Cette thése est consacrée à l'étude du contrôle optimal et de l'homogénéisation de problèmes liés à l'équation de Stokes ainsi qu'au problème de torsion élastique. Pour chaque problème étudié, nous imposons un contrôle à l'équation d'état. Ce contrôle appartient à un ensemble appelé ``ensemble de contrôles admissibles". On se donne une fonction coût qui dépend à la fois de l'état mais aussi du contrôle. Le contrôle optimal (unique) est la fonction dans l'ensemble de contrôles admissibles qui minimise la fonction coût pour tous les contrôles dans cette ensemble. On étudie alors le comportement limite de celui-ci. S'il admet une limite, on la caractérise si possible, comme étant le contrôle optimal associé au problème limite homogénéisé. Dans un premier temps, on étudie un problème de contrôle optimal dans un mélange de deux fluides. Ces deux fluides sont répartis périodiquement l'un par rapport à l'autre dans un domaine bi ou tridimensionnel. L'écoulement des deux fluides obéit aux équations de Stokes. Par la suite, on s'intéresse encore à un mélange de deux fluides visqueux incompressibles séparés par une interface qui oscille rapidement. Ce problème est régit par les équations de Stokes. Ensuite, on étudie le contrôle optimal pour les équations de Stokes dans les domaines perforés. On suppose que les perforations sont de taille plus petite qu'une période donnée. En dernier lieu, on est amené à étudier le contrôle optimal d'un problème de torsion élastique. Dans chacune de ces parties, on caractérise la limite du contrôle optimal comme étant le contrôle optimal du problème limite.

Ce travail tire partie de deux aspects de la diffusion elastique: retrodiffusion Rutherford ou non de particules alpha pour l'etude de la stoechiometre de couches minces complexes et production de noyaux de recul sous bombardement d'ions argon energetiques (16-20 MeV) pour l'analyse de surface d'elements legers comme oxygene azote et carbone. La premiere partie traite des conditions d'analyse de couches Ti$_(n-x)$Nb$_x$O$_2$ et Ti$_(l-x)$V$_x$O_$2$ dont la composition depend des parametres du depot par pulverisation cathodique H.F. de melange de poudres d'oxydes. On a determine en premier lieu les conditions d'analyse de ces couches avec la meilleure precision possible: dans les cas les plus favorables la concentration d'oxygene et le rapport des metaux sont connus a mieux de 5%. En ce qui concerne les resultats proprement dits nous montrons que pour les meilleures conditions de depot (vide residuel prepulverisation) le rapport O/(M+Ti) peut etre ajuste a 2 $\pm$ 0.1 sur toute la gamme de concentration cible. L'evolution des rapports Nb/(Nb+Ti) et V/(V+Ti) n'est pas identique a ceux des cilbes avec des ecarts dont nous tentons d'interpreter la signification. Dans la seconde partie traitant de la detection en temps de vol des noyaux de recule nous justifions le choix de nos parametres experimentaux par une etude detaillee de leur influence sur les performances analytiques. Malgre la serieuse limitation de la dispersion angulaire, la resolution en profondeur varie typiquement de 2 a 5 nm pour oxygene et carbone suivant qu'on s'adresse a une matrice de Z moyen (Si) ou eleve (Ta). L'apport d'une discrimination en energie a pour effet d'optimaliser les profondeurs analysables et d'eviter les interferences (C, N et O analysables sur 70 nm). Cette discrimination permet aussi d'abaisser les limites de detection (jusqu'a 10${13}$ at/cm$2$) par reduction du bruit de fond. Les limitations actuelles et les ameliorations possibles sont presentees a partir d'exemples d'analyse de surface.

