Οι ροές φλεβών άνωσης παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον στην περιβαλλοντική υδραυλική και στη μηχανική των ρευστών, επειδή εμφανίζονται σε αρκετά φαινόμενα που σχετίζονται με τη διάθεση υγρών αποβλήτων ή θερμικών απορρίψεων σε υδάτινους αποδέκτες καθώς επίσης και την εκπομπή αερίων ενώσεων από καμινάδες στην ατμόσφαιρα. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή μελετήθηκε η ροή κεκλιμένης δισδιάστατης ή κυκλικής ανωστικής φλέβας εντός ακίνητου ή κινούμενου αποδέκτη και η αλληλεπίδραση μεταξύ ανωστικών φλεβών. Στα υπάρχοντα μαθηματικά μοντέλα, ο υπολογισμός του πεδίου ροής και διάχυσης μιας κεκλιμένης ανωστικής φλέβας πραγματοποιείται επιλύοντας το σύστημα των διαφορικών εξισώσεων της συνεχείας, της ορμής και της διατήρησης της μάζας του ιχνηθέτη, για τη μέση ροή, σε ένα καρτεσιανό ή κυλινδρικό σύστημα συντεταγμένων. Με αυτό τον τρόπο όμως, παραλείπονται όροι από τις εξισώσεις που προσδίδουν μεγαλύτερη ακρίβεια. Ακόμη, το φαινόμενο της αποκόλλησης μαζών από την ανωστική φλέβα έχει μεν παρατηρηθεί σε πειραματικές εργασίες διαφόρων ερευνητών αλλά δεν έχει προσδιοριστεί ποσοτικά. Μία ακόμη αδυναμία που χαρακτηρίζει τα υπάρχοντα μαθηματικά μοντέλα, είναι ότι θεωρούν τον αποδέκτη απεριορίστων διαστάσεων με συνέπεια τα αποτελέσματά τους να μην ακολουθούν τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα, τα οποία φέρουν την επιρροή των ορίων, αφού πρακτικά δεν γίνεται να πραγματοποιηθούν σε αποδέκτες απεριορίστων διαστάσεων. Η παρούσα Διατριβή επιχειρεί να συμβάλλει στη βελτίωση των παραπάνω αδυναμιών, προτείνοντας τη μαθηματική περιγραφή της ελεύθερης κεκλιμένης τυρβώδους ανωστικής φλέβας σε ένα καμπυλόγραμμο ορθογώνιο ή κυλινδρικό σύστημα συντεταγμένων, ώστε να επιτευχθεί καλύτερη ακρίβεια στον υπολογισμό των μέσων χαρακτηριστικών της ροής. Επίσης, αναπτύσσεται ένα μαθηματικό μοντέλο, το οποίο προσομοιώνει τη διαφυγή των μαζών που αποκολλώνται από το σώμα της ανωστικής φλέβας, και όπως φαίνεται, τα δύο αυτά στοιχεία επηρεάζουν τόσο την τροχιά της φλέβας όσο και την αραίωση. Στο σημείο αυτό, η παρούσα Διατριβή χρησιμοποιεί τη μέθοδο της συμμετρικής εικονικής πηγής για την απόκτηση λύσης του προβλήματος σε ημίχωρο. Θεωρείται, λοιπόν, κατοπτρικά ως προς το όριο όμοια εικονική πηγή με την πραγματική, ανωστική φλέβα, η οποία αλληλεπιδρά δυναμικά με την ανωστική φλέβα της πραγματικής πηγής. Τέλος, τα ανωτέρω συνδυάζονται στην ανάπτυξη ενός μοντέλου, το οποίο υπολογίζει τα χαρακτηριστικά του πεδίου μέσης ροής και διάχυσης από την αλληλεπίδραση N κατακορύφων ανωστικών φλεβών σε διάταξη τύπου ροζέτας εντός ήρεμου αποδέκτη. Το μοντέλο αυτό παρέχει ακρίβεια 2ης τάξης. Η παρούσα διατριβή αναπτύσσεται σε έξι κεφάλαια. Στο πρώτο Κεφάλαιο, πραγματοποιείται μια εισαγωγή στο αντικείμενο της Διατριβής. Αναφέρονται τα πεδία στα οποία συναντώνται φαινόμενα ροών από ανωστικές φλέβες και η πρακτική σημασία τους. Επίσης, αναφέρονται οι στόχοι οι οποίοι επιδιώκονται μέσω της Διατριβής. Το δεύτερο Κεφάλαιο, περιέχει βιβλιογραφική ανασκόπηση, στην οποία αναφέρονται