On s'est intéressé dans ce travail à la résolution numérique des équations d'Euler linéarisées autour d'un écoulement stationnaire, subsonique et assez régulier. Dans le but d'obtenir des matrices symétriques dans ces équations, et in fine, une équation d'équilibre énergétique, nous considérons la linéarisation d'une forme symétrique des équations d'Euler tridimensionnelles. Nous proposons un schéma non-diffusif de type Galerkin discontinu en domaine temporel (GDDT) s'appuyant sur une formulation centrée-élément avec des ux numériques totalement centrés et un schéma en temps explicite de type saute-mouton, ce qui permet d'obtenir une approximation sans dissipation et fournit une estimation précise des variations de l'énergie aéroacoustique. En effet, dans le cas général de la linéarisation autour d'un écoulement non-uniforme, il existe une équation d'équilibre énergétique au niveau continu que nous vérifions au niveau discret. Nous montrons qu'il existe un terme source discret permettant de conserver exactement l'énergie ce qui permet de prouver la stabilité de notre schéma. Ainsi, notre schéma non-diffusif de type GDDT fournit un outil précis pour contrôler des phénomènes tel que les instabilités de Kelvin-Helmholtz. Nous illustrons la capacité de notre méthode aussi bien sur plusieurs cas tests académiques que sur différentes configurations complexes grâce à une implémentation parallèle.

Mon travail de recherche a été consacré aux propriétés physiques des polymères réticulés, des chaînes polymères confinées (copolymères blocs) et des élastomères chargés. J'ai utilisé principalement la RMN pour étudier l'énergie élastique stockée à l'échelle des chaînes polymères, en utilisant des concepts RMN que j'ai largement contribué à développer. D'autre part, j'ai développé des simulations numériques de Monte Carlo pour relier les mesures RMN aux propriétés statistiques des chaînes dans les élastomères et autres systèmes polymères confinés. Je me suis aussi intéressé à différents aspects de la physique des cristaux liquides : liens entre la dynamique locale et la structure, changements de phases, croissance directionnelle, facettage tridimensionnel des phases cubiques, que j'ai été le premier à mettre en évidence. Je prends actuellement une part essentielle dans le développement et les projets du « pôle polymères » du Laboratoire de Physique des Solides. Dans ce cadre, mes activités de recherche portent sur la transition vitreuse dans les polymères en volume et en films minces et sur les propriétés physiques des élastomères renforcés : effets non linéaires, plasticité, fatigue. Mes activité sont à la fois expérimentales (RMN, diffusion aux petits angles, mesures mécaniques) et numériques (percolation dans les systèmes bidimensionnels en lien avec la transition vitreuse en film mince, simulations des élastomères renforcés par dynamique particulaire dissipative). Mes projets concernent les propriétés ultimes des systèmes polymériques nanostructurés.

La surface de l'océan, interface entre deux milieux l'un liquide et l'autre gazeux, est un lieu d'échange d'énergie dans lequel l'influence du vent est importante. La compréhension des processus d'échanges est un enjeu important pour appréhender la dynamique et le couplage des deux milieux. Lors du transfert d'énergie mécanique du vent vers les vagues, une partie de l'énergie participe à l'amplification des vagues, via la traînée de forme, une autre contribue au courant de dérive, via la traînée visqueuse. Une étude expérimentale a été menée afin de déterminer la répartition de cette énergie entre ces deux traînées pour différentes conditions de vent et de vagues. La détermination de la traînée de forme passe par la mesure de la pression statique au plus près de la surface et celle de la traînée visqueuse par la mesure de la vitesse de l'écoulement de l'air dans la sous-couche visqueuse. Des dispositifs expérimentaux originaux ont été développés dans cette optique. Une sonde de pression constituée d'une antenne de pression de type Elliot et d'un capteur miniature inséré au plus près du point de mesure permet de donner une description détaillée des champs de pression dans la couche limite turbulente. Un dispositif "suiveur à vagues" asservi à une sonde à vagues, permet de réaliser les mesures au plus près de la surface notamment dans le creux des vagues. Enfin, un dispositif « plongeur » permet de faire transiter une sonde de vitesse dans la sous-couche visqueuse de l'air afin de déterminer les contraintes de cisaillement au niveau de la surface. Ces mesures permettent d'obtenir une description fine de la structure locale de l'écoulement de l'air dans les zones toutes proches de la surface marine. Ainsi, nous montrons que la contribution de la tension visqueuse à la tension totale est une fonction décroissante du vent et de la cambrure de l'onde dominante. On montre également que la tension visqueuse n'est pas constante le long du profil de la vague mais présente des modulations, fonction de la phase de la vague, qui s'amplifient avec la cambrure de la vague. Par ailleurs, l'étude des champs de pression met en défaut les méthodes classiques de mesure de la traînée de forme qui consiste à extrapoler le profil vertical des corrélations Pression-Pente à l'altitude de l'eau au repos. L'expression analytique du flux de quantité de mouvement de l'air à l'eau écrite dans un repère mobile permet d'identifier les diverses composantes qu'on peut relier à la traînée totale à la surface. Une étude comparative de la mesure des flux du vent vers les vagues via la méthode Inertio-Dissipative et la méthode directe montre que les résultats divergent à proximité de l'interface. Bien que tous les termes de l'équation bilan de l'énergie cinétique de la turbulence ne puissent être déterminés expérimentalement, on montre que des termes supv plémentaires apparaissent lorsque les mesures sont réalisées sur un support mobile lié aux déplacements de l'interface. Une approche expérimentale montre que la durée de vie de vagues scélérates générées par focalisation spatio-temporelle est significativement augmentée en présence de vent. Une forte asymétrie est effectivement observée entre les phases de focalisation et de défocalisation. L'étude des interactions entre le vent et le groupe focalisant met en évidence que ce phénomène est en partie dû au mécanisme de décollement de l'air à la crête de la vague extrême.