L'objectif du travail présenté dans ce mémoire de thèse est d'évaluer par des mesures les champs de pression, de déformation et de contraintes induits par un contact élastique localisé entre deux pièces mécaniques. Après avoir exploré les différentes méthodes existantes, un constat a été fait : la grande majorité des techniques de mesure passent par l'évaluation de grandeurs physiques seulement indirectement liées aux grandeurs recherchées. En cherchant une approche plus directe, l'idée de caractériser la déformation de la surface de contact entre deux pièces a permis de trouver un moyen de mesure : la microscopie confocale chromatique. Ainsi, en mesurant, cette surface, par transparence, et en utilisant la théorie des potentiels de Boussinesq et Cerrutti, il a été possible d'une part de calculer le champ de pression au contact entre les pièces mais aussi d'évaluer les autres champs élastiques associés. Cette approche a aussi permis de mettre au point une méthode de simulation de contact localisé originale et performante s'appliquant à toute géométrie de contact. / The aim of this thesis is to evaluate pressure, strain and stress fields induced by a localized contact between mechanical parts. As the different methods have been explored, it appeared that all existent methods just measure physical quantities only indirectly related to the data of interest. By searching a more direct method, the idea of characterizing the deformation of the surface of contact between parts allowed to find a way of measurement: chromatic confocal microscopy. Thus, measuring this surface by transparency and using Boussinesq and Cerrutti potential theory allows first to calculate the pressure field at the contact between the parts but also to evaluate the other associated elastic fields. This approach also helped to develop an original and highly simulation method of localized contact applying to any contact geometry.

Cette thèse porte sur le flambement d'une interface chargée en particules: une monocouche de grains denses et athermaux à une interface liquide-fluide plane que l'on appelle radeau granulaire. Ces radeaux se rident et se plient lorsqu'ils sont compressés comme des films élastiques. Nous étudions cette instabilité de flambement expérimentalement et théoriquement dans ces deux systèmes dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Nous commençons par examiner les plis dans des films élastiques denses. Nous soulignons l'influence du poids du film dans la formation du pli. Puis nous explorons le régime des très grandes déformations, après que le film soit entré en contact avec lui-même. Suivant la densité du film, le pli se replie vers l'interface ou s'enfonce vers le fond de la cuve. Ensuite nous étudions les rides et les plis dans les radeaux granulaires compressés uniaxialement. A mesure que la compression augmente, nous observons deux motifs de ride distincts, puis la déformation se localise en un unique pli. Nous prédisons la forme et la taille des plis avec un modèle élastique résolu numériquement. Nous insistons sur les limitations de ce modèle et montrons que le caractère granulaire de ces radeaux n'est pas toujours négligeable. Enfin, nous déposons des gouttes d'eau à la surface des radeaux. Lorsque les particules sont hydrophobes et suffisamment grandes, elles capturent un film d'huile qui sépare la goutte du bain et empêche la coalescence. Puis nous modifions la taille de ces gouttes qui prennent des formes inhabituelles. Ces gouttes peuvent ensuite être encapsulées dans une fine couche de particules et d'huile conduisant à des gouttes d'eau dans l'eau. / This thesis is concerned with the buckling of a model particle laden interface: a monolayer of dense, athermal particles at a planar liquid-fluid interface that we call a granular raft. Under compression granular rafts wrinkle and fold like elastic sheets. We investigate this buckling instability experimentally and theoretically for these two systems under the continuum mechanics framework. We first look at folds in custom made dense floating elastic sheets. We highlight the influence of the sheet's own weight in the fold formation and shape. Then we explore the regime of very large deformations, after the sheet contacts itself. Depending on the sheet density, the fold in self-contact either bends back toward the interface or sinks down toward the bottom of the tank. We then look at wrinkles and folds in granular rafts. Our experimental apparatus allows us to compress the rafts uniaxially and extract their morphology. As compression increases, we observe two distinct wrinkling patterns, then the deformations localise in a unique fold. We develop an elastic model that we solve numerically to predict the fold shape and size. We then highlight the limitations of the model and show that the granular nature of these rafts cannot always be neglected. Finally, we deposit water droplets on top of granular rafts. If the particles are hydrophobic and large enough, the raft can inhibit coalescence indefinitely via particle bridging. When we vary the size of these floating drops, they take unusual shapes which depend on the raft properties. These drops can then be encapsulated in a thin composite oil-particle layer leading to water droplets in water.