τα κυριότερα μαθηματικά μοντέλα για τις περιπτώσεις των ελευθέρων και των πολλαπλών κυκλικών ή δισδιάστατων ανωστικών φλεβών. Επίσης, παρουσιάζονται οι σημαντικότερες διαθέσιμες ερευνητικές εργασίες διεξαχθέντων συναφών πειραμάτων, των οποίων οι μετρήσεις χρησιμοποιούνται στον έλεγχο των αποτελεσμάτων, τα οποία προκύπτουν από την εφαρμογή των μαθηματικών μοντέλων που αναπτύσσονται στην παρούσα Διατριβή. Στο τρίτο Κεφάλαιο, αναπτύσσονται τα υποστηρικτικά μοντέλα, τα οποία ενσωματώνονται στο γενικότερο μαθηματικό μοντέλο υπολογισμού των κεκλιμένων ανωστικών φλεβών και στο μοντέλο της αλληλεπίδρασής τους. Αρχικώς, κατασκευάζεται το σύστημα το καμπυλογράμμων ορθογωνίων και κυλινδρικών συντεταγμένων και διατυπώνονται οι εξισώσεις της συνεχείας, της ορμής και της διατήρησης της μάζας του ιχνηθέτη για τη μέση ροή στο αντίστοιχο σύστημα. Στην συνέχεια, περιγράφεται η ανάπτυξη του μοντέλου για τον πυρήνα της Ζώνης Εγκατάστασης της Ροής, το οποίο υπολογίζει τις πραγματικές εγκάρσιες κατανομές των ταχυτήτων και των συγκεντρώσεων ξεκινώντας από την έξοδο του ακροφυσίου έως το πέρας του πυρήνα. Τέλος, αναπτύσσεται το μαθηματικό μοντέλο, το οποίο περιγράφει τη διαφυγή των μαζών που αποκολλώνται από το πεδίο ροής μιας κεκλιμένης δισδιάστατης ή κυκλικής τυρβώδους ανωστικής φλέβας. Στο τέταρτο Κεφάλαιο, παρουσιάζεται ένα ολοκληρωμένο μαθηματικό μοντέλο για μια κεκλιμένη δισδιάστατη ή κυκλική τυρβώδη ανωστική φλέβα σε ήρεμο ή κινούμενο αποδέκτη, το οποίο ενσωματώνει τα επί μέρους μοντέλα του τρίτου Κεφαλαίου. Το μοντέλο, συγκρίνεται με τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα της διεθνούς βιβλιογραφίας και ταυτοχρόνως ρυθμίζεται η προσομοίωση της διαφυγής των μαζών που αποκολλώνται. Στο πέμπτο Κεφάλαιο εξετάζεται η αλληλεπίδραση μεταξύ τυρβωδών ανωστικών φλεβών. Στο πρώτο μέρος του Κεφαλαίου προτείνεται ένα μοντέλο 2ης τάξης, το οποίο υπολογίζει τα χαρακτηριστικά του μέσου πεδίου ροής και διάχυσης από την αλληλεπίδραση Ν κατακορύφων κυκλικών ανωστικών φλεβών από διαχύτη τύπου ροζέτας. Στο δεύτερο μέρος, μελετάται η δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ ανωστικών φλεβών. Αναπτύσσεται το σύστημα των εξισώσεων, το οποίο ενσωματώνει τη δυναμική αλληλεπίδραση, και αντιμετωπίζεται η ύπαρξη στερεών ορίων στο πεδίο ροής ανωστικής φλέβας μέσω της αλληλεπίδρασης των ανωστικών φλεβών από την πραγματική και τη συμμετρική εικονική της πηγή. Στο έκτο Κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα, τα οποία προκύπτουν από την εφαρμογή των διαφόρων μαθηματικών μοντέλων της Διατριβής, τα οποία εν συντομία, είναι τα εξής: • Αναπτύσσεται ένα μαθηματικό μοντέλο, το οποίο υπολογίζει με πολύ μεγάλη ακρίβεια την κεκλιμένη δισδιάστατη ή κυκλική τυρβώδη ανωστική φλέβα, για αρχικές γωνίες κλίσης -75° ≤ θ0 ≤ 90°. • Η προσομοίωση της διαφυγής των μαζών, που αποκολλώνται από την ανωστική φλέβα, προσεγγίζει ακριβέστερα την τροχιά των κεκλιμένων φλεβών, όπως αυτή προσδιορίζεται από τις πειραματικές μετρήσεις. • Λόγω έλλειψης πειραματικών δεδομένων για την περίπτωση της κεκλιμένης