Dans cette thèse, nous étudions les équations d’ondes non-linéaires discrètes dans des réseaux finis arbitraires. C’est un modèle général, où le Laplacien continu est remplacé par le Laplacien de graphe. Nous considérons une telle équation d’onde avec une non-linéarité cubique sur les nœuds du graphe, qui est le modèle φ4 discret, décrivant un réseau mécanique d’oscillateurs non-linéaires couplés ou un réseau électrique où les composantes sont des diodes ou des jonctions Josephson. L’équation d’onde linéaire est bien comprise en termes de modes normaux, ce sont des solutions périodiques associées aux vecteurs propres du Laplacien de graphe. Notre premier objectif est d’étudier la continuation des modes normaux dans le régime non-linéaire et le couplage des modes en présence de la non-linéarité. En inspectant les modes normaux du Laplacien de graphe, nous identifions ceux qui peuvent être étendus à des orbites périodiques non-linéaires. Il s’agit des modes normaux dont les vecteurs propres du Laplacien sont composés uniquement de {1}, {-1,+1} ou {-1,0,+1}. Nous effectuons systématiquement une analyse de stabilité linéaire (Floquet) de ces orbites et montrons le couplage des modes lorsque l’orbite est instable. Ensuite, nous caractérisons tous les graphes pour lesquels il existe des vecteurs propres du Laplacien ayant tous leurs composantes dans {-1,+1} ou {-1,0,+1}, en utilisant la théorie spectrale des graphes. Dans la deuxième partie, nous étudions des solutions périodiques localisées spatialement. En supposant une condition initiale de grande amplitude localisée sur un nœud du graphe, nous approchons l’évolution du système par l’équation de Duffing pour le nœud excité et un système linéaire forcé pour le reste du réseau. Cette approximation est validée en réduisant l’équation φ4 discrète à l’équation de Schrödinger non-linéaire de graphes et par l’analyse de Fourier de la solution numérique. Les résultats de cette thèse relient la dynamique non-linéaire à la théorie spectrale des graphes. / In this thesis, we study the discrete nonlinear wave equations in arbitrary finite networks. This is a general model, where the usual continuum Laplacian is replaced by the graph Laplacian. We consider such a wave equation with a cubic on-site nonlinearity which is the discrete φ4 model, describing a mechanical network of coupled nonlinear oscillators or an electrical network where the components are diodes or Josephson junctions. The linear graph wave equation is well understood in terms of normal modes, these are periodic solutions associated to the eigenvectors of the graph Laplacian. Our first goal is to investigate the continuation of normal modes in the nonlinear regime and the modes coupling in the presence of nonlinearity. By inspecting the normal modes of the graph Laplacian, we identify which ones can be extended into nonlinear periodic orbits. They are normal modes whose Laplacian eigenvectors are composed uniquely of {1}, {-1,+1} or {-1,0,+1}. We perform a systematic linear stability (Floquet) analysis of these orbits and show the modes coupling when the orbit is unstable. Then, we characterize all graphs for which there are eigenvectors of the graph Laplacian having all their components in {-1,+1} or {-1,0,+1}, using graph spectral theory. In the second part, we investigate periodic solutions that are spatially localized. Assuming a large amplitude localized initial condition on one node of the graph, we approximate its evolution by the Duffing equation. The rest of the network satisfies a linear system forced by the excited node. This approximation is validated by reducing the discrete φ4 equation to the graph nonlinear Schrödinger equation and by Fourier analysis. The results of this thesis relate nonlinear dynamics to graph spectral theory.