<p>The elastic properties of oil/water/surfactant interfaces play an important role in the phase behaviour of microemulsions and for the stability of macroemulsions. The aim of this thesis is to obtain an understanding of the relationship between the structure of the surfactant molecules, the structure of the interface, and macroscopic interfacial properties. To achieve this aim, we performed molecular simulations of oil/water/surfactant systems. We made a quantitative comparison of various model surfactants to determine how structural changes affect interfacial properties and film rupture. The model consists of water, oil, head, and tail beads, and surfactants are constructed by coupling head and tail beads with harmonic springs. We used a hybrid dissipative particle dynamics-Monte Carlo scheme. The former was used to simulate particle trajectories and the Monte Carlo scheme was used to mimic experimental conditions: bulk-interface phase equilibrium, tensionless interfaces in microemulsions, and the surface force apparatus.</p><p>A detailed comparison of various non-ionic model surfactants showed how structural changes affect interfacial properties:</p><p>Comparison between linear and branched surfactants showed that the efficiency of adsorption is higher for linear surfactants, although branched surfactants are more efficient at a given surface density. Linear surfactants can be more efficient also at the same surface density if the head group is sufficiently soluble in oil, because low head-oil repulsion makes the branched isomers stagger at the interface. The bending rigidity is higher for linear surfactants. Furthermore, branched surfactants make oil droplets coalesce more easily than linear surfactants do, but linear and branched surfactants have roughly the same effect on water droplet coalescence. </p><p>Comparison of linear surfactants with varying chain lengths showed that longer surfactants have a lower surface tension and higher bending rigidity. The increase in rigidity with chain length follows a power law, but the exponent is higher for surfactant monolayers at a fixed density than at a fixed tension. Longer tails and/or denser monolayers influence the stability of water droplets in a positive direction, and the stability of oil droplets in a negative direction. </p><p>Addition of cosurfactant showed that mixed monolayers have a lower bending rigidity than pure monolayers at the same average chain length and tension. Cosurfactants have a negative effect on the stability of water droplets, and a positive effect on the stability of oil droplets.</p> / Paper I reprinted with kind permission of EDP Sciences. Paper III reprinted with kind permission of the American Institute of Physics. Paper IV reprinted with kind permission of the American Physics Society.

The elastic properties of oil/water/surfactant interfaces play an important role in the phase behaviour of microemulsions and for the stability of macroemulsions. The aim of this thesis is to obtain an understanding of the relationship between the structure of the surfactant molecules, the structure of the interface, and macroscopic interfacial properties. To achieve this aim, we performed molecular simulations of oil/water/surfactant systems. We made a quantitative comparison of various model surfactants to determine how structural changes affect interfacial properties and film rupture. The model consists of water, oil, head, and tail beads, and surfactants are constructed by coupling head and tail beads with harmonic springs. We used a hybrid dissipative particle dynamics-Monte Carlo scheme. The former was used to simulate particle trajectories and the Monte Carlo scheme was used to mimic experimental conditions: bulk-interface phase equilibrium, tensionless interfaces in microemulsions, and the surface force apparatus. A detailed comparison of various non-ionic model surfactants showed how structural changes affect interfacial properties: Comparison between linear and branched surfactants showed that the efficiency of adsorption is higher for linear surfactants, although branched surfactants are more efficient at a given surface density. Linear surfactants can be more efficient also at the same surface density if the head group is sufficiently soluble in oil, because low head-oil repulsion makes the branched isomers stagger at the interface. The bending rigidity is higher for linear surfactants. Furthermore, branched surfactants make oil droplets coalesce more easily than linear surfactants do, but linear and branched surfactants have roughly the same effect on water droplet coalescence. Comparison of linear surfactants with varying chain lengths showed that longer surfactants have a lower surface tension and higher bending rigidity. The increase in rigidity with chain length follows a power law, but the exponent is higher for surfactant monolayers at a fixed density than at a fixed tension. Longer tails and/or denser monolayers influence the stability of water droplets in a positive direction, and the stability of oil droplets in a negative direction. Addition of cosurfactant showed that mixed monolayers have a lower bending rigidity than pure monolayers at the same average chain length and tension. Cosurfactants have a negative effect on the stability of water droplets, and a positive effect on the stability of oil droplets. / Paper I reprinted with kind permission of EDP Sciences. Paper III reprinted with kind permission of the American Institute of Physics. Paper IV reprinted with kind permission of the American Physics Society.