δισδιάστατης τυρβώδους ανωστικής φλέβας, ο συντελεστής Λ, που χαρακτηρίζει τις αποκολλήσεις, λαμβάνεται ίσος με 0,06, για την περίπτωση όπου θ0 = 0°. • Για την κεκλιμένη κυκλική τυρβώδη ανωστική φλέβα, προτείνεται Λ = 0,34 για -75° ≤ θ0 ≤ -15° και Λ = 0,00 για -15° < θ0 ≤ 90°, δηλώνοντας ότι οι διαφυγές σε αυτές τις γωνίες είναι αμελητέες. • Προβλέπεται με χαρακτηριστική ακρίβεια το εξωτερικό όριο των κεκλιμένων κυκλικών τυρβωδών ανωστικών φλεβών και με ικανοποιητική ακρίβεια η τροχιά, συγκριτικά με τα διαθέσιμα αποτελέσματα των αντιστοίχων πειραμάτων. Η σύγκριση του εσωτερικού ορίου εξαιτίας της ύπαρξης των διαφυγών είναι δυσδιάκριτη και πιθανόν να εμπεριέχει σφάλματα. • Ο υπολογισμός των χαρακτηριστικών της ροής, από την αλληλεπίδραση N κατακορύφων κυκλικών τυρβωδών ανωστικών φλεβών από διαχύτη τύπου ροζέτας εντός ήρεμου αποδέκτη, δίνουν ικανοποιητικά αποτελέσματα συγκρινόμενα με τα υπάρχοντα πειραματικά και θεωρητικά δεδομένα • Η αλληλεπίδραση Ν ομοίων ή διαφορετικών δισδιάστατων ή κυκλικών τυρβωδών ανωστικών φλεβών αντιμετωπίζεται χρησιμοποιώντας τη θεωρία του δυναμικού πεδίου. • Η αντιμετώπιση των εξωτερικών ορίων, χρησιμοποιώντας τη δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ ανωστικών φλεβών δίνει ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Τέλος, στα Παραρτήματα περιγράφεται αναλυτικώς η μαθηματική ανάπτυξη του κάθε μοντέλου και δίνονται σε μορφή διαγραμμάτων τα θεωρητικά αποτελέσματα με τα αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα για τα διάφορα χαρακτηριστικά των κεκλιμένων κυκλικών ανωστικών φλεβών. / In this Doctoral Thesis a mathematical model that predicts the mean flow and mixing parameters of inclined plane and round turbulent jets in a stationary or moving uniform fluid environment is developed. Also, the interaction of multiple buoyant jets is mathematically examined. The existing mathematical models predict the mean flow and mixing properties of an inclined plane and round turbulent buoyant jets in a uniform stationery or moving environment solving the system of partial differential equations of continuity momentum and tracer conservation of mass written in cartesian or cylindrical coordinates. By this way, the terms that give a better precision are omitted. Also, the escaping masses from the main buoyant jet flow that are experimentally observed are not quantified. Furthermore, these models assume that the receiver is infinite so the predicted properties do not coincide to experimental data. These experimental data are affected by the boundaries as the experiments cannot be conducted in boundless environment. The present Thesis, attempts to improve the aforementioned weaknesses. In this Thesis, a mathematical description of an inclined turbulent plane or round buoyant jet is proposed, where the partial differential equations for continuity, momentum and tracer conservation are written in orthogonal and cylindrical curvilinear coordinates in order to achieve better accuracy of the mean flow and mixing parameters. The