Micro-assembly is of crucial importance in industry nowadays. Nevertheless, currently applied processes require improvements. Indeed, when dealing with the assembly of submillimetric components, usually neglected surface forces disturb the manipulation task. They are responsible for the component sticking to the gripper, because of downscaling laws. A promising strategy to tackle adhesion consists in working without contact. The present dissertation is focused on contactless handling with acoustic levitation.<p>The advantages of contactless handling, the physical principles suitable for levitation and their applications are detailed. The opportunity for new handling strategies are shown. Acoustic levitation appears as the most fitted principle for micro-assembly. The elements to model acoustic forces are analysed and performances of existing modellings are assessed. A general numerical model of acoustic forces is implemented and theoretically validated with literature benchmarks. A fully automated modular levitator prototype is designed and used to experimentally validate the implemented numerical model. Specific instrumentations and protocols are developed for the acoustic force measurements.<p>The numerical model is finally applied to the real levitator. Modelling results are used to support experimental observations: the optimisation of the levitator resonance, the influence of the reflector shape, the dynamical study of the component oscillations, the stability with lateral centring forces and rotation torques, the component insertion and extraction from the levitator, the effect of pressure harmonics on the acoustic forces, and the manipulation of non spherical components. Acoustic forces are experimentally measured and a very good agreement with the modellings is obtained. Consequently, the implemented simulation tool can successfully be applied to a complex manipulation task with a component of any shape in a real levitator. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La propagation à longue distance est un problème majeur dans les télécommunications, la navigation et la surveillance. L'objectif de cette thèse est de développer une méthode rapide pour simuler la propagation des ondes dans une atmosphère en 2D et 3D. Dans ce travail, deux contributions principales vers cet objectif sont obtenues. Tout d'abord, des méthodes auto-cohérentes,c'est-à-dire basées sur une théorie discrète de l'électromagnétisme, sont développées en 2D et 3D. Ensuite, une méthode rapide 2D basée sur les ondelettes est proposée. Pour simuler la propagation d'ondes électromagnétiques dans une atmosphère 2D, la méthode split-step Fourier (SSF) est largement utilisée. Le calcul est effectué itérativement en distances en tenant compte d'une réfractivité variable, du relief et des caractéristiques du sol. À chaque pas, le signal est transformé du domaine spatial au domaine spectral. La méthode des écrans de phase est appliquée pour modéliser les effets de réfraction. D'autre part, pour modéliser un sol impédant, la transformée mixte de Fourier discrète (SSF-DMFT) est utilisée. Le concept de la théorie électromagnétique auto-cohérente implique que l'utilisation d'équations de Maxwell discrètes pour la simulation numérique évite les solutions parasites. Dans la méthode couramment utilisée SSF-DMFT, la transformée spectrale est basée sur la condition aux limites d'impédance discrète, alors que le propagateur provient de l'équation continue. Pour pallier cette incohérence, une méthode auto-cohérente est proposée, notée la DSSF-DMFT. La formulation est dérivée des équations discrètes pour obtenir l'auto-cohérence. Des tests numériques montrent que SSF-DMFT présente des oscillations parasites dans certaines conditions de simulation, tandis que DSSF-DMFT reste précis. En effet, l'auto-cohérence empêche certaines instabilités numériques. Pour simuler la propagation dans des environnements en 3D, les méthodes précédentes doivent être étendues en 3D. Tout d'abord, la 3D-SSF est présentée comme une extension naturelle de la SSF. Ensuite, la 3D-DSSF est dérivée d'équations discrètes. Pour considérer un sol impédant, la 3D-DSSF-DMFT est développée conduisant à de nouvelles expressions pour les propagateurs. Ces méthodes sont testées dans plusieurs configurations incluant un profil de réfractivité extrait de mesures. Les résultats montrent une grande précision et une capacité à prendre en compte les effets latéraux. Cependant, pour la propagation dans de grand domaines, les ressources nécessaires en temps et en mémoire deviennent la préoccupation principale. Pour alléger la charge de calcul, une méthode split-step en ondelettes (SSW) est proposée en 2D comme une méthode alternative à SSF. Elle est basée sur la transformée rapide en ondelettes dont la complexité est faible et qui permet de compresser les champs. La propagation est réalisée à partir d'une combinaison