La thèse est consacrée à l’étude théorique et expérimentale des propriétés thermodynamiques et d'usage de Systèmes Hétérogènes de Lyophobes nanoporeux (SHL) et leurs dépendances en fonction de la température afin de déterminer les conditions optimales et accroître l'efficacité des dispositifs énergétiques à base de SHL. La thèse présente les résultats obtenus dans trois directions principales de recherche: 1. Analyse thermodynamique; 2. Caractéristiques des SHL dans une large plage de température; 3. Stabilité de SHL dans différentes conditions opérationnelles. La gamme maximale de température étudiée est à 2 - 150 °C et 0.1 - 120 MPa pour la pression. En particulier, les résultats comprennent une équation d'état pour décrire des SHL réels qui prend en compte la distribution de taille des pores; les caractéristiques énergétiques de quatre (deux mésoporeux et deux microporeux) SHLs mesurées dans une large plage de température; certains nouveaux régimes de fonctionnement de SHLs ont été étudiés dans des conditions isobares contrôlées; enfin le concept d'utilisation de SHL comme système avec dilatation thermique négative prononcée est proposé. / The thesis is devoted to the theoretical and experimental investigations of thermodynamic and operational properties of nanoporous Heterogeneous Lyophobic Systems (HLS) and their temperature dependences in order to determine optimal conditions and increase efficiency of HLS-based energetical devices. The thesis reflects results obtained in three main directions of research: 1. Thermodynamic analysis; 2. Characteristics of HLS in a wide temperature range; 3. Stability of HLS under different operational conditions. Maximum temperature range investigated is to 2 - 150 ° C. Pressure range is 0.1 - 120 MPa. Particularly, results include proposed equation of state for real HLS, which takes into account pore size distribution function; the energetic characteristics of four (two mesoporous and two microporous) HLSs collected in a wide temperature range; some new operation regimes of HLSs were investigated under controlled isobaric conditions; proposed concept of usage of HLS as a system with pronounced negative thermal expansion.

En turbulence pleinement développée et incompressible, on constate que l’énergie cinétique d’unécoulement est dissipée à un taux indépendant du nombre de Reynolds. C’est la loi zéro de la turbulence.Cette loi, qui fut découverte en 1935 par Taylor, a eu de nombreuses confirmations expérimentaleset numériques, et est au coeur de notre compréhension de la physique des régimes turbulents. Dansles années qui suivirent, Taylor proposa un mécanisme pour rendre compte de la loi zéro, basé sur laviscosité et sur l’idée d’une cascade d’énergie à travers les échelles. En 1949, Onsager se rend comptequ’une dissipation d’énergie peut aussi se produire sans l’assistance des forces visqueuses à petite échellesi le champ de vitesse devient suffisamment irrégulier, et propose une conjecture sur la régularité minimaleque devrait satisfaire le champ de vitesse pour assurer la conversation de l’énergie en l’absencede viscosité. En 2000, deux mathématiciens français, Jean Duchon et Raoul Robert, formalise pour lapremière fois les idées d’Onsager dans un cadre mathématique rigoureux. Ils établissent la forme exactede la dissipation d’énergie émanant de l’existence possible de singularités, et I’expriment en fonctiondes incréments de vitesse. Cependant, la pertinence de ces concepts en turbulence expérimentale resteà établir, et n’a jamais été étudiée.Dans cette thèse, nous proposons les premiers tests des idées d’Onsager à partir de données expérimentales,en se basant sur le travail de Duchon et Robert. Pour cela, nous nous plaçons dans le cadredes écoulements de von Kármán où la régularité des équations de Navier-Stokes n’est pas connue. Nousutilisons des mesures de vélocimétrie par image de particules pour obtenir les trois composantes duchamp de vitesse dans un plan méridien, et ainsi calculer ses incréments à l’échelle de résolution de notresystème de mesure. Le résultat principal de ce travail est la mise en évidence du caractère non-trivialdes écoulements turbulents à l’échelle de Kolmogorov, où l’on observe des topologies très irrégulièresdu champ de vitesse coïncidant avec des évènements extrêmes de transferts inertiels d’énergie. / The zeroth law of turbulence states that fully developed turbulent incompressible flows dissipatetheir kinetic energy independently of the Reynolds number. Since its discovery by Taylor in 1935, thislaw has had many experimental and numerical confirmations, and is at the heart of our understandingof turbulence. In the following years, Taylor proposed a mechanism for the zeroth law, based onviscosity and the idea of a cascade of energy through scales. In 1949, Onsager realized that energydissipation could occur without the final assistance by viscosity at small