escaping masses from the main buoyant jet flow are simulated, and the model can be successfully applied to initial discharge inclinations θ0 from 90° to -75° with respect to the horizontal plane. This is based on the idea that masses may escape from the buoyant jet zones where considerable intermittency occurs and entrainment shows large variations having a very weak, zero or negative mean value and at the same time some buoyant chunks lose their inertia due to reversal motions imposed by the large eddies. Thus, the only governing force on these masses is buoyancy. This complementary approach introduces a concentration coefficient, called Λ, which is calibrated using experimental evidence. This phenomenon is sharper in motionless environment. The present model has incorporated the second-order approach and, regarding the jet-core region, a jet-core model based on the advanced integral model for the production of more correct transverse profiles of the mean axial velocities and mean concentrations than the common Gaussian or top-hat profiles. The partial differential equations for momentum and tracer conservation are written in orthogonal and cylindrical curvilinear coordinates for inclined plane and round buoyant jets, respectively, and they are integrated under the closure assumptions of (a) quasi-linear spreading of the mean flow and mixing fields, and (b) known transverse profile distributions. The integral forms are solved by employing the Runge–Kutta algorithm. This model is applied to predict the mean flow properties (trajectory characteristics, mean axial velocities and mean concentrations) for inclined plane and round buoyant jets. The results predicted are compared with experimental data available in the literature, and the accuracy obtained is more than satisfactory. The best values of Λ were found to be in the range from 0.30 to 0.42, indicating a mean value ± standard deviation of Λ = 0.344 ± 0.053 for -75° ≤ θ0 ≤ -15°. Thus Λ = 0.34 is adopted as the suitable value for all cases of round buoyant jets with -75° ≤ θ0 ≤ -15°, while for the rest range -15° < θ0 ≤ 90° the pertinent value is Λ = 0. For the inclined plane buoyant jets, the available experimental data are rather restricted to only trajectories and concentrations of horizontal discharges, which allow the determination of a suitable value Λ = 0.08. The Entrainment Restriction Approach is employed in interacting round buoyant jets discharged vertically upwards from a rosette type diffuser into a calm environment. Incorporating the second order approach, the prediction of the mean-flow properties achieves better accuracy. The present Thesis solves the interaction of N identical or not inclined turbulent plane or round buoyant jets using the potentional theory. The occurrence of boundaries is handled via the method of symmetric virtual origin. A mirror image to the boundary, which is identical to the real buoyant jet, is assumed that dynamically interacts with the buoyant jet issued form the real source.