Lipid molecules are amphiphilic in nature consisting of a hydrophilic head group and hydrophobic hydrocarbon tails. The lipid bilayer consists of two layers of lipid molecules arranged with their hydrophobic tails facing each other and their hydrophilic head groups solvated by water. Lipid bilayers with hydrophilic polymer chains grafted onto the head groups have applications in various fields, such as stabilization of liposomes designed for targeted drug delivery, synthesis of supported bilayers for biomaterial applications, surface modification of implanted medical devices to prevent biological fouling and design of in vitro biosensors. The focus of this thesis lies in understanding the effects of polymer grafting on the thermodynamics and mechanical properties of lipid bilayers. Dissipative particle dynamics (DPD) has evolved as a promising method to study complex soft matter systems. The basic DPD algorithm, and its implementation are discussed in Chapter 2 of this thesis. It is important to achieve a tensionless state while studying phase transitions and deducing the mechanical properties of the bilayer. We proposed a modification of the Andersen barostat which can be incorporated in a DPD simulation to achieve the tensionless state as well as carry out simulations at a prescribed tension. In Chapter 3 of this thesis the effect of polymer grafting on single tailed lipid bilayers is studied. Simulations are carried out by varying the grafting fraction, Gf, defined as the ratio of the number of polymer molecules to the number of lipid molecules. At lowGf, the bilayer shows a sharp transition from the gel (Lβ) to the liquid crystalline (Lα) phase. This main melting transition temperature is lowered as Gf is increased. Corresponding to this, an increase in the area per head group is also observed. Above a critical value of Gf the interdigitated, LβI phase is observed prior to the main transition for the longer lipid tails. The analysis for two tailed lipids as a function of polymer chain length is extensively studied in Chapter 5. For the case of two tailed lipids, an intermediate interdigitated phase was not observed and the decrease in the melting temperature is more pronounced as the length of the polymer chain is increased. The scaling for fractional change in the area per head group, as well as the decrease in transition temperature as a function of polymer grafting are in good agreement with mean field theory predictions. The bending modulus (k) and area stretch modulus (kA) are essential for determining the shape and the mechanical stability of biological cells or lipid based vesicles. In simulations, the bending modulus k is evaluated from the Fourier transform of the out-of-plane fluctuations of the bilayer mid-plane. In Chapter 4 of this thesis, we illustrate that a surface representation based on Delanuay triangulation provides a robust parameter free representation of the bilayer surface. By evaluating the bending modulus for single tail lipids of different tail lengths, the continuum scaling relation d2 is verified. To our knowledge this is the first systematic investigation and verification of this scaling relationship using computer simulations. Using the continuum relation, =kAd2/ we find that α depends weakly on the tail lengths of the bilayer. Nevertheless we illustrate that a value of α=130 can be used to reliably estimate the bending modulus from the area stretch modulus for polymer free bilayers. Using our method, we are also able to capture the low q scalings and obtain the bending modulus of the gel (Lβ) phase. Grafted polymer was found to increase the value of the bending modulus for single tail lipids. Although the presence of polymer directly increases the area per head group, the suppressed height fluctuations dominate and the bending modulus increases for the single tail lipids. For two tail lipids a small decrease in the bending modulus was observed at low grafting fractions and short polymer chains. For large polymer lengths the bending modulus was found to increase monotonically.

