Nous étudions dans cette thèse une méthode hybride de résolution des systèmes linéaires GMRES/LS-Arnoldi qui accélère la convergence grâce à la connaissance des valeurs propres calculées parallèlement par la méthode d’Arnoldi dans les cas réels. Le caractère asynchrone de cette méthode présente l’avantage de fonctionner avec une architecture hétérogène. Une étude de cas complexe est également faite en effectuant la transformation de la matrice complexe en une matrice réelle de dimension double. Nous avons mis en oeuvre la méthode GMRES hybride ainsi que la méthode GMRES générale sur trois différents types de plates-formes matérielles. Il s’agit respectivement de supercalculateurs IBM série SP, plates-formes matérielles typiquement centralisées; de Grid5000, une plate-forme matérielle typiquement distribuée, et de Tsubame (Tokyo-tech Supercomputer and Ubiquitously Accessible Massstorage Environment) supercalculateur, dont certains noeuds sont munis d’une carte accélératrice. Nous avons testé les performances de GMRES général et de GMRES hybride sur ces trois plates-formes, en observant l’influence des nombreux paramètres sur les performances. Des résultats significatifs ont ainsi été obtenus, nous permettant non seulement d'améliorer les performances du calcul parallèle, mais aussi de préciser le sens de nos efforts futurs. / In this thesis, we have studied an effective parallel hybrid method of solving linear systems, GMRES / LS-Arnoldi, which accelerates the convergence through knowledge of some eigenvalues calculated in paralled by the Arnoldi method in real cases. The asynchronous nature of this method has the advantage of working with a heterogeneous architecture. A study in complex cases is also done by transforming the complex matrix into a real matrix of double dimension. We have implemented our hybrid GMRES method and the general GMRES method on three different types of hardware platforms. They are respectively the IBM SP series supercomputer, a typically centralized hardware platform; Grid5000, a fully distributed hardware platform, and the Tsubame (Tokyo-tech Supercomputer and Ubiquitously Accessible Massstorage Environment) supercomputer, where some nodes are equipped with an accelerator card. We have tested the performance of general GMRES and hybrid GMRES on these three platforms, observing the influence of various parameters for the performance. A number of meaningful results have been obtained; we can not only improve the performance of parallel computing but also specify the direction of our future efforts.

Les structures de sphères creuses appartiennent à la famille des matériaux cellulaires qui ont récemment été étudiés pour leurs multiples propriétés. Dans le cas de cette thèse, le but des sphères creuses est de dissiper l’énergie d’impact d’un oiseau sur un cockpit d’avion. Elles sont développées dans le cadre du projet SAMBA (Shock Absorber Material for Birdshield Application) afin d’optimiser leur énergie spécifique absorbée (J/kg).Dans un premier temps, des essais quasi-statiques (v = 5 mm/min) et dynamiques (v = 2 m/s) de compression uni-axiale sont conduits à température ambiante sur une seule sphère creuse de diamètre 30 mm. Une propagation rapide de fissures macroscopiques est observée. Le formalisme de la Mécanique Élastique Linéaire de la Rupture (MELR) est utilisé pour estimer le taux de restitution d’énergie critique dynamique GIdc du matériau constitutif. La position du sommet de fissure est mesurée pendant la propagation de fissure à l’aide d’une caméra rapide. La Méthode des Éléments Discrets (DEM) permet de simuler la rupture dynamique en implémentant une technique de relâchement des nœuds. Le taux de restitution d’énergie GIdc peut être estimé à partir de l’histoire (position et temps) du sommet de fissure. Le modèle numérique montre que les structures sphériques dissipent une proportion importante de l’énergie par des effets dynamiques. A une même vitesse de propagation, plus l’épaisseur de coque est fine, plus les effets inertiels générés par la rupture sont importants et ce pour une même vitesse de propagation.Le modèle numérique DEM est ensuite employé pour reproduire la rupture dynamique sur une sphère creuse à l’aide d’un critère en contrainte seule ou un critère mixte en contrainte – énergie. Les bons résultats obtenus démontrent la capacité de la DEM à représenter la propagation de fissures en régime dynamique.Finalement, des essais numériques et expérimentaux multi-sphères sont réalisés afin évaluer le comportement des sphères creuses au sein d’un assemblage. / Hollow sphere structure (HSS) belongs to cellular solids that have been studied recently for its multiples properties. In our case, HSS aims to absorb soft impacts energy on an airliner cockpit. HSS is investigated through the SAMBA (Shock Absorber Material for Bird-shield Application) project because of its promises in term of specific energy dissipated (J/kg) during impact.First of all, quasi-static and dynamic (v = 5 mm/min to v = 2 m/s) uniaxial compression tests are conducted at room temperature on a single sphere (D = 30 mm). Rapid crack propagation (RCP) is observed to be predominant at macroscopic scale. The formalism of Linear Elastic Fracture Mechanics (L.E.F.M.) is therefore used to estimate the dynamic energy release rate GIdc . The crack tip location is measured during the crack propagation using a high speed camera. The Discrete Element Method (DEM) is used to simulate the dynamic fracture by implementing the node release technique. The dynamic energy release rate can be determined using an experimentally measured crack history. In spherical structures the numerical results reveal a high proportion of energy dissipated through inertial effects as well as a dependence of the thickness of the hollow sphere over the range of 0.04 mm to 1.2 mm.The DEM model Is then employed to reproduce the RCP according to two failure criterions: a stress criterion and a coupled stress-energy criterion. It reveals to be an interesting way to model the mechanical behavior of brittle materials.Eventually, experimental and numerical multi-spheres tests are performed to evaluate the behavior of brittle hollow spheres within an assembly.