Computer simulations have emerged as a cost efficient complement to laboratory experiments, as computers have become increasingly powerful. The aim of the present work is to explore the ideas of some state of the art software development practices, and ways in which these can be useful for developing high performance research codes. The introduction of these practices, and the modular designs that they give rise to, raises issues regarding a potential conflict between runtime efficiency on one hand and development efficiency on the other. Flexible software modules, based on mathematical abstractions, will provide support for convenient implementation and modification of numerical operators. Questions still remain about whether such modules will provide the efficiency which is required for high performance applications. To answer these questions, investigations were performed within two different problem domains. The first domain consisted of modular frameworks for the numerical solution of Partial Differential Equations. Such frameworks proved a suitable setting, since several of my research questions revolved around the issue of modularity. The second problem domain was that of symmetry exploiting algorithms. These algorithms are based on group theory, and make ample use of mathematical abstractions from that field. The domain of symmetry exploiting algorithms gave us opportunities to investigate difficulties in combining modularity based on high level abstractions with low level optimizations using data layout and parallelization. In conclusion, my investigation of software development practices for the area of high performance computing has proved very fruitful indeed. I have found that none of the concerns that were raised should lead us to refrain from the use of the practices that I have considered. On the contrary, in the two case studies presented here, these practices lead to designs that perform well in terms of usability as well as runtime efficiency.

This thesis present an efficient approach for performing smoke simulation on curvilinear grids. The solution of the Navier-Stokes equations on curvilinear is made on three steps: advection, pressure solving and velocity projection. The proposed advection method is simple, fast and unconditionally-stable. Our solution is able to maintain a staggered-grid variable arrangement, and includes an efficient solution to enforce mass conservation. Compared to approaches based on regular grids traditionally used in computer graphics, our method allows for better representation of boundary conditions, lending to more realistic results, with just a small increment in computational cost. Moreover, we are able to condensate cells where interesting artifacts tend to appear, like swirling vortices or turbulence. We demonstrate the effectiveness of our approach, both in 2-D and 3-D, through a variety of high-quality smoke simulations and animations. These examples show the integration of our method with overlapping grids and multigrid techniques.

This thesis present an efficient approach for performing smoke simulation on curvilinear grids. The solution of the Navier-Stokes equations on curvilinear is made on three steps: advection, pressure solving and velocity projection. The proposed advection method is simple, fast and unconditionally-stable. Our solution is able to maintain a staggered-grid variable arrangement, and includes an efficient solution to enforce mass conservation. Compared to approaches based on regular grids traditionally used in computer graphics, our method allows for better representation of boundary conditions, lending to more realistic results, with just a small increment in computational cost. Moreover, we are able to condensate cells where interesting artifacts tend to appear, like swirling vortices or turbulence. We demonstrate the effectiveness of our approach, both in 2-D and 3-D, through a variety of high-quality smoke simulations and animations. These examples show the integration of our method with overlapping grids and multigrid techniques.

This thesis present an efficient approach for performing smoke simulation on curvilinear grids. The solution of the Navier-Stokes equations on curvilinear is made on three steps: advection, pressure solving and velocity projection. The proposed advection method is simple, fast and unconditionally-stable. Our solution is able to maintain a staggered-grid variable arrangement, and includes an efficient solution to enforce mass conservation. Compared to approaches based on regular grids traditionally used in computer graphics, our method allows for better representation of boundary conditions, lending to more realistic results, with just a small increment in computational cost. Moreover, we are able to condensate cells where interesting artifacts tend to appear, like swirling vortices or turbulence. We demonstrate the effectiveness of our approach, both in 2-D and 3-D, through a variety of high-quality smoke simulations and animations. These examples show the integration of our method with overlapping grids and multigrid techniques.

In this thesis, we investigate methods of finding a local minimum for unconstrained problems of non-convex functions with n variables, by following the solution curve of a system of ordinary differential equations. The motivation for this was the fact that existing methods (e.g. those based on Newton methods with line search) sometimes terminate at a non-stationary point when applied to functions f(x) that do not a have positive-definite Hessian (i.e. ∇²f → 0) for all x. Even when methods terminate at a stationary point it could be a saddle or maximum rather than a minimum. The only method which makes intuitive sense in non-convex region is the trust region approach where we seek a step which minimises a quadratic model subject to a restriction on the two-norm of the step size. This gives a well-defined search direction but at the expense of a costly evaluation. The algorithms derived in this thesis are gradient based methods which require systems of equations to be solved at each step but which do not use a line search in the usual sense. Progress along the Continuous Steepest Descent Path (CSDP) is governed both by the decrease in the function value and measures of accuracy of a local quadratic model. Numerical results on specially constructed test problems and a number of standard test problems from CUTEr [38] show that the approaches we have considered are more promising when compared with routines in the optimization tool box of MATLAB [46], namely the trust region method and the quasi-Newton method. In particular, they perform well in comparison with the, superficially similar, gradient-flow method proposed by Behrman [7].