Diese Dissertation befasst sich mit Modellrechnungen zur Dynamik vom photoinduzierten Elektrontransfer und Exzitontransfer in Systemen mit vielen Freiheitsgraden. Außerdem trägt diese Arbeit zu einigen theoretischen und numerischen Aspekten der Redfield-Theorie bei. Betrachtet werden der ultraschnelle Elektrontransfer im Farbstoff Betain-30, die Elektroninjektion von einem Chromophormolekül ins Leitungsband von einem Halbleiter, sowie die Exziton-Ausbreitung in einem modellhaften ringförmigen System mit 18 Lokalisierungszentren. Zuerst wird der Einfluss der elektronischen Kopplung auf die Dissipationsterme der Redfield-Gleichung untersucht. Es wird gezeigt, dass bei bestimmten Potenzialkonfigurationen die Vernachlässigung der elektronischen Kopplung (die soganannte diabatische Dämpfungsnäherung) dazu führt, dass das System nicht in das thermische Gleichgewicht mit dem Wärmebad relaxiert. Jedoch verliert diese Näherung ihre Gültigkeit nicht für kleine elektronische Kopplung in einer ganzen Reihe von Fällen, z.B. im Marcus-invertierten Bereich. Die Transfermechanismen, welche jenseits dieser Näherung auftreten, werden mit Hilfe der Störungstheorie erster Ordnung in der elektronischen Kopplung detailliert untersucht. Weiterhin werden direkte Verfahren zur genauen numerischen Lösung zeitlokaler Mastergleichungen implementiert und getestet. Die Effizienz dieser Methoden wird am Beispiel von einem eindimensionalen Elektrontransfer-Modell bestimmt. Desweiteren wird noch ein neues stochastisches Verfahren zur Propagation von Dichtematrizen entwickelt und in den Simulationen verwendet. Der ultraschnelle photoinduzierte Elektrontransfer in Betain-30 wird sowohl mit einer einzelnen Reaktionsmode als auch mit zwei Reaktionsmoden modelliert. Anhand der reduzierten Dichtematrix lässt sich die Gesamtpolarisation berechnen und somit ist es möglich, ein Pump-Probe-Experiment zu simulieren. Die Rechenergebnisse werden mit experimentellen Daten verglichen.

In this thesis Langevin approach is applied to analyze the nuclear dissipative dynamics in fission and fusion reactions. In these investigations, the nuclear elongation coordinate and the corresponding momentum are chosen as collective variables. By considering changes in these variables the decay rate of fission and the formation probability of fusion for heavy ion reactions are calculated. These calculations are performed using simulation techniques and the results thus obtained are compared with the corresponding results of analytic solutions.

Multidimensional quantum tunnelling is an important tool that is used in many areas of physics and chemistry. Sub-barrier fusion reactions of heavy-ions are governed by quantum tunnelling. However, the complexity of the structures of heavy-ions does not allow us to use simple one-dimensional tunnelling equations to and the tunnelling probabilities. Instead of this one should consider all the degrees of freedom which affect the phenomenon and accordingly the intrinsic structure or the deformation of the nuclei must be taken into account in the modelling of heavy-ion fusion. These extra degrees of freedom result in a coupling potential term in the Schrodinger equation of the fusing system. In this thesis 16O + 238 U system is considered. Only the rotational deformation of Uranium is assumed and the coupling potential term is calculated for this system by using two diffrent potential types, namely the Woods-Saxon potential and the double folding potential. Using this term in the Schrodinger equation fusion probability and theoretical cross section are calculated. A discussion that addresses then necessity of multidimensional formulation is given. Besides this point the effects of the choice of the potential type are shown.

When the human mind searches concept space for solutions to a given condition we have a choice between conventional and creative thinking. But what are the probabilities of improving a given situation using creative thinking compared with conventional thinking? To answer this question we are extending the meaning of creativity beyond human creativity. We view creativity as an optimised search strategy applicable to the larger set of all teleonomic systems and term this creativity teleonomic creativity. We argue that an analog process is common to all manifestations of creativity within teleonomic systems and describe this process and its cause. In order to show this process and to make quantitative comparisons, we utilise the metaphor of an adaptive fitness landscape and simple statistical techniques. The term fitness in our case describes the condition of a well-defined property being suitable for a purpose, rather than an overall evaluation of many complex interactions measuring reproductive success. We define creativity as the successful attempt of either individuals or populations to gain higher fitness via exploration of global fitness peaks as opposed to the exploitation of a currently occupied local peak. We then show mathematically how the inclusion of creativity in a search can dramatically increase the chances of finding appropriate solutions. We also recognise that creative behaviour is most successful when the environmentis unstable. We note the existence of a strategic meta-parameter that allows self-adaptation when tuned via a feedback loop from the environment. We show that creativity can be understood as a random process with an optimal setting for the standard deviation that maximises the probability of hitting a target of higher fitness. We support our claims with computer simulations and observe several occurrences of teleonomic creativity in nature. In addition we measure the entropy of a teleonomic system via the phase-space of internal variables and observe a sudden entropy increase during the onset of creative behaviour in a teleonomic system. Our investigations also enable us to rationalise the processes, conditions and phenomena surrounding human creativity such as mistakes, madness, serendipity, humor, analogy making and interpret the function of creativity promoters and inhibitors. Our findings may also allow us to incorporate creativity into artificial computer models. We speculate that creativity is an emerging property of any teleonomic system and as such ubiquitous in nature.