scales if the velocity fieldbecomes sufficiently irregular, and conjectured the minimum regularity condition above which energyconservation is ensured in the absence of viscosity. In 2000, two french mathematicians, Jean Duchonand Raoul Robert, were able to derive the analytical expression for the inertial dissipation in termsof velocity increments, along with the corresponding energy balance. However, the relevance of theseideas for real turbulence has never been studied.In this thesis, we present the first tests of Onsager’s idea from experimental data, based on thework of Duchon and Robert. We enter the framework of von Kármán flows for which the regularity ofNavier-Stokes equations is unknown. We use particle image velocimetry measurements which provideus with the three components of the velocity field on a meridional plane, and allows for the computationof velocity increments at the resolution scale of our measurement set-up. In this work, we point out thenon-trivial character of turbulent flows at the Kolmogorov scale, where we observe irregular

The work presented in this dissertation concerns dynamics of Rydberg atom lattices in the presence of noise and dissipation. Rydberg atoms possess a number of exaggerated properties, such as a strong van der Waals interaction. The interplay of that interaction, coherent driving and decoherence leads to intriguing non-equilibrium phenomena. Here, we study the non-equilibrium physics of driven atom lattices in the presence of decoherence caused by either laser phase noise or strong decay. In the first case, we compare between global and local noise and explore their effect on the number of excitations and the full counting statistics. We find that both types of noise give rise to a characteristic distribution of the Rydberg excitation number. The main method employed is the Langevin equation but for the sake of efficiency in certain regimes, we use a Markovian master equation and Monte Carlo rate equations, respectively. In the second case, we consider dissipative systems with more general power-law interactions. We determine the phase diagram in the steady state and analyse its generation dynamics using Monte Carlo rate equations. In contrast to nearest-neighbour models, there is no transition to long-range-ordered phases for realistic interactions and resonant driving. Yet, for finite laser detunings, we show that Rydberg atom lattices can undergo a dissipative phase transition to a long-range-ordered antiferromagnetic phase. We identify the advantages of Monte Carlo rate equations over mean field predictions. Having studied the dynamics of Rydberg atom lattices, we study an application of the strong interactions in such systems for quantum information processing. We investigate the coherent exchange of a single photon between a superconducting microwave cavity and a lattice of strongly interacting Rydberg atoms in the presence of local electric field fluctuations plaguing the cavity surface. We show that despite the increased sensitivity of Rydberg states to electric fields, as compared to ground state atoms, the Rydberg dipole-dipole interaction can be used to protect the system against the dephasing induced by the local noise. Using $1/f$ and laser phase noise models, we show that compared to the case with non-interacting atoms, our system exhibits longer coherence lifetimes and larger retrieval efficiency of the photon after storing into the atoms.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la statique et la dynamique du mouillage de gouttes d’eau sur des substrats mous tels que des gels, encore connu sous le nom d’élastomouillage. Pour ce faire, nous avons d'abord développé une méthode quantitative de visualisation par strioscopie permettant de mesurer la déformation de la surface d'un film de gel transparent avec une précision élevée. Nous montrons que la déformation superficielle de films mous de silicone (PDMS) dépend de la taille des gouttelettes déposées ainsi que de l'épaisseur et de l’élasticité de ces films. Nous avons construit un modèle basé sur la théorie de l'élasticité linéaire tenant compte de la tension superficielle des gels qui prédit bien la forme et l’amplitude de la déformation de surface. Nous apportons aussi la preuve expérimentale et l'analyse théorique de l’importance de l'hystérèse de l’angle de contact dans la description de la déformation en démontrant que la force tangentielle due à la tension superficielle entre liquide et vapeur à la ligne de contact, souvent négligé, contrôle la déformation de la surface. La dynamique de mouillage est étudiée en dégonflant des gouttelettes sur des films de PDMS avec une épaisseur bien contrôlée. Il est démontré que la dissipation d'énergie dans le gel dépend fortement de l'épaisseur lorsque cette dernière est inférieure à 100 μm). L'effet de freinage viscoélastique et l'effet d'épaisseur sont bien rationalisés