Biological matter is driven far from thermodynamic equilibrium by active processes on the molecular scale. These processes are usually driven by the chemical reaction of a fuel and generate spontaneous movements and mechanical stresses in the system, even in the absence of external forces or torques. Moreover these active stresses effectively fluidify the material. The cell cytoskeleton, suspensions of swimming microorganisms or tissues are prominent examples of active fluids. Active processes in biological systems often exhibit chiral asymmetries. Examples are the chirality of cytoskeletal filaments which interact with motor proteins, the chirality of the beat of cilia and flagella as well as the helical trajectories of many biological micro-swimmers. Moreover, large scale chiral flows have been observed in the cell cortex of C. elegans and Xenopus embryos. Active force generation induces force and torque dipoles in the material. If all forces are internal the total force and torque vanish as required by the conservation of momentum and angular momentum. The density of force dipoles is an active stress in the material. In addition, active chiral processes allow for the existence of active torque dipoles which enter the conservation of angular momentum and generate an active antisymmetric stress and active angular momentum fluxes. We developed a generic description of active fluids that takes into account active chiral processes and explicitly keeps track of spin and orbital angular momentum densities. We derived constitutive equations for an active chiral fluid based on identifying the entropy production rate from the rate of change of the free energy and linearly expanding thermodynamic fluxes in terms of thermodynamic forces. We identified four elementary chiral motors that correspond to localized distributions of chiral force and torque dipoles that differ by their symmetry and produce different chiral fluid flows and intrinsic rotation fields. We employ our theory to analyze different active chiral processes. We first show that chiral flows can occur spontaneously in an active fluid even in the absence of chiral processes. For this we investigate the Taylor-Couette motor, that is an active fluid confined between two concentric cylinders. For sufficiently high active stresses the fluid generates spontaneous rotations of the two cylinders with respect to each other thus breaking the chiral symmetry of the system spontaneously. We then investigate cases where active chiral processes on the molecular scale break the chiral symmetry of the whole system. We show that chiral flows occur in films of chiral motors and derive a generic theory for thin films of active fluids. We discuss our results in the context of carpets of beating cilia or E. coli swimming close to a surface. Finally, we discuss chiral flows that are observed in the cellular cortex of the nematode C. elegans at the one cell stage. Two distinct chiral flow events are observed. The first chiral flow event (i) is a screw like chiral rotation of the two cell halves with respect to each other and occurs around 15min after fertilization. This event coincides with the establishment of cortical cell polarity. The second chiral flow event (ii) is a chiral rotation of the entire cell cortex around the anterior posterior axis of the whole cell and occurs around 30min after fertilization. Measuring densities of molecular motors during episode (i) we fit the flow patterns observed using only two fit parameters: the hydrodynamic length and cortical chirality. The flows during (ii) can be understood assuming an increase of the hydrodynamic length. We hypothesize that the cell actively regulates the cortical viscosity and the friction of the cortex with the eggshell and cytosol. We show that active chiral processes in soft biological matter give rise to interesting new physics and are essential to understand the material properties of many biological systems, such as the cell cortex.

Au cours du Paléozoïque inférieur, un changement climatique majeur a permis le développement d'une calotte glaciaire sur paléocontinent Gondwana. Cette calotte a plusieurs fois recouvert la plateforme nord-gondwanienne au cours des différents épisodes d'avancée et de recul des fronts glaciaires. Cette dynamique a permis le développement d'un modèle glaciaire, qui inclut des surfaces d'érosion majeures d'extension régionale et des vallées glaciaires. Parmi ces vallées, les vallées tunnel font référence aux vallées glaciaires mises en évidence en Europe, et qui sont associées aux grandes glaciations quaternaires. Par définition, ces vallées regroupent des dépressions linéaires de plusieurs kilomètres de large et de plusieurs dizaines de kilomètres de long. Elles sont en générale profondes de quelques centaines de mètres et leur fond présentent des zones de surcreusement. Des vallées tunnel ordoviciennes sont localisées en Afrique du Nord et au Moyen-Orient. Les sédiments glaciaires ordoviciens représentent un important objectif pour l'exploration des hydrocarbures et les vallées tunnel, qui constituent des hétérogénéités lithologiques dans l'enregistrement sédimentaire, sont d'excellentes roches-réservoirs. En Europe, les anciennes vallées tunnel quaternaires constituent des aquifères dont la mise en évidence et la préservation constituent un véritable enjeu. Un intérêt majeur réside donc dans une meilleure connaissance de l'architecture du remplissage de ces vallées, mais également une compréhension des paramètres qui contrôlent leur distribution et des mécanismes qui participent à leur formation sous les calottes de glace. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire est principalement basé sur une étude de terrain, dont les résultats recouvrent trois grands axes : (1) l'environnement sous-glaciaire, (2) la dynamique de remplissage des vallées tunnel et (3) les facteurs contrôlant leur distribution.

