Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Avec l’essor des ordinateurs, les simulations numériques sont devenues un outil de choix pour l’étude des systèmes de particules que l’on rencontre régulièrement en physique, en astrophysique, en biologie, en chimie, en climatologie, en ingénierie... Ces simulations fournissent le plus souvent une évolution temporelle du système d’étude en décrivant les mouvements des particules à des intervalles de temps (régulier ou non).Afin de produire des simulations fiables, il est indispensable de fournir une description fidèle des forces d’interaction subies par chaque particule. De manière générale, ces forces décrivent l’influence des particules entre elles. En outre, les forces d’interaction présentes en mécanique classique, dépendent le plus souvent de la position relative des particules.Nous nous intéresserons au cas particulier des interactions dites à longue portée qui constituent la pierre angulaire de la plupart des simulations numériques de systèmes de particules. A titre d’exemple, ce sont les forces gravitationnelles omniprésentes en astrophysique. En dynamique moléculaire, les forces coulombiennes (ou électrostatiques) entre complexes chargés électriquement sont les interactions à longue portée les plus courantes.Le coût exorbitant de l’évaluation de ces interactions constitue un facteur limitant pour la plupart des simulations numériques. Des algorithmes adaptés sont alors nécessaires pour un traitement efficient des interactions à longue portée.Dans cette optique, cette thèse propose des algorithmes « incrémentaux » qui peuvent réduire significativement le coût des interactions à longue portée lorsque le système d’étude a une dynamique singulière. En effet, ces algorithmes se montreront particulièrement efficaces lorsqu’ une partie du système reste figée pendant un certain temps. Nous validerons ces algorithmes sur des systèmes dont l’évolution sera gouvernée par la dynamique moléculaire dite restreinte de manière adaptative (ARMD). Bien que les algorithmes incrémentaux introduits par cette thèse seront proposés pour la dynamique moléculaire, nous estimons qu’ils peuvent être étendus à n'importe quel type d’interactions à longue portée. / Particle simulations have become an essential tool in various fields such as physics, astrophysics, biology, chemistry, climatology, and engineering, to name few. Usually, these computer simulations produce a temporal evolution of the system of interest by describing the motion of particles.In order to perform reliable simulations, we must provide an accurate description of interaction forces undergone by each particle. In most cases, these forces mirror inter-particle interactions and depend on relative coordinates of the particles. Moreover, pairwise long-range interactions are generally the cornerstone of particle simulations, an example being gravitational forces that are so essential in astrophysics. In molecular simulations, coulombic forces between electrically charged complexes are the most common illustration of long-range interactions.Furthermore, due to their computational cost, pairwise long-range interactions are the bottleneck of particle simulations. Therefore, sophisticated algorithms must be used for efficient evaluations of these interactions.In this thesis, we thus propose so-called << incremental >> algorithms which may significantly reduce the cost of long-range interactions when the studied system is governed by a particular dynamics. Precisely, these algorithms are effective for simulations where a part of the system remains frozen awhile. In particular, our algorithms will be validated on systems whose particles are governed by the so-called Adaptively Restrained Molecular Dynamics (ARMD) which is a promising approach in molecular dynamics simulations.'Although several incremental algorithms introduced by this thesis will be devoted to molecular dynamics simulations, we believe that they can be generalized to all kinds of long-range interactions.