Les recherches que nous présentons dans ce mémoire portent sur les contacteurs membranaires en phases liquide/liquide appliqués à la précipitation. Le principe du contacteur à membrane, pour une réaction chimique, est le suivant : un réactif A circule tangentiellement à la surface de la membrane et un réactif B est introduit à travers les pores de la membrane. Le mélange et la réaction entre A et B se produisent à l'intérieur du module membranaire.<br />Un modèle numérique a été développé pour simuler l'écoulement et l'évolution des concentrations des réactifs. Les simulations montrent que l'utilisation de fibres creuses de faible rayon interne permet d'optimiser le mélange. A partir de ces résultats, un pilote a été conçu utilisant des modules fibres creuses pour une réaction modèle : la précipitation de BaSO4 à partir d'une solution de BaCl2 (A) et de K2SO4 (B). L'analyse d'images des cristaux obtenus permet de déterminer leur morphologie, leur taille et le taux de conversion du produit.

La résolution de systèmes linéaires creux est critique dans de nombreux domaines de la simulation numérique. Beaucoup d'applications, notamment industrielles, utilisent des méthodes directes en raison de leur précision et de leur robustesse. La qualité du résultat, les fonctionnalités numériques, ainsi que le temps de calcul sont critiques pour les applications. Par ailleurs, les ressources matérielles (nombre de processeurs, mémoire) doivent être utilisées de manière optimale. Dans cette habilitation, nous décrivons des travaux poursuivant ces objectifs dans le cadre de la plate-forme logicielle MUMPS, développée à Toulouse, Lyon-Grenoble et Bordeaux depuis une quinzaine d'années. Le cœur de l'approche repose sur une parallélisation originale de la méthode multifrontale : une gestion asynchrone du parallélisme, associée à des ordonnanceurs distribués, permet de traiter des structures de données dynamiques et autorise ainsi le pivotage numérique. Nous nous intéressons à l'ordonnancement des tâches, à l'optimisation de la mémoire et à différentes fonctionnalités numériques. Les travaux en cours et les objectifs futurs visent à résoudre efficacement des problèmes de plus en plus gros, sans perte sur les aspects numériques, et tout en adaptant nos approches aux évolutions rapides des calculateurs. Dans ce contexte, les aspects génie logiciel et transfert deviennent critiques afin de maintenir sur le long terme une plate-forme logicielle comme MUMPS. Cette plate-forme est à la fois nécessaire à nos travaux de recherche et utilisée en production ; elle maximise ainsi les retours applicatifs qui valident nos travaux et permettent d'orienter nos recherches futures.