avec un modèle basé sur la viscoélasticité linéaire et une simple loi l'échelle qui tient compte de l'effet d'épaisseur capture très bien nos expériences. Enfin, nous démontrons que nous pouvons dériver et guider les gouttelettes en mouvement avec la conception de surfaces couvertes de couches de gels ayant des gradients d'épaisseur. / In this thesis, we aim at obtaining a better understanding of the statics and dynamics of the wetting of liquids on soft gels, otherwise known as elastowetting. First, we develop a quantitative Schlieren optics to measure the surface deformation of a transparent gel film with a high precision over large areas in real time. The long-range surface deformation of soft PDMS films is found to be dependent on the sessile droplet size, and the thickness and elasticity of the soft films. We build a model based on linear elasticity theory with the integration of the surface tension of soft materials that predicts the long-range surface deformation in excellent agreement with the data. We also bring the experimental proof and theoretical analysis of the importance of contact angle hysteresis in the description of the deformation of the surface of the gel. We demonstrate that the tangential component of the liquid-vapor surface tension at the contact line, whose contribution are often neglected, significantly affects the surface deformation. Wetting dynamics is investigated by deflating droplets on PDMS films with well-controlled thickness. It is shown that energy dissipation in the soft gel depends on the thickness when the latter is smaller than 100 μm. The viscoelastic braking effect and the thickness effect are both well rationalized with a model based on the theory of linear viscoelasticity and a simple scaling law accounting for the thickness effect captures very well our experiments. Finally, we demonstrate that we are able to guide moving droplets with coatings having a gradient of their thickness.

Ce travail de thèse a pour objet d’analyser le processus de dissipation d’énergie dans les amortisseurs par milieux granulaires. Des études de nature expérimentale, analytique et numérique ont été menées afin de pouvoir détecter les paramètres clefs agissant sur la dissipation; un modèle expérimental minimal a été présenté en premier lieu afin de mettre en évidence l’efficacité des milieux granulaire en tant qu’amortisseurs de vibrations. Un second modèle expérimental plus élaboré a été développé, avec de multiples protocoles expérimentaux, pour mener une étude paramétrique et détecter leurs impacts sur l’évolution du facteur de perte du système. On montre que le coefficient de perte ne dépend pas du matériau des particules ou leur nombre, mais dépend fortement de la masse totale des grains embarqués et sur l’amplitude du signal vibrant. Nos mesures montrent aussi la contribution de l'écoulement visqueux de l'air entourant les grains au facteur de perte globale des amortisseurs.La partie analytique à son tour a permis de retrouver le comportement obtenu expérimentalement par le billet du développement des équations du mouvement du système, celle des énergie cinétique et énergie dissipée afin de proposer enfin une équation maitresse qui décrit l’évolution du facteur de perte réduit au sein de notre système. Pour atteindre une plus grande précision, une modélisation du système granulaire par la méthode des éléments discrets (DEM) a permis de retrouver les mêmes conclusions et ainsi valider les constatations expérimentales et le modèle analytique proposé. / This thesis aims to analyze the process of energy dissipation in particle dampersExperimental, analytical and numerical studies have been conducted in order to identify key parameters influencing the dissipation; minimal experimental model was introduced first to highlight the efficiency of granular media as shock absorbers of vibrations. A second more sophisticated experimental model was developed, with multiple experimental protocols, to conduct a parametric study and detect their impact on the evolution of the system loss factor. It is shown that the loss coefficient is independent of the particle material or their number, but depends strongly on the total mass of embedded grains and on the amplitude of the vibrating signal. Our measurements also show the contribution of viscous flow of the air surrounding the grains to the overall loss factor.The analytical part in turn led to the discovery The behaviour obtained experimentally by the development of the equations of motion of the system, that of kinetic energy dissipated and energy to finally offer a mistress equation which describes the evolution of the loss factor reduced within our system. To achieve greater accuracy, a model of the granular system by the discrete element method (DEM) allowed to find the same conclusions and thus validate the experimental findings and the proposed analytical model.