Cette thèse s'intéresse au vieillissement des métaux au niveau microstructural. On étudie en particulier les défauts (amas de lacunes, interstitiels ou solutés) via un modèle de dynamique d'amas (DA), qui permet de prédire l'évolution des concentrations de défauts sur des temps longs (plusieurs dizaines d'années). Ce modèle est décrit par un système d'équations différentielles ordinaires (EDOs) de très grande taille, pouvant excéder la centaine de milliards d'équations. Les méthodes numériques classiques de simulation d'EDOs ne sont alors pas efficaces pour de tels systèmes. On montre dans un premier temps que la DA est bien posée et qu'elle vérifie certaines bonnes propriétés physiques comme la conservation de la quantité de matière et la positivité de la solution. On s'intéresse également à une approximation de la DA, qui prend la forme d'une équation aux dérivées partielles, de type Fokker--Planck. On caractérise en particulier l'erreur d'approximation entre la DA et cette approximation. Dans un second temps, on introduit un algorithme de simulation de la DA. Cet algorithme est basé sur un splitting de la dynamique ainsi que sur une interprétation probabiliste des équations de la DA (sous la forme d'un processus de saut) ou de son approximation de Fokker--Planck (sous la forme d'un processus de Langevin). Le but est de réduire le nombre d'équations à résoudre et d'accélérer par conséquent les simulations. On utilise enfin cet algorithme de simulation à différents modèles physiques. On confirme l'intérêt de ce nouvel algorithme pour des modèles complexes. On montre également que cet algorithme permet d'enrichir le modèle de dynamique d'amas à moindre coût / We study ageing of materials at a microstructural level. In particular, defects such as vacancies, interstitials and solute atoms are described by a model called Cluster Dynamics (CD), which characterize the evolution of the concentrations of such defects, on period of times as long as decades. CD is a set of ordinary differential equations (ODEs), which might contain up to hundred of billions of equations. Therefore, classical methods used for solving system of ODEs are not suited in term of efficiency. We first show that CD is well-posed and that physical properties such as the conservation of matter and the preservation of the sign of the solution are verified. We also study an approximation of CD, namely the Fokker--Planck approximation, which is a partial differential equation. We quantify the error between CD and its approximation. We then introduce an algorithm for simulating CD. The algorithm is based on a splitting of the dynamics and couples a deterministic and a stochastic approach of CD. The stochastic approach interprets directly CD as a jump process or its approximation as a Langevin process. The aim is to reduce the number of equations to solve, hence reducing the computation time. We finally apply this algorithm to physical models. The interest of this approach is validated on complex models. Moreover, we show that CD can be efficiently improved thanks to the versatility of the algorithm

Le développement des machines suit une logique liée aux performances, ce qui entraîne des niveaux de sollicitations toujours plus proches des limites matériaux. Cette tendance a pour effet de favoriser l'apparition de comportements vibratoires non-linéaires. Cette thèse a donc pour objectif d'étudier la dynamique non-linéaire des structures et tout particulièrement celle correspondant à des moteurs d'avion multi-rotor. Deux axes ont été développés en parallèle, le premier qui correspond aux aspects théoriques et le deuxième de nature expérimentale. En ce qui concerne les développements théoriques, nous nous sommes intéressés au cas des non-linéarités fortes conjuguées avec une richesse multi-fréquentielle des excitations. Dans ce cadre, nous avons étudié des modèles de roulements adaptés à la simulation en dynamique d'ensemble qui inclut les caractéristiques propres du contact ainsi que la présence des jeux. A l'aide de ces modèles, nous avons pu simuler les réponses vibratoires d'un système bi-rotor non-linéaire, notamment en contra-rotation. Afin de réaliser une étude pertinente de ce systËme nous avons développé un code qui généralise l'estimation des réponses au cas quasi-périodique et qui permet aussi de statuer sur la stabilité de ces régimes. Aussi, nous avons mis au point un banc d'essai bi-rotor représentatif du comportement dynamique d'un moteur réel. Après une phase de conception et de mise en \oe uvre du banc, différents types de tests de caractÈrisation ont été réalisés. Nous avons tout d'abord analysé les réponses vibratoires en co- et contra-rotation. Puis dans une deuxième phase, une configuration surcritique de l'arbre Basse Pression a été testée. L'ensemble de ces essais a permis de mettre en valeur les spécificités dynamiques des moteurs bi-rotor tant du point vue des régimes vibratoires (régimes périodiques, quasi-périodiques, modes directs et rétrogrades) que des effets non-linéaires (distorsion des pics, présence de surharmoniques d'ordre deux).

Dans cette thèse, nous présentons une approache dynamique et facilement administrable basée sur la technologie des réseaux privés virtuels IP, connus sous le nom "IP Virtual Private<br />Networks" (IPVPNs). Avec cette approche les machines terminales, les serveurs et/ou des routeurs de bordure s'organisent automatiquement en une topologie de recouvrement grâce<br />à laquelle des données sont diffusées. Cette approche est une solution centralisée, où tout, y compris la gestion des services d'adminstration comme l'adhésion au groupe et la création de topologie VPN, est de la responsabilité d'un centre d'opérations du système, appelé le "Network Operation System" (NOS).<br />Nous utilisons notre approache pour établir un service alternatif de communication de groupe qui déplace le support de multipoint depuis les routeurs vers les extrémités. Nous appliquons<br />cette approache au moyen d'un nouveau protocole IVGMP (Internet Virtual Group Management Protocol) pour réaliser un VPN supportant la diffusion multipoint sur des réseaux de transport IPV4.<br />Nous étudions ensuite l'utilisation d'un nouveau protocole HBM qui fournit un service de distribution multipoint au niveau applicatif afin d'établir un service entièrement sécurisé mais efficace de communication de groupe entre plusieurs sites avec l'aide de notre approche VPN. Nous montrons que HBM et notre approche sont naturellement complementaires et conduisent au concept de réseau privé virtuel routé (VPRN).<br />La deuxième contribution concerne les services web sécurisés. Nous définissons aussi un modèle d'architecture hybride qui s'applique aux Services Web. Nous montrons comment ce modèle correspond bien à la nature dynamique des services web, offre un service d'administration facilement intégrable, et améliore grandement la sécurité des services web grâce à l'utilisation de VPNs. La troisième contribution de ce travail concerne des techniques de partage de charge et d'amélioration de performances, telle l'addition de liens virtuels redandants qui évitent la<br />partition de la topologie en cas de panne d'une passerelle VPN.<br />Nous concluons ce travail avec une discussion de différents applications de notre approche IPVPN, en particulier des services qui peuvent être fournis moyennant quelques modifications.