linéaire d'ondelettes propagées individuellement. La compression est appliquée pour augmenter l'efficacité. Afin de considérer la réflexion sur le sol, une nouvelle méthode de source image locale dédiée à la propagation des ondelettes est proposée. Les tests numériques montrent que la SSW a une efficacité de calcul plus élevée que la SSF tout en gardant une bonne précision. / The long-range propagation of electromagnetic waves is a major issue in telecommunication, navigation, and surveillance. The objective of this Ph.D. thesis is to develop fast and accurate modeling methods for the tropospheric propagation in 2D and 3D. In this work, two main contributions towards this objective are achieved. Firstly, self-consistent methods, i.e. based on the discrete electromagnetic theory, are developed in 2D and 3D. Secondly, a fast wavelet-based 2D method is proposed. For simulating the electromagnetic wave propagation in a 2D atmosphere, the split-step Fourier method (SSF) is widely used. The computation is performed marching on in distances taking into account a variable refractivity, an irregular relief, and the electric characteristics of the ground. At each step, the signal is transformed from the spatial to the spectral domains. The phase screens method is applied to model refraction. Besides, to model an impedance ground, the discrete mixed Fourier transform (SSF-DMFT) is used. The concept of the self-consistent electromagnetic theory implies that the use of discrete Maxwell equations for numerical simulations does not lead to spurious solutions. In the widely used SSF-DMFT, the spectral transform is based on the discrete impedance boundary condition, while the propagator is derived from the continuous equation. To overcome this inconsistency, a discrete formulation of SSF-DMFT is proposed, denoted as DSSF-DMFT. The spectral transform and propagator are both derived from the discrete equations to achieve self-consistency. Numerical tests show that SSF-DMFT has spurious oscillations in certain simulation conditions, whereas DSSF-DMFT remains accurate. Indeed, the self-consistency prevents from numerical instabilities. To simulate the propagation in 3D environments, the previous methods are extended to 3D. First, 3D-SSF is presented as a natural extension of SSF. Then, 3D-DSSF is derived from discrete equations. To consider an impedance ground, 3D-DSSF-DMFT is developed leading to new expressions for the propagators. These methods are tested for several configurations, including a refractivity profile extracted from measurements. Results show that they have a high accuracy. They notably consider lateral effects. However, for the propagation in a large computation domain, time and memory occupations become the main concern. To improve the computation burden, a split-step wavelet method (SSW) is proposed in 2D as an alternative to SSF. It is based on the fast wavelet transform, which complexity is weak and which allows for data compression. The propagation is performed by means of a linear combination of wavelets that are individually propagated. Data compression is applied to increase the efficiency. A new local image source method dedicated to wavelet propagation is proposed to consider the ground reflection. Numerical tests show that this method has a higher computational efficiency than SSF while keeping a good accuracy.

The acoustics of small cavities raises interest of the scientific community since it involves particular damping mechanisms. In fluid dynamics, when a small perturbation is propagating within a Newtonian and heat-conducting fluid bounded by a rigid and isothermal surface, viscous and thermal dissipative mechanisms are generated near the walls. Such effects can have significant impact on the acoustic behaviour of the system.<p>Several types of practical applications can be cited, among which: hearing aids, micro-electro-mechanical systems (transducers, microphones and loud-speakers), absorbing materials made of thin capillary nets or small pores, dissipative silencers, thermo-acoustic heat exchangers, or any kind of device bringing into play small resonant cavities filled with a dissipative fluid (micro-acoustics).<p><p>This study focuses on appropriated reductions of the physical equations, in order to enhance the efficiency of the numerical resolution without adversely affecting the accuracy. Moreover, the proposed strategies lead to numerically stable systems as they involve only one scalar partial order differential equation (or equivalent fluid equation). The emphasis is put on the physical aspect of those reductions, their range of applicability, benefits and drawbacks.<p>Two new reduced models are proposed to estimate the visco-thermal acoustic wave propagation. A first extension deals with waveguide geometries and relax the hypothesis of the fluid at rest. The second original formulation addresses visco-thermal acoustics in 3D arbitrary geometries. This model is based on different considerations coming from existing techniques as well as the estimation of a wall-distance field.