Les travaux de cette thèse de Doctorat ont été menés dans le cadre de l'accord en co-tutelle entre l'Université de Strasbourg (EOST) et Istanbul Technical University (Dept. of Geology), avec l'octroi d'une bourse d'étude annuelle de !'Ambassade de France à Ankara, une bourse d'excellence EIFFEL de 10 mois, et un support financier de 8 mois de« TUBITAK 22148 - joint Ph.D. ». La zone de convergence de plaques Afrique - Eurasie comporte des failles capables de générer de forts séismes destructeurs. L'objectif de cette thèse est une meilleure compréhension du comportement de ces failles, et du cycle sismique associé, par l'analyse des déformations co-,post- et inter-sismiques enregistrées en surface, dans la zone de convergence. Une attention particulière est portée aux déformations lentes et à leur part dans le cycle sismique, mesurées en surface et analysées à l'aide des techniques lnSAR (Synthetic Aperture Radar lnterferometry), et modélisées par les méthodes de la dislocation élastique. / This Ph.D. thesis is conducted in the frame of the -co-tutellell scholarship (EOST-ITU) provided by French Embassy in Ankara. ln addition, a 10-month scholarship « Bourse excellence Eiffel » ,and 8-month scholarship « TUBITAK 22148 - joint Ph.D. » were other sources of support for the preparation of this thesis.The convergence between African and Eurasian plates is at the origin of active tectonic structures that generate large and destructive earthquakes. This thesis aims to improve our understanding of fault behavior and the earthquake cycle by analyzing surface deformation along selected active faults during the periods of co-, post-and inter-seismic deformation within the Africa-Eurasia convergence zone. ln this context, slow deformation observed at the surface and associated with the earthquake cycle is analyzed using Synthetic Aperture Radar lnterferometry (lnSAR) time series technique, and modeled with elastic dislocation methods.

Cette étude traite de la stabilité et la post-bifurcation des élastomères magnétorhéologiques isotropes (MRE). Les MRE sont des élastomères comprenant une fraction en volume fini de particules de fer magnétisables, réparties de façon aléatoire dans le volume. Plus précisément, un système de film/substrat magnéto-élastique non linéaire est exploité expérimentalement, numériquement et théoriquement pour obtenir un contrôle actif de la rugosité de la surface du film. L'interaction non-intuitive entre le champ magnétique et la déformation élastique est due au choix des matériaux et de la géométrie du système, à savoir un film composite de particules ferromagnétiques collé sur une fondation passive et compliante. La coopération de deux mécanismes qui sont par ailleurs indépendants, la pré-compression mécanique et le champ magnétique, permet de rapprocher la structure d'un état faiblement stable et puis de la rendre instable par des champs magnétiques ou mécaniques. Nous démontrons pour la première fois que le champ magnétique critique est une fonction décroissante de la pré-compression et vice versa. Les résultats expérimentaux sont ensuite sondés avec succès par des simulations à champs complets par éléments finis en grandes déformations et champs magnétiques. Une analyse théorique de bifurcation magnéto-mécanique sur un système magnéto-élastique infini est également utilisée pour explorer l'effet des propriétés combinées sur la réponse critique.Dans la perspective d'élargir l'activation de surface à de nouveaux motifs magnéto-mécaniques, nous étudions plus en détail la post-stabilité d'un bloc bi-couche entièrement magnétorhéologique. L'idée sous-jacente est de créer différents contrastes entre les couches de propriétés magnétiques/mécaniques et de déclencher une gamme de motifs de surface plus riche que celle déjà obtenue en utilisant un