Finite volume methods employing second-order gradient reconstruction schemes are often utilized to computationally solve the governing equations of fluid mechanics and transport. These schemes, while not as dissipative as first-order schemes, frequently produce oscillatory solutions in regions of discontinuities and/or unsatisfactory levels of dissipation in smooth regions of the variable field. Limiters are often employed to reduce the inherent variable over- and under-shoot; however, they can significantly increase the numerical dissipation of a solution, eroding a scheme’s performance in smooth regions. A novel gradient reconstruction scheme, which shows significant improvement over traditional second-order schemes, is presented in this work. Two implementations of this Optimization-based Gradient REconstruction (OGRE) scheme are examined: minimizing an objective function based on the mismatch between local reconstructions at midpoints or selected quadrature points between cell stencil neighbors. Regardless of the implementation employed, the resulting gradient calculation is a compact, implicit method that can be used with unstructured meshes by employing an arbitrary computational stencil. An adjustable weighting parameter is included in the objective function that allows the scheme to be tuned towards either greater accuracy or greater stability. To address over- and undershoot of the variable field near discontinuities, non-local, non-monotonic (NLNM) and local, non-monotonic (LNM) limiters have also been developed, which operate by enforcing cell minima and maxima on dependent variable values projected to cell faces. The former determines minimum and maximum values for a cell through recursive reference to the minimum and maximum values of its upwind neighbors. The latter determines these bounding values through examination of the extrema of values of the dependent variable projected from the face-neighbor cell into the original cell. Steady state test cases on structured and unstructured grids are presented, exhibiting the low-dissipative nature of the scheme. Results are primarily compared to those produced by existing limited and unlimited second-order upwind (SOU) and first-order upwind (FOU). Solution accuracy, convergence rate and computational costs are examined.

Résumé : Ce projet de recherche s'inscrit dans une démarche d'éco-conception de matériaux architecturés à fort potentiel acoustique. On s'intéresse en particulier dans ce travail de thèse à la description des phénomènes de dissipation et de propagation des ondes acoustiques dans un milieu fibreux par une approche multi-échelle et multi-physique. Dans cette étude, il s'agit de décrire les propriétés acoustiques du milieu fibreux à partir d'une description de la géométrie à l'échelle locale de milieux fibreux. Le milieu fibreux est constitué de fibres d'asclépiades, qui sont typiquement des fibres végétales adoptant la forme de longs cylindres. Pour traiter ce problème, la méthodologie employée consiste en quatre étapes principales : (i) caractérisation et modélisation de la géométrie du milieu fibreux; (ii) calcul des paramètres de transport et acoustiques du milieu fibreux reconstruit; (iii) validation expérimentale de propriétés de transport et acoustiques; (iv) évaluation des évolutions de propriétés de transport en fonction des paramètres de la géométrie à l'échelle locale de matériau. En particulier, un modèle isotrope spatialement stationnaire de lignes droites (processus de Poisson) et le tenseur d'orientation angulaire correspondant, constituent des outils de modélisation de la géométrie aléatoire du milieu fibreux permettant de représenter les principales caractéristiques susceptibles d'influencer ses propriétés de transport. Il s'agit ensuite de résoudre les principaux problèmes aux limites gouvernant le comportement acoustique à l'échelle supérieure en appliquant une technique classique d'homogénéisation numérique. On montre dans un premier temps que la méthode développée permet de prédire le comportement en absorption d'un milieu fibreux aléatoire en se basant uniquement sur la description des caractéristiques géométriques du matériau fibreux réel (porosité, rayon de fibres, distributions des orientations angulaires) sans coefficient d'ajustement, validations expérimentales à l'appui. Sur la base de ce travail de reconstruction tridimensionnel, on étudie ensuite systématiquement l'ensemble des phénomènes de transport d'intérêt sur une large gamme de porosité et d'orientations angulaires, de manière à produire