Mon travail de thèse consiste en la mise en place d'une méthode de reconstruction 3D. Les objets à reconstruire sont des petits corps du système solaire qui ont été observée dans le domaine visible par des sondes lors de missions spatiales. La méthode proposée (appelée photoclinométrie par déformation) consiste à déformer un maillage jusqu'à ce que les images synthétiques de ce maillage correspondent aux images observées, ceci s'effectue au sein d'une boucle d'optimisation. Cette méthode nécessitant un maillage de départ proche de la solution souhaitée, nous avons implémenter cette méthode au sein d'un schéma multirésolution (multirésolution photoclinométrie par déformation) permettant d'obtenir une reconstruction sans apriori de forme. Cependant cette méthode ne permet pas d'obtenir de modèles contenant des millions de facettes. Une troisième méthode a donc été développé pour pallier ce problème, elle consiste à découper le maillage en différents morceaux et à appliquer la méthode multirésolution photoclinométrie par déformation à chacun de ces morceaux. Par fusion de ces morceaux, on arrive ainsi à obtenir des maillages de plusieurs millions de facettes (modèle haute résolution). Ces méthodes ont été testées avec la reconstruction des deux astéroïdes (Steins and lutetia) survolé par la sonde Rosetta de l'Agence Spatiale Européenne (ESA). / My PhD work consists in the establishment of a method of 3D reconstruction. Studied objects are small solar system bodies that have been observed in the visible range by sensors during space missions. The proposed method (called photoclinometry by deformation ) consists in deforming a mesh until the synthetic images of the mesh correspond to the observed ones, this is done in an optimization loop . This method requires an initial mesh close to the desired solution. We implement this method in a multiresolution scheme (multiresolution photoclinometry by deformation) to obtain a reconstruction without an apriori shape . However, this method does not allow models containing millions of facets . A third method has been developed to overcome this problem, it consists in cutting the mesh into different pieces and apply the multiresolution method photoclinometry by deforming to each of these pieces . By merging these pieces , we obtain meshes of several millions facets (high resolution model). These methods have been tested by reconstructing the two asteroids (Steins and lutetia) flown-by the Rosetta spacecraft of the European Space Agency (ESA).

Ce travail porte sur la mise en œuvre de simulations sur des pales de machines tournantes. Une première partie de la thèse porte sur l’amélioration des performances du couplage fluide-structure. Des nouveaux algorithmes sont présentés. Une nouvelle méthode de déformation de maillage est évaluée. Les développements sont validés à partir de plusieurs cas tests. La deuxième partie porte sur l’application des avancées à des machines tournantes. Une première validation est faite sur une hydrolienne. La vibration d’une pale au passage du mat est étudiée. Enfin, des résultats sur une hydrolienne industrielle sont exposés. / A methodology to simulate blades of turbines is developed. A first part is dedicated to improving the performance of the fluid-structure coupling. New algorithms are presented. A new mesh morphing solution is shown. Developments are validated on many test cases. A second part is dedicated to applying the developments on turbines. A first validation is made on a water turbine. The vibration of a blade interacting with a mast is studied. Finally, some results of an industrial water turbine are shown.