film MRE sur une fondation passive. Les calculs post-bifurcation des films MRE collés sur des substrats MRE permettent de mettre en évidence les modes morphologiques résultant de la (in)compatibilité des modes de champs indépendants. Le couplage magnéto-élastique permet le contrôle réversible marche/arrêt de la configuration de surface sous des champs magnétiques et mécaniques critiques ajustables et donc, cette étude constitue un premier pas vers des dispositifs haptiques et morphiques actifs. / The present work deals with the stability and post-bifurcation response of isotropic magnetorheological elastomers (MREs). MREs are elastomers comprising a finite volume fraction of magnetizable iron particles, distributed randomly in the volume. Specifically, a nonlinear magnetoelastic film/substrate system is experimentally, numerically and theoretically exploited to obtain active control of surface roughness. The non-intuitive interplay between magnetic field and elastic deformation owes to material and geometry selection, namely, a ferromagnetic particle composite film bonded on a compliant passive foundation. Cooperation of two otherwise independent loading mechanisms--mechanical pre-compression and magnetic field--allows to bring the structure near a marginally stable state and then destabilize it with either magnetic or mechanical fields. We demonstrate for the first time that the critical magnetic field is a decreasing function of pre-compression and vice versa. The experimental results are probed successfully with full-field finite element simulations at large strains and magnetic fields. A theoretical magnetomechanical bifurcation analysis on an infinite magnetoelastic system is further employed to explore the effect of the interlayer combined properties on the critical response and is compared with the available numerical results.  With the perspective of applying the principle of surface actuation to new magnetomechanically triggered patterns, we further investigate the post-bifurcation of an entirely magnetorheological bilayer block. The underlying idea is to create different interlayer contrasts of magnetic and mechanical properties allowing us to trigger a larger range of surface patterns than that already obtained when using a MRE film on a passive (magnetically insensitive) foundation. Post-bifurcation calculations of MRE films bonded on MRE substrates allow to reveal novel patterns that lead to significant curvature localisation and crinkling.  In all cases studied, the magnetoelastic coupling allows for the reversible on/off control of surface patterning under adjustable critical magnetic and mechanical fields for a single specimen and thus, this study constitutes a first step towards realistic active haptic and morphing devices.

Cette étude présente une démarche expérimentale originale permettant de sonder la dynamique de l'eau dans les membranes polymères échangeuses d'ions utilisées pour l'application pile à combustible. Grâce à l'utilisation de trois techniques complémentaires, la diffusion des molécules d'eau a été suivie à l'échelle moléculaire (diffusion quasi-élastique des neutrons ; 1 pico s < t < 1 nano s), à l'échelle macroscopique (RMN à gradient de champ pulsé ; 1 milli s < t < 1 s) et à l'échelle dite « intermédiaire » (relaxométrie RMN ; 1 nano s < t < 10 micro sec). Les expériences ont été menées en fonction de la quantité d'eau adsorbée, dans la membrane Nafion® et dans des polyimides sulfonés naphtaléniques. L'analyse des données expérimentales permet de préciser les échelles spatiales des ralentissements de la diffusion dans les deux matériaux, ainsi que de mettre en évidence les aspects structuraux qui permettent à l'eau d'être plus mobile dans le Nafion® que dans les polyimides sulfonés, et ce, quelle que soit la teneur en eau.

