface of the fibers was characterized at the different grafting steps by scanning electron microscopy, infrared spectrometry and X-ray photoelectron spectrometry: evidence of the covalent grafting of acrylic acid and then of biomolecules was given. Some remediation tests were then carried out in order to select the most interesting functionalized materials for further studies at pilot scale. In parallel, a computational study was initiated in order to determine the structure of the metal/biomolecule complexes.

L’analyse de la Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) des systèmes complexes consiste à prévoir le comportement EM d’appareils électroniques immergés dans un environnement où interviennent des interactions de natures très variées. Ce peut être des phénomènes multiphysiques où se combinent des couplages EM et thermiques; il peut aussi s’agir d’architectures mulitéchelles comportant des composants de dimensions disproportionnées devant la longueur d’onde; ces interactions peuvent aussi concerner des configurations multiparamètres lorsque plusieurs éléments interviennent simultanément dans le calcul des perturbations EM. La thèse a consisté en la mise en place d’une méthode qui semble bien adaptée à la résolution de ces problèmes de CEM complexes. L’outil développé s’appuie sur l’utilisation de l’analyse tensorielle des réseaux électriques instaurée par G. KRON et qu’on envisage étendre à la CEM des systèmes complexes. Le raisonnement consiste à fusionner différents outils numériques de simulations existants, au moyen d’une méthodologie basée sur l’assimilation d’un grand système à un assemblage de circuits électriques équivalents. Circuits auxquels nous pourrons associer la résolution d’une équation contenant un super-tenseur impédance ainsi que des tenseurs fém et courants dont il faut s’efforcer de déterminer les règles de construction. A titre d’illustration, le couplage EM entre câbles, le blindage des lignes, les antennes et une cavité EM ont été simulé par le formalisme de KRON pour permettre la mise en forme d’une bibliothèque de sous-fonctions réutilisables pour l’étude de systèmes plus complexes / Analysis of the Electromagnetic Compatibility (EMC) of so-called complex systems consists of predicting voltage induced on electronic circuits submitted to various EM couplings. Such phenomena may consist of couplings between EM and Thermal parameters, or they may concern couplings throughout systems of various sizes with respect to the wavelength and the behaviour of the system. These interactions may also depend on many parameters like dimension, physical data and so on. This thesis is aimed at developing a method well-suited to resolving the problems posed by the EMC of complex systems. This method reduces these couplings to a circuit assembly with a combination of inductance, capacitance and resistance, voltage source and current source. The main advantage of the methodology will be to use the formalism of electrical networks developed by G. KRON, which consists of solving the circuit theory by means of the inversion of a large matrix size. In the scope of this work, EM coupling between cables, shielded cables, antennas, and an EM cavity were simulated with KRON’s formalism to establish a library of subroutines to use to solve complex EMC problems. The comparison between KRON’s method and measurements of the coupling between antennas inside an EM cavity under various configurations shows the efficiency of the method for EMC problems concerning systems of variable sizes and large numbers of parameters. Finally, we proposed to study the simulation of an electrothermal system which consists of both the electrical propagation and thermal diffusion inside a coaxial system filled with a thermally and electrically conducing material. This study seems to open new possibilities for the development of a new generation of EMC tool.

Les études de cette thèse sont centrées sur la caractérisation expérimentale de la durabilité des bétons pour l’Andra (Agence Nationale de gestion des Déchets RadioActifs), notamment pour l’étude de la faisabilité du stockage de déchets radioactifs en formation géologique profonde. Dans ce contexte, les bétons sont soumis à des sollicitations couplées : variation de contraintes lors de l’excavation des galeries, variation de saturation due à la ventilation, mise en pression de gaz dans l’ouvrage, variation de température due aux déchets exothermiques... Il est donc nécessaire d’acquérir de nouvelles données expérimentales afin de caractériser finement les processus thermo-hydro-mécaniques impliqués, à court et à long termes. Les recherches sont réalisées sur les bétons de référence de l’Andra, fabriqués à base de ciment CEM I et CEM V/A. A court terme, différents essais cherchent à mettre en évidence l’évolution du comportement mécanique multiaxial des bétons en fonction de la saturation et de la température. A long terme, des essais de fluage (uniaxial et multiaxial) visent à analyser le comportement mécanique différé de ces bétons sous température ou lors d’un séchage par paliers d’humidité relative contrôlée. / Studies of this paper are focused on the experimental characterization of concrete durability for Andra (National Agency for Radioactive Waste Management), and notably in order to study the feasibility of radioactive waste storage in deep geological rocks. In that context, the concretes are subjected to coupled mechanisms: stress variation due to cavity excavation, change of water saturation degree due to ventilation and gas pressure, variation of temperature due to exothermic waste… Therefore, it is necessary to acquire new experimental data for an adequate characterization of short and long-term thermo-hydro-mechanical couplings. Researches are carried out on Andra reference concretes made from cement CEM I and CEM V/A. In the short term, various tests highlight the evolution of multiaxial mechanical behaviour of concrete as a function of saturation and temperature. In a long-term view, creep tests (uniaxial and multiaxial) are performed to study the delayed effects of mechanical behaviour under temperature or during drying by small controlled steps in relative humidity.