L'élucidation de la structure et de la fonction biologique des protéines est un enjeu majeur pour ses implications dans la recherche biomédicale et en biotechnologies. Par ailleurs, il existe une transition dynamique pour les protéines qui intervient à environ 200K: elle a été observée par diffusion incohérente de neutrons, diffraction X et spectroscopie de Mössbauer sur différentes protéines. Au-dessus de cette température de transition, la fonction biologique est activée et la protéine présente des sous-états conformationnels. L'origine microscopique de cette transition est encore débattue mais des résultats significatifs ont été trouvés ces dernières années sur le rôle primordial de l'hydratation. En utilisant la dynamique moléculaire classique, nous avons simulé la transition dynamique d'une famille de 7 protéines cytotoxiques, les thionines. En effet, ces protéines possèdent une haute homologie de séquence mais une toxicité très différente et la relation entre cette toxicité et la séquence de leurs acides aminés est loin d'être élucidée. L'objectif de cette thèse a donc été la compréhension des relations entre structure, dynamique et fonction biologique des thionines.

Les réponses aux questions clés concernant les scénarii de formation et d'évolution des galaxies demandent une étude approfondie de la morphologie, de la cinématique et des populations stellaires le long de la séquence de Hubble, étude à laquelle la spectrographie intégrale de champ (SIC) peut grandement bénéficier. L'objet de cette thèse est l'étude de la dynamique des galaxies de type précoce, plus particulièrement abordée sous l'angle de la SIC.<br /><br />Dans un premier temps, je présente le projet international SAURON, visant à observer un échantillon de ~80 galaxies de type précoce à l'aide d'un spectrographe intégral grand champ dédié. Je décris en particulier le processus spécifique de réduction des cubes de données issues de ce type d'instrument, ainsi que les méthodes mises en oeuvre pour extraire la distribution des vitesses le long de la ligne de vue.<br /><br />Plusieurs exemples d'apport de la SIC à l'étude de la dynamique des galaxies sont alors présentés. à haute résolution spatiale (0''5), l'observation du noyau double de M31 avec OASIS révèle toute sa complexité morphologique et cinématique. à plus grande échelle (30 x 40 arcsec2), les premiers résultats SAURON permettent d'appliquer une nouvelle caractérisation possible de la cinématique des galaxies à partir de l'étude de leur champ de vitesses bidimensionnel. Enfin, je présente des éléments de modélisation dynamique de Schwarzschild de la galaxie NGC 3377, basée sur les observations totalement complémentaires OASIS et SAURON.<br /><br />La dernière partie de cette thèse concerne l'orbite, élément clé de la dynamique galactique, dont la détermination précise des propriétés dynamiques reste l'une des principales pierres d'achoppement dans l'application de la méthode de Schwarzschild. Pour remédier à cette faiblesse, nous avons développé un outil d'analyse des orbites régulières, passant par la reconstruction semi-analytique du tore orbital à l'aide des concepts de la dynamique spectrale.