Ce travail a eu pour objectif la mise au point d'un nouveau procédé de filage par voie humide dans des conditions de coagulation interrompue pour la formation des fibres creuses mono- et multi-membranaire à base d'hydrogels de chitosane. Pour cela, l'étude du rôle des paramètres de filage (vitesse d'extrusion et d'étirage) et des paramètres physico-chimiques de coagulation (concentration du collodion, nature et concentration de l'agent coagulant) a d'abord permis d'élaborer des fibres creuses à partir d'un macrofilament liquide. Cette approche a été généralisée pour la fabrication de fibres creuses multi-membranaires en mettant au point un procédé de neutralisation à plusieurs étapes au moyen de bains successifs coagulation/lavage conduisant ainsi à la formation d'un assemblage de membranes et d'espaces membranaires. En modifiant la viscosité du collodion et la nature et concentration de la base neutralisante, la microstructure des hydrogels de chitosane a été analysée par diffusion/diffraction de rayonnement (X et lumière) et microscopie électronique. Selon les conditions de coagulation, il est possible de former des hydrogels par assemblages d'agrégats ou encore des structures bien organisées comme les gels de chitosane avec micro-canaux. En résumé, ce travail a permis d'apporter de nouveaux éléments sur le phénomène de coagulation du chitosane pour la formation d'une large gamme de matériaux bio-inspirés "leurres des milieux biologiques" à propriétés biologiques contrôlées pour l'ingénierie tissulaire: tube creux ou multi-membranaires comme substituts vasculaires, ou comme guides pour régénération nerveuse

Les micro-plasmas constituent une technologie d'avenir pour des applications aussi nombreuses que diverses : dépollution, traitement de surface, applications bio-médicales, accélération aérodynamique... Nous avons étudié ces micro-plasmas dans des gaz inertes (hélium ou argon), en les alimentant en courant continu dans des structures de type micro-cathode creuse. Afin de comprendre les mécanismes physiques régissant leur comportement, nous les avons caractérisés par plusieurs diagnostics, notamment par caméra ICCD et par spectrométrie d'émission optique. Ce dernier diagnostic nous a permis de déterminer la température du gaz des micro-plasmas, par l'analyse de la structure rovibrationnelle des raies du second système positif de l'azote (présent à l'état de traces), mais aussi d'effectuer des mesures de densité électronique, en analysant l'élargissement Stark de la raie H béta. Ces paramètres physiques obtenus expérimentalement, ont été comparés à leurs équivalents obtenus par simulation (logiciel GdSIM du laboratoire Laplace). Ce travail de thèse a également permis de montrer la possibilité d'atteindre le régime luminescent anormal d'un micro-plasma, en réduisant l'aire de la surface cathodique extérieure de la micro-cathode creuse. Ce régime de fonctionnement s'accompagne d'une hausse rapide de la température du gaz, ainsi que d'un phénomène d'hystérésis qui apparaît sur une courbe I-V, pour une rampe d'alimentation en courant linéairement croissante puis décroissante. Dans le cas de plusieurs micro-plasmas fonctionnant en parallèle, nous avons mis à jour un nouveau mécanisme, expliquant l'allumage des cavités de proche en proche.

Cette thèse a pour but de discuter les mécanismes à l’origine de la for-mation, de l’activité pour la réduction de l’oxygène (ORR) et de la sta-bilité de nanoparticules (NPs) creuses à base de Pt supportées sur car-bone pour des applications en pile à combustible à membrane échan-geuse de protons (PEMFC). La formation et la croissance des NPs, syn-thétisées par une méthode dite ‘one-pot’, ont été étudiées par l’inter-médiaire de mesures microscopiques, électroniques et de diffraction, nous permettant ainsi de mettre en évidence les différentes étapes de la synthèse. Le procédé de synthèse a été étendu à différents métaux non nobles (M = Ni, Co, Cu, Zn and Fe) et à différents supports carbonés. L’activité supérieure des NPs pour l’ORR résulte (i) de la contraction du paramètre de maille induit par la présence du métal non-noble, (ii) de leur porosité ouverte et (iii) de la densité de défauts structuraux à la surface des NPs (rationalisée via COads stripping et analyse de Riet-veld). Les défauts structuraux se seront montrés plus stables que le mé-tal non-noble durant les tests de vieillissement accéléré. / This thesis investigates the mechanisms driving the formation, the en-hanced activity for the oxygen reduction reaction (ORR) and the dura-bility of porous hollow PtM/C nanoparticles (NPs) for proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) applications. The formation and growth of the NPs, synthesized by a ‘one-pot’ process, were discussed in the light of microscopic, in operando X-ray and electronic measurements, unveiling the different intermediate steps of the synthesis. The synthe-sis process was extended to different non-noble metals (M = Ni, Co, Cu, Zn and Fe) and to different carbon supports. The enhanced activity for the ORR resulted from (i) the contraction of the lattice parameter by the non-noble metal (the final NPs contains ca. 15 – 20 at. % of M), (ii) the open porosity and (iii) the density of structural defects at the surface of the NPs, rationalized by COads stripping measurments and Rietveld analysis. The non-noble metal was found to segregate faster than the structural defects during the accelerated stress tests.