des lois qui peuvent être appliquées par la suite par d'autres utilisateurs sur une large gamme de milieux fibreux réels. Finalement, on examine plus particulièrement l'hypothèse classique selon laquelle un milieu fibreux peut être décrit à partir de la moyenne arithmétique du diamètre de ses fibres, afin de cerner les limites de cette approche et ses conditions d'applicabilité lorsque le milieu fibreux présente une distribution étendue de diamètres de fibres ou bimodale. / Abstract : This thesis is concerned with in an eco-design approach for architectured porous materials (fibers made) with high acoustic potential. The project particularly focuses on asclepias (vegetal) fibers and on the description of dissipation and propagation phenomena of sound waves using homogellization techniques. One begins with the characterization of the fibrous medium by scanning electron microscope images from horizontal and vertical cross-sections of a slab of porous sample. Three-dimensional unit cells of the fibrous samples under study are reconstructed with an isotropic model of straight lines (Poisson processes) and by making use of the concept of angular orientation tensor from the previously identified microstructure characteristics (porosity, fiber radii, angular orientation distributions). The transports and acoustic properties are obtamed from numerical computations of unit cell problems (Stokes flow, potential flow and heat conduction) with the Finite Element Method. Validations with experimental data based on permeability and impedance tube measurements are proposed and show a good agreement with the predictive models. The dependence of the effective properties with the geometrical characteristics of the porous microstructure is then analyzed on a large range of porosity (0.75 ÷ 0.09) and explicit relations are provided between the effective acoustic coefficients and the microstructural parameters. The last part of this work is dedicated to the determination of acoustic properties of random fibrous media with bi- and poly dispersed fiber distribution radii. The results are compared with a corresponding mono- dispersed fibrous material (with a single effective fiber radius) which show no significant difference with the initial distributions when the effective radius is small enough. The results of this thesis also point out that an equivalent mono-dispersed fibrous material fails to represent accurately the transport properties of a random fibrous structure when the latter one is described by a fiber distribution radii tending towards a log normal distribution.

La découverte de plus de 900 planètes autour d’autres étoiles que le Soleil rend notre époque excitante. Ces systèmes planétaires nous ont fait changer notre perception du monde qui était jusqu’alors basée sur nos connaissances du système solaire. Certains systèmes détectés sont beaucoup plus compacts que notre système solaire et les planètes se trouvent extrêmement proches de leur étoile. Pour comprendre la structure de ces systèmes et leur évolution, il est important d’étudier les effets de marée.Les missions d’observations des exoplanètes commencent à détecter des planètes de moins en moins massives dans la zone autour d’une étoile appelée zone habitable. La zone habitable est définie comme la plage de distances orbitales pour laquelle une planète ayant une atmosphère peut avoir de l’eau liquide à sa surface. L’étude du climat des exoplanètes, étant donné un flux et un spectre stellaire, est importante pour la caractérisation de l’atmosphère de ces exoplanètes (que JWST sera en mesure de faire).Dans cette thèse, ces problématiques d’évolution dynamique de systèmes planétaires et de climats de planètes sont développées pour le cas de systèmes planétaires orbitant des naines brunes et des étoiles de faible masse dans le but futur de contraindre des paramètres des modèles de marée ou des observations. Dans un premier temps, j’ai traité le cas de l’évolution par effet de marée d’une planète orbitant une naine brune, une naine M ou une étoile de type solaire dont l’évolution du rayon est prise en compte. L’objectif était d’étudier l’influence de la contraction de l’étoile (ou naine brune) sur l’évolution orbitale des planètes. Dans un deuxième temps, j’ai cherché à étudier l’influence des effets de marée sur l’évolution dynamique d’un système multiplanétaire orbitant une naine brune, une naine M ou une étoile de type solaire dont l’évolution du rayon est aussi prise en compte.Ces deux projets permettent d’aborder le problème de l’habitabilité