Cette thèse porte sur le développement d’un modèle numérique de l’affouillement causée par des obstacles montes sur le lit, combinant les processus hydrodynamiques et morphologiques. Le modèle numérique est basé sur le solveur de champ d’écoulement polyphasique de l’outil CFD open-source OpenFOAMR qui est distribue par OpenCFD Ltd. Le module hydrodynamique du modèle résout les équations de Navier-Stokes avec moyennes de Reynolds (RANS) et les modèles des turbulences k-ε ou k-ω. Il existe deux interfaces dans le domaine de simulation: la surface libre entre l’eau et l’air, qui est suivi par la méthode de Volume de Fluide (VOF); et l’interface entre l’eau et le lit du sédiment, qui est représentée par un maillage de surface finie déformable construit à partir de la limite en bas du maillage de volume fini. En outre, un module morphologique qui a été développé dans le cadre du projet se compose de trois composantes: un modèle de transport de sédiments comprenant la charge suspendue et le charriage; l’équation d’Exner pour mesurer la déformation du lit; et un mécanisme de glissement du sable pour limiter la pente du lit à être plus petite que l’angle de repos du sédiment. Le changement morphologique est incorporé dans le modèle hydrodynamique par la déformation du maillage. Des conditions limites spéciales et des corrections nécessaires pour le calcul en parallèle sont également ajoutées au modèle. Chaque partie du modèle est validée séparément avec les tests préliminaires correspondants, y compris les fonctions de paroi rugueuse, les performances de la méthode VOF, le modèle de transport de charge suspendu et le mécanisme de glissement de sable. Le modèle numérique est ensuite appliqué pour étudier un affouillent bidimensionnelle cause par un jet immerge provenant d’une ouverture sous écluse. Comparaison des résultats de la simulation avec des données expérimentales prouve la capacité du modèle. Et les limites du modèle sont également discutées. Enfin, le modèle est appliqué à l’étude du champ d’écoulement tridimensionnel et de la formation d’affouillement autour d’un obstacle dans l’écoulement. Tout d’abord, la déformation du lit n’est pas activée. Le tourbillon en fer à cheval devant un obstacle et le champ d’écoulement turbulent autour d’un cylindre sur un lit lisse ou rugueux sont simulés. Deux types de simulation pour le module hydrodynamique sont effectués: une simulation qui utilise une surface fixe et rigide pour représenter l’interface air-eau, et une simulation incluant à la fois les domaines de l’eau et de l’air avec la surface libre suivie par la méthode VOF. Les influences de la surface libre sur le champ d’écoulement sont identifiées et discutées. La comparaison avec les données expérimentales confirme l’importance de la déformation de la surface libre sur le champ d’écoulement. Ensuite, le lit est autorisé à se déformer et le développement temporel de l’affouillement tridimensionnelle autour d’un cylindre sur le lit est simule. Le développement temporel d’affouillement et la profondeur maximale du trou calcule devant et derrière le cylindre conviennent assez bien avec les mesures expérimentales. Les influences de l’affouillement sur le champ d’écoulement sont aussi étudiées et la performance du modèle numérique développé est discutée. / This thesis describes the development of a numerical model for local scour caused by bed-mounted obstacles, combining the hydrodynamic and morphological processes. The basis of the numerical model is the multiphase flow field solver in the open-source CFD toolbox OpenFOAMR which is released by OpenCFD Ltd. The hydrodynamic module of the model solves the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations with either a k-ε or a k-ω model. There are two interfaces in the simulation domain: the free surface between water and air, which is tracked using the Volume of Fluid (VOF) method, and the interface between the water and the sediment, which is represented by a finite area mesh constructed from the bottom boundary of the finite volume mesh. A morphological module which has been developed as part of the project consists of three components: a sediment transport model which includes suspended load and bed load transport; the Exner equation to compute the bed deformation, and a sand-sliding mechanism to restrict the bed slope angle to be smaller than the angle of repose. The morphological changes are incorporated into the hydrodynamic field through deformation of the computational mesh. Additional boundary conditions and parallel computing corrections are also added into the model. Each individual part of the model has been validated separately with corresponding preliminary test cases including the rough wall functions, the performance of the VOF method, the suspended load transport model and the sand-sliding mechanism. The numerical model is then applied to study two-dimensional scour caused by a submerged jet issuing from an opening under sluice gate. Comparison of the simulation results with the experimental measurements proves the ability of the model for conducting two-dimensional simulations and the limitations of the model are also discussed. Finally, the model is applied to study the three-dimensional flow field and scour formation around an obstacle in flow. Initially, the bed deformation is not activated in the model. The horseshoe vortex formed in front of an obstacle in water and the turbulent flow field around a cylinder on smooth and rough beds are simulated. Two types of simulations for the hydrodynamic module are used: a rigid lid simulation with a slip boundary condition to represent the air-water interface, and a free surface simulation including both the water and air domains with the free surface tracked by the VOF method. The influences of the variation of the water depth on the flow field are identified and discussed. Comparison with the experimental data also confirms the importance of the water surface variation on the flow field. Next, the bed is allowed to deform in the model. The temporal development of three-dimensional scour around a cylinder on live-bed in a steady current is simulated. The development of the scour with time and the computed maximum scour depths in front of and behind the cylinder agree quite well with the experimental measurements. The influences of the scour process on the flow field are also studied and the performance of the numerical model is discussed.