L'approche à composants promeut la construction de logiciels à partir de l'assemblage de briques logicielles réutilisables appelées composants. Cette approche ne suppose cependant pas que les fonctionnalités offertes par les composants puissent être disponibles dynamiquement. La disponibilité dynamique fait référence à la situation où des fonctionnalités fournies par des composants qui forment une application deviennent indisponibles ou disponibles de façon continue et en raison de causes diverses, comme le déploiement des composants à l'exécution. Les changements dans les fonctionnalités ont lieu au cours de l'exécution de l'application et sont en dehors de son contrôle. Pour les supporter, une application doit être capable de s'adapter, par exemple en cherchant une fonctionnalité remplaçante ou en incorporant des nouvelle fonctionnalités. Bien que cette situation puisse être supportée dans les modèles à composants actuels, ce support n'est pas explicite et doit être réalisé à travers la programmation. Ceci résulte dans un mélange de logique applicative et de logique d adaptation dédiée à la gestion de la disponibilité dynamique. Ce travail propose un moyen de supporter la disponibilité dynamique dans un modèle à composants à partir d une approche qui introduit d un côté des concepts de l'approche à services dans le modèle à composants et d un autre des concepts permettant à un environnement d exécution, associé au modèle, d'adapter dynamiquement une application à partir d'informations fournies par les composants qui la constituent. Ce travail présente d'abord une étude des approches à composants et à services, et ensuite les concepts et l'implémentation d'un modèle à composants orienté services. Cette implémentation a été évaluée dans un contexte industriel et a été libérée comme un projet de source libre.

Une première approche de la simulation des incendies est menée à l'aide du code CFD d'EDF R&D Code_Saturne. Une extension de son schéma incompressible et une adapta- tion des conditions limites libres sont développées afin de traiter des flammes à bas nombre de Froude instationnaires et dominées par la convection naturelle grâce à une modélisation URANS. La turbulence est traitée à l'aide d'un modèle k − " tenant compte de la gravité. La combustion est traitée à l'aide d'une réaction globale infiniment rapide et l'interaction avec la turbulence par une approche statistique présumant une fonction densité de proba- bilité. L'équation des transferts radiatifs est résolue à l'aide de la méthode des ordonnées discrètes. Les propriétés radiatives du milieu sont estimées à l'aide d'un modèle à larges bandes. Le modèle semi-empirique utilisé pour les suies tient compte des processus de nu- cléation, croissance, agglomération et oxydation. Le modèle est appliqué à des panaches thermiques et d'hélium, configurations proches des feux. Le gain minime apporté par les fermetures testées sur le modèle de turbulence suggère que le calcul des flux turbulents scalaires est plus important. En revanche, le gain lié au schéma faiblement compressible est considérable. Le modèle est ensuite appliqué à deux types de feu. Sur le feu de nappe, un maillage fin est nécessaire pour pallier un défaut de turbulence et obtenir une bonne prédiction sur les grandeurs caractéristiques. Cette conclusion est modérée par les résultats obtenus sur le feu de compartiment pour lequel les prédictions sont raisonnables malgré les maillages grossiers utilisés, le rayonnement des fumées et des parois ayant une forte influence.

Ce mémoire traite de la notion de champ de potentiel et de son application à l'allocation dynamique des tâches et au routage de produits dans des systèmes de production flexibles (FMS). Dans cette approche, les produits ont une liste de services à obtenir au sein du système de production. Les ressources émettent des champs de potentiel correspondant aux différents services offerts. Les produits détectent les champs émis par les ressources et sélectionnent le champ qui répond mieux à leur besoin. Les interactions se font donc entre produits et ressources et non uniquement entre ressources comme c'est généralement le cas dans les approches de pilotage plus classiques. Après un état de l'art sur les différentes approches d'interaction entre les entités intervenant dans le pilotage des systèmes de production, nous choisissons et détaillons l'approche à base de champs de potentiel. Un modèle formalisant les champs de potentiel est proposé pour le contrôle hétérarchique résolvant simultanément les problématiques d'allocation dynamique des ressources et de routage dynamique des produits en temps réel. L'approche repose sur l'utilisation d'entités autonomes décisionnelles capables de capter des informations dans leur environnement et de réagir dans celui-ci. Un modèle de produit « actif » embarquant des capacités décisionnelles, basé sur le concept d'augmentation est proposé. Grâce à la plateforme de simulation multi-agents « NetLogo », le modèle est validé tenant compte de contraintes caractéristiques des systèmes de production (temps de transport non négligeables, capacité des files d'attente des ressources et certaines situations de panne), et en s'inspirant d'un benchmark existant. Ce dernier est utilisé pour effectuer une comparaison entre notre modèle et une étude de référence basée sur l'utilisation du protocole contrat-net pour résoudre les problèmes d'allocation des produits entre ressources. Pour valider ce modèle, une mise en oeuvre réelle est présentée sur la cellule flexible AIP-PRIMECA de Valenciennes dans une partie « implémentation ». Dans celle-ci, après une présentation des équipements utilisés, une comparaison des deux approches (champ de potentiel / contract-net) est réalisée en utilisant le même protocole expérimental.