des planètes au- tour de ces objets, en particulier autour des naines brunes qui refroidissent avec le temps. En effet, une planète se trouvant dans la zone habitable d’une naine brune se situe suffisamment proche de la naine brune pour ressentir l’influence des effets de marée. Ainsi, des paramètres importants pour l’étude des climats sont en partie déterminés par les effets de marée – paramètres comme l’excentricité et l’obliquité entre autres. Dans cette thèse, cette problématique est succinctement abordée en vue d’une poursuite en post-doctorat. / The discovery of more than 900 planets orbiting other stars than our Sun makes this period very exciting. Our knowledge which was based on the Solar System has been challenged by new planetary systems which are very different from our system. Some of them are much more compact than the Solar System. Some planets are located extremely close-in from their star, within the orbital distance of Mercury, in a region where tidal effects are important. Understanding the structure of the known exoplanetary systems and the future ones requires to take into account the physics of tidal evolution.The missions dedicated to the finding of exoplanets are beginning to detect less massive planets in the habitable zone of their host star. The habitable zone is here defined as the range of orbital distances where a planet with an atmosphere can sustain liquid water at its surface. The study of the climate of exoplanets, given a stellar flux and spectra, is important for the characterization of planetary atmosphere – which JWST will make possible.This thesis provides a study of the dynamical and tidal evolution of planetary systems orbiting evolving brown dwarfs and low mass stars in order to constrain some tidal parameters and in the case of planets around brown dwarfs put some constrains on observability. First, I studied the tidal evolution of single-planet systems orbiting a brown dwarf, a M-dwarf or a Sun-like star whose radius evolution is taken into account. The aim of this study was to study the influence of the contraction of the brown dwarf or star on the orbital evolution of the planets. Second, I endeavored to study the tidal evolution of multiple-planet systems orbiting a brown dwarf, a M-dwarf or a Sun-like star whose radius evolution is also taken into account.These two projects allow me to study the question of the habitability of planets orbiting those objects, in particular orbiting brown dwarfs which are known to cool down with time. A planet orbiting a brown dwarf in its habitable zone is sufficiently close to the brown dwarf to feel tidal effects. So parameters such as the eccentricity or obliquity, which are important for the climate are partially determined by tides. In this thesis, this question is briefly addressed but will be deepened in a future post-doc.

Les voies ferrées sont endommagées par les chargements dynamiques répétés issus du passage des trains, en particulier pour les trains à grandes vitesses. Structures multicouches complexes, ces voies sont constituées : de rails en acier, de semelles en élastomère, des traverses de béton, d’une couche de ballast et d’une sous-couche. L’étude du comportement mécanique d’une voie ferrée (de chaque composant à la structure entière) est donc étroitement liée à l’amélioration de la sécurité ferroviaire, ainsi qu’à l’efficacité de ce mode de transports.Ce travail de thèse se focalise sur l’étude des semelles sous rail et de la sous-couche en grave bitumineuse. Ces deux composants ont été choisis pour leurs similarités en termes de comportement mécanique non linéaire et capacité de dissipation d’énergie. Ce manuscrit est divisé en trois chapitres.Dans le cadre de ce premier chapitre le modèle d’intégrale par convolution (modèle-CI) est choisi pour modéliser le comportement mécanique du matériau élastomère de la semelle. Le modèle-CI est une extension naturelle de la théorie de la viscoélasticité linéaire, car basé sur l'extension du principe de superposition Boltzmann ; la séparation des contraintes proposée par ce modèle, a été observée expérimentalement par de nombreux auteurs.Le deuxième chapitre concerne l’étude du comportement mécanique du matériau élastomérique qui compose les semelles sous-rail et de modélisation pour prédire le comportement non-linéaire et la capacité d'absorption d'énergie d'une structure semelle.Le modèle de comportement (modèle-CI) permet de représenter de façon très fiable la partie chargement de la semelle (erreur de 1 % pour la rigidité). Pour la partie déchargement, la