Nous nous intéressons à certains problèmes théoriques posés par la modélisation du poumon humain comme arbre bronchique plongé dans le parenchyme pulmonaire. L'arbre bronchique est représenté par un arbre dyadique résistif à 23 générations dans lequel un écoulement de Stokes a lieu. La loi de Poiseuille relie ainsi le débit dans chaque bronche au saut de pression à ses extrémités. Cet arbre est ensuite plongé dans un milieu visco-élastique modélisant le parenchyme. Le processus de ventilation est alors assuré par des pressions négatives, dues à une contraction du diaphragme, au niveau des alvéoles permettant l'inspiration. La première partie est consacrée à l'introduction d'un modèle d'arbre infini obtenu en faisant tendre le nombre de générations vers l'infini. Des théorèmes de trace permettent alors de modéliser le processus de ventilation comme un opérateur Dirichlet-Neumann, qui associe au champ de pression sur l'ensemble des bouts de l'arbre infini le continuum de débit sortant. La seconde partie est dédiée à l'étude de modèles du parenchyme pulmonaire. La complexité du parenchyme, milieu visco-élastique, provient de la présence de l'arbre qui relie toutes les alvéoles entre elles. Des phénomènes de dissipation non locaux sont ainsi observés dus aux couplage de toutes les sorties. Nous étudions tout d'abord un modèle monodimensionnel du parenchyme mettant en jeu une équation de type onde avec des effets non locaux. En particulier nous détaillons l'étude du comportement en temps long. Enfin, nous proposon l'ébauche d'un modèle du parenchyme en dimension supérieure prenant en compte à la fois le caractère élastique du tissu ainsi que la présence de l'arbre résistif.

Les matériaux composites à matrice organique sont de plus en plus utilisés par l'industrie des transports pour la réalisation d'éléments structuraux. Afin de permettre un dimensionnement optimal de ces structures, il est nécessaire d'améliorer la compréhension et la modélisation du comportement de ces matériaux sur une large gamme de vitesses de sollicitation et de températures d'environnement. Pour cela, plusieurs campagnes expérimentales ont été réalisées sur le T700GC/M21, un composite stratifié à matrice organique, dans le cadre de ces travaux. Tout d'abord, des essais dynamiques sur un vérin hydraulique, ainsi que des essais de fluage, ont été menés afin de caractériser la dépendance à la vitesse du comportement de ce matériau. Ensuite, la dépendance à la température a été mise en évidence à l'aide d'essais à basse température sur vérin hydraulique, complétés d'essais DMA.Les résultats de ces essais ont été utilisés afin de justifier physiquement le développement d'un modèle visco-élastique bi-spectral pour la description de la dépendance à la vitesse du T700GC/M21 sur une large gamme de vitesses de déformation. L'influence de la température d'environnement sur le comportement a quant à elle été introduite à l'aide d'une loi d'Arrhénius. Ce modèle thermo-visco-élastique permet finalement de rendre compte du comportement du stratifié T700GC/M21 sur une large gamme de vitesses et de températures / Organic matrix composite materials are more and more used in the transportation industry to design strutural components. In order to reach an optimal design, improvements in the understanding and the modelling of the behaviour of these materials under various strain rates and temperatures conditions are required.Therefore, a campaign of various mechanical tests has been performed on the T700GC/M21 organic matrix composite laminate in this work. On one hand, dynamic tests have been performed using hydraulic jacks, as well as creep tests, to characterise the material strain rate dependency. On the other hand, low temperatures and DMA tests have been performed to exhibit the temperature effect.Experimental results have been used to physically justify a bi-spectral visco-elactic model which describes the strain rate dependency of T700GC/M21 on a large range of strain rates. Introducing an Arrhenius like law for the viscous mechanisms, the temperature dependency has also been taken into account. The obtained thermo-visco-elastic model finally describes the behaviour of the T700GC/M21 laminate on a large range of strain rates and temperatures