Dans un contexte où la pollution, qu'elle soit sonore ou environnementale, continue de s'accroître malgré les efforts déployés, ce projet de recherche propose la conception d'un absorbant acoustique à base de fibres naturelles possédant un fort potentiel acoustique, la soie d'asclépiade. Produite au Québec, cette fibre permet de respecter les grands principes du développement durable. Pour assurer une conception optimale, la démarche proposée passe par l'adaptation d'un modèle acoustique micro-macro de matériaux fibreux afin de relier le comportement acoustique aux paramètres de conception, qui sont l'orientation des fibres, leurs diamètres ainsi que la masse volumique apparente de l'agrégat. En premier lieu, la validité du modèle micro-macro pour le cas des fibres creuses est investiguée. Pour ce faire, une correction de l'expression de la porosité du matériau est proposée afin d'alimenter le modèle micro-macro avec la porosité externe aux fibres uniquement, comme cela aurait été le cas pour des fibres pleines. Cette approche est validée à l'aide de mesures directes et ultrasonores de la porosité, montrant que la porosité « acoustique » est inférieure à la porosité totale mesurée directement. Les résultats du modèle sont ensuite comparés avec des mesures en tube d'impédance d'échantillons de fibres en vrac à différents taux de compaction. On peut observer que le comportement global de la fibre est bien capté par le modèle, qui se compare bien avec le modèle classique de Miki. On y observe aussi que la résistivité mesurée suit bien les prédictions du modèle pour un arrangement de fibres dans le plan perpendiculaire au sens de propagation de l'onde acoustique. C'est aussi cet arrangement qui permet d'obtenir les meilleurs résultats en termes d'absorption acoustique. Ensuite, une modélisation de type double porosité avec une loi des mélanges est proposée afin de capter l'effet acoustique de la fibre creuse. On peut observer que pour ces dimensions de fibres, l'effet n'est pas très marqué car la perméabilité du domaine microporeux est faible. Par contre, la loi des mélanges permet de bien corriger le modèle proposé. En second lieu, des tests de fabrication sont réalisés à partir de mats d'asclépiade. Le mat est un mélange d'asclépiade et de fibres bicomposantes formé d'un empilement thermolié de voiles préalablement cardés. Les mats sont compactés et thermoliés de façon à obtenir un matériau d'épaisseur et de masse volumique apparente déterminées. Les meilleurs résultats ont été obtenus sous presse chauffante. Le matériau résultant est ensuite testé et comparé à la mousse de mélamine, une référence en termes d'absorbant acoustique léger. La démarche suivie dans ces travaux a permis de fabriquer un matériau acoustique exploitant le plein potentiel acoustique de la soie d'asclépiade grâce à une optimisation via le modèle prédictif proposé. Pour des développements futurs, il serait intéressant d'étudier les effets de fibres creuses de plus grandes dimensions, en plus de valider l'applicabilité du procédé de fabrication sur ces fibres.