représentation est un peu moins bonne : la déformation résiduelle "numérique" est de 2,2 % alors qu'expérimentalement elle n'est que de 0,4 %, ce qui conduit à une erreur de prédiction sur l'énergie dissipée de 37.5 %. La comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux in-situ montrent que le modèle utilisé permet de décrire assez correctement la réponse de la semelle au passage d'un train dans les limites d’erreur de prédiction de la déformation résiduelle.Ce modèle-CI doit être utilisé sur le modèle géométrique 3D complet de la semelle, les approches simplifiées (2D, semelle sans rainure) conduisent à des prédictions fortement erronées.Le troisième chapitre se focalise sur l’étude du matériau de type asphalte utilisé pour la couche sous-ballast des voies ferrées. Des cubes de “Matériaux Virtuels” ont été réalisés en disposant aléatoirement des inclusions sphériques monodisperses rigides dans un volume de matrice au comportement hyper-élastique. L’influence du diamètre et de la fraction volumique de ces inclusions sur le comportement mécanique d’une structure a été étudiée numériquement et expérimentalement en utilisant un plan d’expérience de type Doehlert. Cette approche de « Matériaux Virtuels » a permis d’avoir une correspondance exacte entre les géométries des spécimens numériques et expérimentaux sur les 7 échantillons testés.L’analyse des surfaces de réponses a montré que les deux paramètres observés F_max et E_% sont fortement corrélés aux valeurs de V_fr. L’influence du diamètre des inclusions, par contre, est très faible.Enfin, les simulations par éléments finis ont permis d’étudier la répartition interne des contraintes et déformations. Les résultats ont été présentés pour l’échantillon V0225-D08 : la chaine d’effort a été visualisée à l’intérieur de la matrice et présente des contraintes de Von Mises jusqu’à 8 fois celles obtenues dans la matrice.Dans l’étude proposée, le diamètre et la forme des inclusions ont été fixés. Il serait intéressant de faire varier ces paramètres en utilisant la même méthodologie. Par ailleurs, les récentes avancées en termes de fabrication additive permettent d’imaginer la construction d’échantillons hétérogènes complexes. / Repetitive dynamic loads caused by passing trains can damage a railway track, especially at high speeds. The complex multilayer structure of the modern track consists of: stainless steel rails, elastomeric rail pads, concrete sleepers, track ballast and sub-ballast layers. Investigation of the mechanical behaviour of the railway track structure (as the whole and by parts) can have a great importance for the improvement of safety and efficiency of railway transportation.In the present study rail pad and bituminous mixture (BM) sub-ballast layers of a standard ballasted railway track were considered for investigation. These parts of the track were chosen for their similarities in the mechanical behaviour (nonlinearity and energy dissipation) and function (reduction of the dynamic part of load, an influence on the load distribution).The first chapter reviews the main aspects of the mechanical behaviour of elastomeric materials and covers the common theoretical approaches, appropriate for the modelling of this behaviour. The Convolution Integral approach (CI-model) was chosen to represent the mechanical behaviour of a rail pad material as a natural extension of theory of linear viscoelasticity, based on extension of the well-established Boltzmann Superposition Principle.The second chapter is devoted to study of elastomeric material of a rail pad and to numerical modelling of a whole elastomeric rail pad structure subjected to common track loads. Special attention was given to possibility of the model to describe the nonlinearity of the mechanical behaviour and capability of energy dissipation.Sufficient conformity between experimental and numerical results was established on loading part of a Force vs Displacement curve (an error of 1 % was obtained for the stiffness value) for the quasi-static loading, while prediction of the residual compression displacement remains poor, especially in the first loading cycle (2.2% of the macroscopic strain against 0.4% in experiment). The observed discrepancy led to poor prediction of the dissipated energy (an error of 37.5 % was found). Comparison between results of the numerical simulation and in situ experimental measurements has shown that the FE model is capable to describe dynamic behaviour of a rail pad structure to within the error of prediction of the residual compression