Le Modèle Standard de la physique des particules décrit les interactions des particules sub-atomiques à travers les interactions fortes, faibles et électromagnétiques.Toutefois, il est clair que cette théorie ne constitue pas une description complète de la Nature. Mais le fait expérimental que les neutrinos changent de saveur au cours de leur propagation(oscillation des neutrinos) implique qu'ils ont une masse non nulle. Le travail de cette thèse se concentre sur l'expérience d'oscillation T2K : une expérience à longue ligne de base installée au Japon. % qui est détaillés dans le Chapitre 2. Pour la première fois T2K a pu observer l'apparition de neutrinos de saveur électronique dans le faisceau principalement composé de neutrinos muoniques etobtenir les premières contraintes sur la violation de la symétrie Charge-Parité. Il permet également de mesurer précisément les paramètres d'oscillations θ₁₃ , θ₂ ₃ et Δm²₂ ₃ .Cela nécessite une excellente compréhension du détecteur et des modèles d'interactions des neutrinos. Cette thèse se concentre sur ces deux objectifs : réduire les systématiques liées audétecteur et approfondir nos connaissances sur l'interaction des neutrinos avec la matière.Le groupe CEA, dans lequel je suis impliqué, est responsable de la maintenance et de l'opération des Chambres à Projections Temporelles (TPC) du détecteur proche (ND280).Elles permettent l'identification des particules chargées produites par l'interaction des neutrinos dans le detecteur et la mesure de leur impulsion.Une partie de mon travail a consisté en l'étude des TPCs et en particulier de l'alignement des modules MicroMegas installés sur les plans de lecture. En effet tout défaut d'alignement entre différents modules peut causer un biais sur la mesure del'impulsion des particules traversant la TPC. Les neutrinos sont étudiés grâce à l'observation de l'état final de leur interaction avec la matière. Les modèles d'interactions doivent alors être parfaitement bien compris,car les expériences d'oscillation présentes et futures approchent d'une phase où notre connnaissance des interactionsdes neutrinos devient un facteur limitant pour la détermination des paramètres d'oscillations. L'interaction quasi élastique par courant chargé (CCQE) est le processus dominant pour T2K. Ce manuscrit décrit la mesure durapport des sections efficaces d'interaction des neutrinos sur les noyaux de Carbone et d'Oxygène. Cette mesure contribue à la réduction des incertitudes pour l'analyse d'oscillation, liéesà l'utilisation d'une différente cible pour le détecteur proche et le détecteur lointain. / The Standard Model of particle physics describes the interactions of subatomic particles through the strong, weak and electromagneticinteractions. However, it is known that this theory is not a complete description of the nature. Indeed the observation that neutrinos can change their flavor alongtheir propagation path (neutrino oscillation) proves that they actually have a mass. The work of this thesis has been performed in the T2K oscillation experiment: a long baseline experiment located in Japan. % detailed in Chapter ref{sec_t2k_res}.Using the data collected so far, T2K has been able to observe for the first time the $nu_{mu} rightarrow nu_e$ appearance and to give first results on the Charge-Paritysimmetry in neutrino oscillation. It provides also precise measurements of the oscillation parameters θ₁₃ , θ₂ ₃, Δm²₂ ₃.The precise measurement of oscillation parameters requires a good understanding of the detector and of the neutrino interaction model. This thesis is thus focused on boththese aspects: reduce the detector uncertainties and improve our knowledge of neutrino interactions with matter.The CEA Saclay group where I am involved, is in charge of the maintenance and operation of the Time Projection Chambers (TPCs) of the T2K near detector (ND280)which are used to identify and measure the kinematics of the charged particles produced in neutrino interactions.Part of my work was focused on the study of the TPC and in particular on the alignment of the MicroMegas modules instrumenting their readout planes.Indeed, misalignments between modules may cause a bias on the momentum measurement of the particles crossing the TPC.Neutrinos are studied through the observation of the final state of their interactions with matter. Therefore, the interactionmodels need to be extremely well understood to infer the neutrino properties correctly.Indeed current and next future oscillation experiments are approaching the phase of precise measurements of the mixing parameters becominglimited by our knowledge of neutrino interactions.The charged current quasi-elastic (CCQE) interaction is the most relevant process at T2K.This manuscript describes the measurement of CCQE cross-section ratio between oxygen and carbon nuclei. It can contribute to reduce the uncertainties on the oscillation analysis arisingfrom the different target between the near and far detector.