Dans cette thèse, nous proposons des modèles de reconstruction de la structure curviligne fondée sur la modélisation stochastique et sur un système d’apprentissage structuré. Nous supposons que le réseau de lignes, dans sa totalité, peut être décomposé en un ensemble de segments de ligne avec des longueurs et orientations variables. Cette hypothèse nous permet de reconstituer des formes arbitraires de la structure curviligne pour différents types de jeux de données. Nous calculons les descripteurs des caractéristiques curvilignes fondés sur les profils des gradients d’image et les profils morphologiques. Pour le modèle stochastique, nous proposons des contraintes préalables qui définissent l'interaction spatiale des segments de ligne. Pour obtenir une configuration optimale correspondant à la structure curviligne latente, nous combinons plusieurs hypothèses de ligne qui sont calculées par échantillonnage MCMC avec différents jeux de paramètres. De plus, nous apprenons une fonction de classement qui prédit la correspondance du segment de ligne donné avec les structures curvilignes latentes. Une nouvelle méthode fondée sur les graphes est proposée afin d’inférer la structure sous-jacente curviligne en utilisant les classements de sortie des segments de ligne. Nous utilisons nos modèles pour analyser la structure curviligne sur des images statiques. Les résultats expérimentaux sur de nombreux types de jeux de données démontrent que les modèles de structure curviligne proposés surpassent les techniques de l'état de l'art. / In this dissertation, we propose curvilinear structure reconstruction models based on stochastic modeling and ranking learning system. We assume that the entire line network can be decomposed into a set of line segments with variable lengths and orientations. This assumption enables us to reconstruct arbitrary shapes of curvilinear structure for different types of datasets. We compute curvilinear feature descriptors based on the image gradient profiles and the morphological profiles. For the stochastic model, we propose prior constraints that define the spatial interaction of line segments. To obtain an optimal configuration corresponding to the latent curvilinear structure, we combine multiple line hypotheses which are computed by MCMC sampling with different parameter sets. Moreover, we learn a ranking function which predicts the correspondence of the given line segment and the latent curvilinear structures. A novel graph-based method is proposed to infer the underlying curvilinear structure using the output rankings of the line segments. We apply our models to analyze curvilinear structure on static images. Experimental results on wide types of datasets demonstrate that the proposed curvilinear structure modeling outperforms the state-of-the-art techniques.