displacement.Possible ways to simplify the numerical model, discussed in the second chapter, generally lead to high overestimation (2D plain strain and 3D grooveless models) or underestimation (2D plain stress model) of the rail pad mechanical behaviour.The third chapter of the thesis is connected to the study of a BM material, used on a railway track as a sub-ballast layer. Influence of size and volume fraction of monodisperse spherical inclusions, randomly packed into a cubic matrix, on the mechanical behaviour of obtained composite structure were investigated using “Virtual Material” approach. This approach allows numerical study of a theoretical case without losing connection with a real experiment (by means of direct geometrical correspondence). Parameters of 7 specimens were chosen in accordance with Doehlert experimental design.Analysis of “response surfaces” has shown that both F_max and E_% have a strong dependence on the value of V_fr and almost no dependence on the value of D.Stress/strain concentrations were analyzed using FE method on example of V0225-D08 specimen. This allows to find and to visualize load-bearing chains going through the matrix. Von Mises stress in load-bearing chains is almost 8 times higher than the average in the matrix.More complex models (real and numerical) in terms of problem discretization (more than one inclusions’ fraction, different inclusions’ shapes, etc.) can be developed and studied in the similar way. Moreover, the recent progress in additive manufacturing technologies shows potential to create complex heterogeneous specimens with an increased precision.

Un nouveau matériau d’âme à base de fibres enchevêtrées et réticulées a été précédemment développé dans le but d’améliorer certaines propriétés des structures sandwichs dont l’amortissement vibratoire. Cependant, son comportement mécanique et vibratoire doit être optimisé afin de l’utiliser dans le domaine aérospatial. Plusieurs paramètres morphologiques entrent en jeu lors de sa fabrication. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique permettant de mieux comprendre le comportement de ce matériau enchevêtré réticulé. Le comportement d’un volume élémentaire représentatif de fibres de carbone enchevêtrées et non-réticulées est d’abord étudié en compression par éléments finis. La géométrie numérique du réseau de fibres s’appuie sur les données morphologiques du matériau réel. Les simulations numériques permettent de suivre, au cours de la compression confinée, l’évolution des différents paramètres, tels que la distribution des orientations des fibres, la distance entre contacts ou la fraction volumique. Ces résultats constituent une base robuste pour le développement du modèle numérique du matériau enchevêtré et réticulé qui est ensuite utilisé pour modéliser le comportement mécanique en cisaillement, et en particulier pour simuler et expliquer les boucles d’hystérésis observées expérimentalement. A la fin de ce travail, une étude numérique est proposée afin de décrire l’influence des différents paramètres morphologiques sur la rigidité en compression et en cisaillement du matériau enchevêtré réticulé. / A new core material based on entangled and cross-linked fibers has been previously developed in order to improve certain properties of sandwich structures including vibration damping. However, its behavior must be optimized for use in the aerospace field. Several morphological parameters can be modified during the manufacturing process. The aim of this thesis was to develop a numerical model to better understand the behavior of this entangled cross-linked material. The behavior of a representative volume element of entangled carbon fibers without cross-links is first studied in compression using finite element. The numerical geometry of the fiber network relies on the morphological parameters of a real sample. Numerical simulations make it possible to follow, during the confined compression, the evolution of the different parameters, such as the distribution of fiber orientations, the distance between contacts or the volume fraction. These results provide a robust basis for developing the numerical model of the entangled cross-linked material which is then used to model the mechanical behavior in shear, and in particular to simulate and explain the hysteresis loops observed experimentally. At the end of this work, a numerical study is proposed to study the influence of different morphological parameters on the compressive stiffness and shear stiffness of the entangled cross-linked material.