<p><p>A second part aims at studying the acoustic behaviour of biphasic materials and more specifically poro-elastic materials. This type of acoustic component is widely used in industry because of their good absorbing properties in the medium- and high-frequency <p>ranges.<p>A preliminary bibliographic research deals with the derivation of the set of partial order differential equations that account for both fluid/structure interactions and the anisotropy of a given poro-elastic material. It has been shown that transversely orientated capillary materials (for instance catalyst substrates) can be simulated using the proposed reduction technique.<p>At last, the modelling of the acoustic transmission between two domains separated by perforated or micro-perforated plates or thin plates of poro-elastic materials is discussed. The analogy between the rigid perforated plate models with an equivalent fluid formulation has been presented. As a result, this model has been extended in order to account for flexural effects of the solid part.<p><p><p>Ce travail porte sur l'étude de certains phénomènes d'amortissements intervenant dans l'acoustique des petites cavités. En méchanique des fluides, lorsqu'une petite perturbation se propage au sein d'un fluide newtonien et caloporteur borné par un mur rigide et isotherme, ces mécanismes dissipatifs particuliers se localisent aux abords des parois et jouent un rôle significatif dans certaines situations.<p>Parmi les exemples d'applications pratiques, il est possible de citer les appareils d'aide auditive, les systèmes microélectromécaniques (transducteurs, microphones et haut-parleurs), les matériaux absorbants constitués de fins réseaux capillaires ou de pores aux dimensions réduites, les systèmes de silencieux, d'échangeurs de chaleur thermo-acoustiques ou tout autre appareil mettant en jeu des cavités résonantes aux dimensions réduites (micro-acoustique).<p><p>L'étude proposée ici se focalise sur des stratégies de réduction appropriées des équations physiques, ceci afin d'améliorer l'efficacité du modèle tout en conservant une précision acceptable. Les techniques présentées aboutissent à des systèmes numériquement stables mettant en jeu une seule équation scalaire (ou équation fluide équivalent). Ainsi, l'accent est porté sur l'aspect physique des réductions, leurs domaines d'application, avantages et inconvénients.<p>Deux modèles originaux sont proposés afin de prédire la propagation acoustique visco-thermique. Une première extension permet d'évaluer la pression acoustique au sein de géométries particulières de type guides d'onde en présence d'un écoulement hydrodynamique. La seconde formulation présentée s'intéresse à l'acoustique dans des domaines 3D arbitraires. Cette méthode se base sur des considérations conjointes de modèles réduits existants ainsi que sur l'estimation d'un champ de distance à la plus proche paroi.<p><p>Dans une seconde partie, nous nous proposons d'étudier le comportement acoustique de matériaux biphasique et plus précisément les matériaux poro-élastiques (très utilisés dans l'industrie en raison de leurs caractéristiques absorbantes dans les domaines des moyennes et hautes fréquences).<p>Une étude bibliographique préliminaire nous a permis d'exprimer l'ensemble des équations aux dérivées <p>partielles modélisant à la fois les interactions fluide/structure et l'anisotropie générale des matériaux. <p>Cette réflexion nous a permis d'aboutir à un modèle de matériau isotrope transverse intéressant, combinant le modèle fluide proposé et la formulation acousto-élastique équivalente. Ainsi la modélisation de structures capillaires orientées (comme les matériaux utilisés dans les catalyseurs automobiles) s'en trouve grandement simplifiée.<p>Enfin, la transmission acoustique intervenant entre deux domaines fluides séparés par une plaque perforée ou micro-perforée ou bien une couche de matériau poreux a été étudiée. L'analogie entre les modèlisations existantes et un modèle générique de fluide équivalent a été mise en évidence. Pour finir, cette formulation a été étendue afin de prendre en compte les effets de flexion de la partie solide. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les interactions entre les processus de surface et de sub-surface sont des composantes clés du cycle hydrologique que les modèles hydrologiques doivent représenter pour obtenir des prédictions cohérentes et précises dans un contexte de gestion durable de la ressource en eau. Les modèles hydrologiques intégrés qui décrivent de façon physique les processus et leurs interactions sont de conception récente. La plupart de ces modèles s‘appuient sur l’équation de Richards 3D pour décrire les processus d’écoulement souterrain. Cette approche peut être problématique compte tenu de contraintes importantes sur le maillage et sur la résolution numérique. Ce travail de thèse propose un modèle hydrologique intégré qui s’appuie sur approche innovante à dimension réduite pour simplifier les écoulements de surface et souterrains d'un bassin versant. Les différents compartiments du modèle sont d’abord testés indépendamment puis couplés. Les résultats montrent que l’approche proposée décrit précisément les processus hydrologiques considérés tout en améliorant de façon significative l’efficacité générale du modèle. / Interactions between surface and subsurface flow processes are key components of the hydrological water cycle. Accounting for these interactions in hydrological modelsis mandatory to provide relevant and accurate predictions for water quality and water resources management. Fully-integrated hydrological models that describe with aphysical meaning the hydrological processes and their interactions are recent. Most of these models rely upon the resolution of a 3D Richards equation to describe subsurface flow processes. This approach may become intractable because of the heavy constrains on both meshing and numerical resolution. This PhD proposes a new integrated hydrological model on the idea of dealing with dimensionally reduced flow in both the surface and sub-surface compartments of a watershed. The different compartments of the model are first tested independently and then coupled. The results show that the proposed approach allows for a proper and precise depiction ofthe hydrological processes enclosed in the model while providing significant gain incomputational efficiency.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'étude de quatre équations d'évolution non-locales. Les solutions de ces quatre équations peuvent exploser en temps fini. Dans la théorie des équations d'évolution non-linéaires, une solution est qualifiée de globale si elle est définie pour tout temps positif. Au contraire, si une solution existe seulement sur un intervalle de temps [0; T) borné, elle est dite locale. Dans ce dernier cas et quand le temps maximal d'existence est relié à une alternative d'explosion, on dit aussi que la solution explose en temps fini. Dans un premier travail, nous considérons l'équation de Schrödinger non-linéaire avec une puissance fractionnaire du laplacien, et nous obtenons l'explosion de la solution en temps fini Tmax > 0 pour toute condition initiale positive et non-triviale dans le cas d'exposant sous-critique. Ensuite, nous étudions une équation des ondes amorties avec un potentiel d'espace-temps et un terme non-linéaire et non-local en temps. Nous obtenons un résultat d'existence locale d'une solution dans l'espace d'énergie sous des conditions restrictives sur les données initiales, la dimension de l'espace et la croissance du terme non-linéaire. De plus, nous obtenons l'explosion de la solution en temps fini pour toute condition initiale de moyenne strictement positive. De plus, nous étudions un problème de Cauchy pour l'équation d'évolution avec un p- Laplacien avec une non linéarité non-locale en temps. Dans ce cadre, nous nous intéressons à l'étude de l'existence locale d'une solution de cette équation ainsi qu'un résultat de non-existence de solution globale. Finalement, nous étudions l'intervalle maximal d'existence des solutions de l'équation des milieux poreux avec un terme non-linéaire non-local en temps. / In this thesis, we study four non-local evolution equations. The solutions of these four equations can blow up in finite time. In the theory of nonlinear evolution equations, a solution is qualified as global if it isdefined for any time. Otherwise, if a solution exists only on a bounded interval [0; T), it is called local solution. In this case and when the maximum time of existence is related to a blow up alternative, we say that the solution blows up in finite time. First, we consider the nonlinear Schröodinger equation with a fractional power of the Laplacien operator, and we get a blow up result in finite time Tmax > 0 for any non-trivial non-negative initial condition in the case of sub-critical exponent. Next, we study a damped wave equation with a space-time potential and a non-local in time non-linear term. We obtain a result of local existence of a solution in the energy space under some restrictions on the initial data, the dimension of the space and the growth of nonlinear term. Additionally, we get a blow up result of the solution in finite time for any initial condition positive on average. In addition, we study a Cauchy problem for the evolution p-Laplacien equation with nonlinear memory. We study the local existence of a solution of this equation as well as a result of non-existence of global solution. Finally, we study the maximum interval of existence of solutions of the porous medium equation with a nonlinear non-local in time term.