Les moyens de calcul actuels conduisent les différentes disciplines scientifiques à se rapprocher, afin de prendre en compte des phénomènes physiques de plus en plus complexes. Ainsi, un axe de recherche de l'Équipe de Modélisation Numérique du Laboratoire de Mécanique des fluides UMR6598 de l'École Centrale Nantes est l'Interaction Fluide-Structure (IFS). Dans ce contexte, le développement d'un solveur structure grand déplacement, limité aux corps élancés, puis son couplage avec le code RANSE volumes-finis non-structuré ISIS ont été réalisés. Le solveur poutre s'appuie sur la théorie de Cosserat et sur la méthode dite 'géométriquement exacte'. Une attention particulière a été portée au couplage en espace sur les interpolations et au transfert des informations à l'interface fluide-structure, afin d'être le plus précis possible et d'assurer la conservation des efforts. Le code poutre pouvant prendre en compte de grands mouvements, une technique originale a dû être écrite pour mettre à jour le domaine de calcul fluide. Elle se base sur l'approche pseudo-solide, et permet via une loi de comportement locale du pseudo-solide, de contrôler finement la déformation du maillage. Chaque partie du code IFS a été validée : le solveur poutre sur des cas-tests 2D/3D, en statique et en dynamique, en petit et grand déplacement; le module de remaillage sur des géométries variées et en calcul parallèle. Enfin, quelques applications IFS ont été traitées : deux exemples bidimensionnels, l'un stationnaire, l'autre très instationnaire; puis, le programme a montré ses possibilités en tridimensionnel sur un câble déformable fixé à une extrémité et subissant un courant, ou encore un riser tracté dans un environnement multifluide au repos.

Cette thèse est consacrée à la conception, au développement et à l'analyse de méthodes de déformation de maillage pour la modélisation, le traitement et la comparaison de forme -telles que l'appariement et la reconstruction de surface- ainsi qu’à la conception d'une méthode numérique robuste pour la reconstruction faciale. La reconstruction faciale tridimensionnelle consiste à estimer un visage numérique à partir de la seule donnée de son crâne sec. Il s'agit d'un défi en médecine légale et en anthropologie. La contribution majeure de cette thèse est la conception d'une nouvelle méthode pour l'appariement de forme, en s'appuyant sur des techniques d'optimisation de forme. Sous la seule hypothèse que les deux formes ont la même topologie, la transformation cherchée s'obtient comme une suite de déplacements élastiques, solutions d'un problème de minimisation d’énergie basée sur une fonction distance signée.Nous proposons également une méthode de drapage permettant la génération d'un modèle de surface fermée à partir d'un maillage source. La méthode repose sur une technique d’évolution de maillage utilisant les équations de l'élasticité linéaire. Un maillage modèle est itérativement déformé pour générer une séquence de formes qui s’approche de plus en plus de la triangulation source. Dans la deuxième partie de ce manuscrit, nous nous intéressons au développement d’une méthode automatique de reconstruction faciale numérique. En s’appuyant sur des techniques de déformation continue telles que le ‘morphing' et le ’warping’, l'approche proposée est intégrée par des connaissances anthropologiques et mécaniques. / This thesis is devoted to the conception, the development and the analysis of mesh deformation strategies for shape modeling, processing and comparison -as shape matching and surface reconstruction- and, in a rather independent concern, for devising a robust computational method for facial reconstruction. Facial reconstruction is about the estimation of a facial shape from the sole datum of the underlying skull and is a challenging problem in anthropology and forensic science. The main contribution of the thesis is the design of a novel method for shape matching, borrowing techniques from the shape optimization context. Under the sole assumption that the two shapes share the same topology, the desired mapping is achieved as a sequence of elastic displacements by minimizing an energy functional based on a signed distance function. Several numerical examples are presented to show the efficiency of the method.Also, a novel method for generating a closed surface mesh model of an initially non-closed source mesh model is developed. The method relies on an original PDE-based mesh evolution technique. A template shape is iteratively deformed, producing a sequence of shapes that get 'closer and closer' to the source triangulation.The second part of the manuscript deals with the development of a landmark-free, fully automated method for digital facial reconstruction. Based on techniques of continuous deformation as 'morphing' and 'warping', the proposed approach is integrated with anthropological assumptions and mechanical models.