<p><em>Curvilinear structure detection in images has been investigated for decades. In general, the detection of curvilinear structures includes two aspects, binary segmentation of the image and  inference of the graph representation of the curvilinear network. In our work, we propose a connected-tube model based on a marked point process (MPP) for addressing the two issues. The proposed tube model is applied to fiber detection in microscopy images by combining connected-tube and ellipse models. Moreover, a tube-based segmentation algorithm has been proposed to improve the segmentation accuracy. Experiments on fiber-reinforced polymer images, satellite images, and retinal vessel images will be presented. Additionally, we extend the 2D tube model to a 3D tube model, with each tube be modeled as a cylinder. To investigate the supervised curvilinear structure detection method, we focus on the application of road detection in satellite images and propose a two-stage learning strategy for road segmentation. A probability map is generated in the first stage by a selected neural network, then we attach the probability map image to the original RGB images and feed the resulting four images to a U-Net-like network in the second stage to get a refined result.</em></p> <p><br></p> <p><em>Anomaly detection in time series is a key step in diagnosing abnormal behavior in some systems. Long Short-Term Memory networks (LSTMs) have been demonstrated to be useful for anomaly detection in time series, due to their predictive power. However, for a system with thousands of different time sequences, a single LSTM predictor may not perform well for all the sequences. To enhance adaptability, we propose a stacked predictor framework. Also, we propose a novel dynamic thresholding algorithm based on the prediction errors to extract the potential anomalies. To further improve the accuracy of anomaly detection, we propose a post-detection verification method based on a fast and accurate time series subsequence matching algorithm.</em></p> <p><br></p> <p><em>To detect anomalies from multi-channel time series, a bi-directional transformer-based predictor is applied to generate the prediction error sequences, and a statistical model referred as an anomaly marked point process (Anomaly-MPP) is proposed to extract the anomalies from the error sequences. The effectiveness of our methods is demonstrated by testing on a variety of time series datasets.</em></p>

The Element Free Galerkin (EFG) method, which is based on the Moving Least Squares (MLS) approximation, is developed here for vibration, buckling and static analysis of homogenous and FGM plate with curvilinear stiffeners. Numerical results for different stiffeners configurations and boundary conditions are presented. All results are verified using the commercial finite element software ANSYS® and other available results in literature. In addition, the vibration analysis of plates with curvilinear stiffeners is carried out using Ritz method. A 24 by 28 in. curvilinear stiffened panel was machined from 2219-T851 aluminum for experimental validation of the Ritz and meshfree methods of vibration mode shape predictions. Results were obtained for this panel mounted vertically to a steel clamping bracket using acoustic excitation and a laser vibrometer. Experimental results appear to correlate well with the meshfree and Ritz method results. In reality, many engineering structures are subjected to random pressure loads in nature and cannot be assumed to be deterministic. Typical engineering structures include buildings and towers, offshore structures, vehicles and ships, are subjected to random pressure. The vibrations induced from gust loads, engine noise, and other auxiliary electrical system can also produce noise inside aircraft. Consequently, all flight vehicles operate in random vibration environment. These random loads can be modeled by using their statistical properties. The dynamical responses of the structures which are subjected to random excitations are very complicated. To investigate their dynamic responses under random loads, the meshfree method is developed for random vibration analysis of curvilinearly-stiffened plates. Since extensive efforts have been devoted to study the buckling and vibration analysis of stiffened panel to maximize their natural frequencies and critical buckling loads, these structures are subjected to in-plane loading while the vibration analysis is considered. In these cases the natural frequencies calculated by neglecting the in-plane compression are usually over predicted. In order to have more accurate results it might be necessary to take into account the effects of in-plane load since it can change the natural frequency of plate considerably. To provide a better view of the free vibration behavior of the plate with curvilinear stiffeners subjected to axial/biaxial or shear stresses several numerical examples are studied. The FEM analysis of curvilinearly stiffened plate is quite computationally expensive, and the meshfree method seems to be a proper substitution to reduce the CPU time. However it will still require many simulations. Because of the number of simulations may be required in the solution of an engineering optimization problem, many researchers have tried to find approaches and techniques in optimization which can reduce the number of function evaluations. In these problems, surrogate models for analysis and optimization can be very efficient. The basic idea in surrogate model is to reduce computational cost and giving a better understanding of the influence of the design variables on the different objectives and constrains. To use the advantage of both meshfree method and surrogate model in reducing CPU time, the meshfree method is used to generate the sample points and combination of Kriging (a surrogate model) and Genetic Algorithms is used for design of curvilinearly stiffened plate. The meshfree and kriging results and CPU time were compared with those obtained using EBF3PanelOpt. / Ph. D.