Les micro-plasmas constituent une technologie d'avenir pour des applications aussi nombreuses que diverses : dépollution, traitement de surface, applications bio-médicales, accélération aérodynamique... Nous avons étudié ces micro-plasmas dans des gaz inertes (hélium ou argon), en les alimentant en courant continu dans des structures de type micro-cathode creuse. Afin de comprendre les mécanismes physiques régissant leur comportement, nous les avons caractérisés par plusieurs diagnostics, notamment par caméra ICCD et par spectrométrie d'émission optique. Ce dernier diagnostic nous a permis de déterminer la température du gaz des micro-plasmas, par l’analyse de la structure rovibrationnelle des raies du second système positif de l’azote (présent à l’état de traces), mais aussi d’effectuer des mesures de densité électronique, en analysant l’élargissement Stark de la raie H béta. Ces paramètres physiques obtenus expérimentalement, ont été comparés à leurs équivalents obtenus par simulation (logiciel GdSIM du laboratoire Laplace). Ce travail de thèse a également permis de montrer la possibilité d’atteindre le régime luminescent anormal d’un micro-plasma, en réduisant l’aire de la surface cathodique extérieure de la micro-cathode creuse. Ce régime de fonctionnement s’accompagne d’une hausse rapide de la température du gaz, ainsi que d’un phénomène d’hystérésis qui apparaît sur une courbe I-V, pour une rampe d’alimentation en courant linéairement croissante puis décroissante. Dans le cas de plusieurs micro-plasmas fonctionnant en parallèle, nous avons mis à jour un nouveau mécanisme, expliquant l’allumage des cavités de proche en proche. / The micro-plasmas are a promising technology for a lot of applications: environmental remediation, surface treatment, bio-medical applications, aerodynamic acceleration ... Our micro-plasmas are generated in microhollow cathode (M.H.C) structures, supplied by direct current and studied in rare gases (helium or argon). To understand the physical mechanisms ruling their behaviour, they have been characterized by several diagnostics, especially ICCD camera and optical emission spectroscopy. This last diagnostic has been used to determine the micro-plasma gas tempe rature , by analysing the bands 1.3 and 0.2 (from the second . positive system of nitrogen). but also to measure the electron density by analyzing the Stark broadening of the H beta line. We have also carried out simulations with a fully fluid model to obtain the spatial profiles of the electric field, the charge species densities and the gas temperature. Thus, we have studied the breakdown, the self-pulsing regime and the normal glow regime of our micro-plasmas. We have also demonstrated that a micro-plasma can work in the ab normal glow regime, at the condition to limit the cathode surface of the micro-device. For increasing values of curre nt. this abnormal glow regime is accompanied by a fast increase of the gas temperature. Moreove r, when the micro-plasma is supplied by a linear increasing-decreasing DC voltage ramp, this regime is accompanied by the formation of a hysteresis phenome non. At last, in the case of a micro-devi ce with severa 1micro-ho 1I0wcathodes in parallel, we exp lain how the cathode limitation favours the parallel ignition and is an alternative issue to the individual ballasting.

La factorisation d'une matrice creuse est une approche robuste pour la résolution de systèmes linéaires creux de grande taille. Néanmoins, une telle factorisation est connue pour être coûteuse aussi bien en temps de calcul qu'en occupation mémoire. Quand l'espace mémoire nécessaire au traitement d'une matrice est plus grand que la quantité de mémoire disponible sur la plate-forme utilisée, des approches dites hors-mémoire (out-of-core) doivent être employées : les disques étendent la mémoire centrale pour fournir une capacité de stockage suffisante. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la fois aux aspects théoriques et pratiques de telles factorisations hors-mémoire. Les environnements logiciel MUMPS et SuperLU sont utilisés pour illustrer nos discussions sur des matrices issues du monde industriel et académique. Tout d'abord, nous proposons et étudions dans un cadre séquentiel différents modèles hors-mémoire qui ont pour but de limiter le surcoût dû aux transferts de données entre la mémoire et les disques. Pour ce faire, nous revisitons les algorithmes qui ordonnancent les opérations de la factorisation et proposons de nouveaux schémas de gestion mémoire s'accommodant aux contraintes hors-mémoire. Ensuite, nous nous focalisons sur une méthode de factorisation particulière, la méthode multifrontale, que nous poussons aussi loin que possible dans un contexte parallèle hors-mémoire. Suivant une démarche pragmatique, nous montrons que les techniques hors-mémoire permettent de résoudre efficacement des systèmes linéaires creux de grande taille. Quand seuls les facteurs sont stockés sur disque, une attention particulière doit être portée aux données temporaires, qui restent en mémoire centrale. Pour faire décroître efficacement l'occupation mémoire associée à ces données temporaires avec le nombre de processeurs, nous repensons l'ordonnancement de la factorisation parallèle hors-mémoire dans son ensemble.