Les technologies de reconstruction multi-vues permettent de réaliser un clone virtuel d'un acteur à partir d'une simple acquisition vidéo réalisée par un ensemble de caméras à partir de multiples points de vue. Cette approche offre de nouvelles opportunités dans le domaine de la composition de scènes hybrides mélangeant les images réelles et virtuelles. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet RECOVER 3D dont l'objectif est de développer une chaîne de production TV complète, de l'acquisition jusqu'à la diffusion, autour de la reconstruction multi-vues. Cependant la technologie utilisée dans ce contexte est mal adaptée à la reconstruction de scènes dynamiques. En effet, la performance d'un acteur est reproduite sous la forme d'une séquence d'objets 3D statiques qui correspondent aux poses successives du personnage au cours de la capture vidéo. L'objectif de cette thèse est de développer une méthode pour transformer ces séquences de poses en un modèle animé unique. Les travaux de recherches menés dans ce cadre sont répartis en deux étapes principales. La première a pour but de calculer un champ de déplacements qui décrit les mouvements de l'acteur entre deux poses consécutives. La seconde étape consiste à animer un maillage suivant les trajectoires décrites par le champ de mouvements, de manière à le déplacer vers la pose suivante. En répétant ce processus tout au long la séquence, nous parvenons ainsi à reproduire un maillage animé qui adopte les poses successives de l'acteur. Les résultats obtenus montrent que notre méthode peut générer un modèle temporellement cohérent à partir d'une séquence d'enveloppes visuelles. / 4D multi-view reconstruction technologies are more and more used in media production due to their abilities to produce a virtual clone of an actor from a simple video acquisition performed by a set of multi-viewpoint cameras. This approach is a major advance for the composition of animations which mix virtual and real images, and also offers new possibilities for the rendering of such complex hybrid scenes. The work described in this thesis takes parts in the RECOVER 3D project which aims at developing an innovative industrial framework for TV production, based on multi-view reconstruction, from studio acquisition to broadcasting. The major drawback of the methods used in this context is that they are not adapted to the reconstruction of dynamic scenes. The output are time series which describe the successive poses of the actor, figured as a sequence of static objects. The goal of this thesis is to transform these initial results into a dynamic 3D object where the actor is figured as an animated character. The research detailed in this manuscript presents two main contributions. The first one is centered on the computation of a motion flow which represents the displacements occurring in the reconstructed scene between two consecutive poses. The second one presents a mesh animation process that leads to the animation of a 3D model from one pose to another, following the motion flow. This two-step operation is repeated throughout the entire pose sequence to finally obtain a single animated mesh that matches the evolving shape of the reconstructed actor. Results show that our method is able to produce a temporally consistent mesh animation from various sequences of visual hulls.