Ce travail de thèse a pour objectif de fournir un outil de modélisation rapide de l'interaction d'une source électromagnétique 3D avec une pièce de géométrie ou de propriétés physiques complexes dans le domaine des basses fréquences (régime quasi-statique). La principale application est la simulation d'un procédé de Contrôle Non Destructif (CND) d'une pièce conductrice présentant une surface ou des propriétés physiques perturbées. La plateforme logicielle CIVA, comportant un module dédié à la simulation des procédés de CND par courants de Foucault intègre à l’heure actuelle des modèles semi-analytiques limités aux géométries canoniques : pièces planes, cylindriques. Afin de lever ce verrou, le formalisme des équations de Maxwell covariantes, déjà très utilisé dans le domaine optique pour la caractérisation des réseaux de diffraction (méthode des coordonnées curvilignes) est étendu au régime quasi-statique. L’utilisation d’un nouveau système de coordonnées curvilignes non-orthogonal associé à la géométrie de la pièce conduit à écrire très facilement et de manière analytique les conditions de passage aux interfaces de formes complexes. La résolution numérique des équations de Maxwell sous leur forme covariante est abordée par une approche modale qui repose sur le calcul préalable de solutions propres d’un système d’équations différentielles en absence de source. La représentation des composantes du champ électromagnétique à partir de deux fonctions de potentiels du second ordre (SOVP) ou potentiels de Hertz dans des systèmes de coordonnées canoniques est d’abord étendue au système de coordonnées curvilignes. On obtient alors les expansions modales des composantes covariantes et contra-variantes du champ électromagnétique. Les coefficients de ces expansions modales sont déterminés ensuite en introduisant le champ d’excitation et en imposant les conditions de passage adéquates entre les différents milieux. Cette approche est ensuite couplée d'une part à un algorithme récursif (les paramètres S) afin de prendre en compte la présence d'interfaces internes complexes dans la pièce, et d'autre part à une méthode numérique d'ordre élevé (Méthode pseudo-Spectrale) afin de prendre en compte de façon rigoureuse des variations des propriétés physiques (perméabilité magnétique et/ou conductivité électrique...) du matériau avec la profondeur. La validation de la méthode numérique proposée s’appuie sur des comparaisons avec des données simulées à l'aide d'un logiciel commercial de calcul par éléments finis et des données expérimentales obtenues au laboratoire. En outre, les codes développés ont été intégrés à une version de développement de la plateforme CIVA afin de répondre aux besoins des partenaires dans le cadre du projet européen SIMPOSIUM. / This PhD work concerns the development of fast numerical tools, dedicated to the computation of the electromagnetic interaction between a low frequency 3D current source and a complex conductor, presenting rough interfaces and/or conductivity (and/or permeability) variations. The main application is the simulation of the Eddy Current non-destructive testing process applied to complex specimens. Indeed, the existing semi-analytical models currently available in the CIVA simulation platform are limited to canonical geometries. The method we propose here is based on the covariant Maxwell equations, which allow us to consider the physical equations and relationships in a non-orthogonal coordinate system depending on the geometry of the specimen. Historically, this method (cf. C-method) has been developed in the framework of optical applications, particularly for the characterization of diffraction gratings. Here, we transpose this formalism into the quasi-static regime and we thus develop an innovative formulation of the Second Order Vector Potential formalism, widely used for the computation of the quasi-static fields in canonical geometries. Then, we determine numerically a set of modal solutions of the source-free Maxwell equations in the coordinate system introduced, and this allows us to represent the unknown fields as modal expansions in source-free domains. Then, the coefficients of these expansions are computed by introducing the source fields and enforcing the boundary conditions that the total fields must verify at the interfaces between media. In order to tackle the case of a layered conductor presenting rough interfaces, the generalized SOVP formalism is coupled with a recursive algorithm called the S-matrices. On the other hand, the application case of a complex shape specimen with depth-varying physical properties is treated by coupling the modal method we developed with a high-order numerical method: pseudo-spectral method. The validation of these codes is carried out numerically by comparison with a commercial finite element software in some particular configurations. Besides, the homogeneous case is also validated by comparison with experimental data.