Il est connu depuis des décennies que la propagation des fissures de fatigue dans les matériaux élastoplastiques est très sensible à l’histoire du chargement car le comportement non-linéaire du matériau peut avoir une grande influence sur les vitesses de propagation. Cependant, le calcul brut de millions de cycles de fatigue avec des comportements matériaux non-linéaires sur des structures tridimensionnelles réalistes conduirait à des temps de calcul prohibitifs. Ainsi, nous proposons de coupler deux approches de réduction de modèle a priori et a posteriori, afin de diminuer considérablement le coût de calcul de ce type de problèmes. Tout d’abord, considérant l’hypothèse de plasticité confinée, une stratégie de réduction de modèle a posteriori du comportement plastique de la structure fissurée est proposée. Le modèle réduit ainsi obtenu fournit incrémentalement l’état plastique autour du front de fissure, duquel est déduite la vitesse instantanée de la fissure. De plus, une seconde approche de réduction de modèle, a priori cette fois, est aussi mise en place afin d’accélérer encore plus les temps de résolution du problème global. Cette approche a priori consiste à construire incrémentalement —et sans calculs préalables— une base réduite spécifique à chaque cas-test, en extrayant de l’information des champs de déplacement de la structure au cours du temps et pendant la propagation éventuelle de la fissure. Ainsi, les champs de déplacement solutions de la géométrie fissurée réactualisée sont vus comme une combinaison linéaire de cette base réduite de vecteurs. La méthode numérique considérée ici est la méthode des éléments finis. De fait, pendant la propagation de la fissure, la discrétisation spatiale du modèle doit être réactualisée afin d’être conforme avec le front de la fissure. Dans ce but, une technique spécifique de déformation de maillage est utilisée, et permet de discrétiser la géométrie variable du modèle avec des maillages de même topologie. Cette technique de déformation de maillage apparaît comme une étape clé de la stratégie de réduction de modèle. Finalement, une approche adaptative est construite autour de cette stratégie. Elle permet de garantir la qualité des résultats obtenus par rapport à un critère de précision donné. La précision et l’efficacité de cette stratégie globale sont démontrées à travers de nombreux exemples bidimensionnels et tridimensionnels dans le cadre de propagation de fissure en model, de même que pour un exemple industriel d’une pièce fissurée d’hélicoptère. / It has been known for decades that fatigue crack propagation in elastic-plastic media is very sensitive to load history since the nonlinear behavior of the material can have a great influence on propagation rates. However, the raw computation of millions of fatigue cycles with nonlinear material behavior on tridimensional structures would lead to prohibitive calculation times. In this respect, we propose a global model reduction strategy, mixing both the a posteriori and a priori approaches in order to drastically decrease the computational cost of these types of problems. First, the small scale yielding hypothesis is assumed, and an a posteriori model reduction of the plastic behavior of the cracked structure is performed. This reduced model provides incrementally the plastic state in the vicinity of the crack front, from which the instantaneous crack growth rate is inferred. Then an additional a priori model reduction technique is used to accelerate even more the time to solution of the whole problem. This a priori approach consists in building incrementally and without any previous calculations a reduced basis specific to the considered test-case, by extracting information from the evolving displacement field of the structure. Then the displacement solutions of the updated crack geometries are sought as linear combinations of those few basis vectors. The numerical method chosen for this work is the finite element method. Hence, during the propagation the spatial discretization of the model has to be updated to be consistent with the evolving crack front. For this purpose, a specific mesh morphing technique is used, that enables to discretize the evolving model geometry with meshes of the same topology. This morphing method appears to be a key component of the model reduction strategy. Finally, the whole strategy introduced above is embedded inside an adaptive approach, in order to ensure the quality of the results with respect to a given accuracy. The accuracy and the efficiency of this global strategy have been shown through several examples; either in bidimensional and tridimensional cases for model crack propagation, including the industrial example of a helicopter structure.