Cette thèse s'intéresse à la faisabilité de la mise en place de modèles d'ordre réduit pour l'étude des vibrations sous écoulement au sein de faisceaux tubulaires d'échangeurs de chaleur. Ces problématiques sont cruciales car les systèmes étudiés sont des éléments majeurs des centrales nucléaires civiles et des chaufferies embarquées dans les sous-marins.Après avoir rappelé le fonctionnement et les risques vibratoires existants au sein des échangeurs de chaleur, des calculs complets d'écoulement et de vibrations sous écoulement ont été effectués, d'abord pour un tube seul en milieu infini, puis pour un faisceau de tubes. Ces calculs ont été menés avec l'outil CFD Code_Saturne. La méthode de réduction de modèle POD (Proper Orthogonal De-composition) a été appliquée au cas des écoulements avec la structure laissée fixe.Les résultats obtenus montrent l'efficacité de la méthode pour ces configurations, moyennant l'introduction de méthodes de stabilisation pour l'écoulement au sein du faisceau. La méthode POD-multiphasique, permettant d'adapter la méthode POD à l'interaction fluide-structure, a ensuite été appliquée. Les grands déplacements d'un cylindre seul dans la zone d'accrochage (lock-in) ont été correctement reproduits par cette méthode de réduction de modèle. De même, on montre que les grands déplacements d'un cylindre en milieu confiné dans un faisceau de tubes sont fidèlement reconstruits.Enfin, l'extension de l'utilisation de la réduction de modèle aux études d'évolution paramétrique a été testée. Nous avons d'abord utilisé la technique considérant une base POD unique pour reproduire des écoulements à divers nombres de Reynolds autour d'un cylindre seul. Les résultats confirment la prédictivité bornée à une gamme de paramètres de cette méthode. Enfin, l'interpolation de bases POD pré-calculées pour une famille de paramètres donnés, utilisant les variétés de Grassmann et permettant de générer de nouvelles bases POD, a été testée sur des cas modèles.

Cette thèse de mathématiques appliquées traite de la modélisation des déplacements de nageurs microscopiques. Nous étudions principalement les problèmes de contrôlabilité et d'optimalité associés à la mobilité d'un micro-nageur. Dans une première partie, nous présentons un modèle de nageur simplifié, appelé le"N- link swimmer". Ensuite, nous ́etudions sa contrôlabilité ainsi que l'existence de stratégies lui permettant d'atteindre un point donné le plus vite possible. Dans une deuxième partie, nous analysons les effets de la présence d'un bord sur la mobilité d'un micro-nageur. Nous montrons qu'un nageur qui est contrôlable lorsqu'il évolue dans l'espace non borné, reste "presque partout" localement contrôlable lorsqu'il nage dans un domaine délimité par un mur plat ou rugueux. Au contraire, nous prouvons qu'un nageur qui n'est pas capable d'atteindre toutes les directions lorsqu'il se déplace dans un domaine sans bord peut élargir ses directions accessibles en présence d'un mur (plat ou rugueux). Enfin, la dernière partie de la thèse fournit un cadre à l'étude de problèmes de contrôle optimal associés aux déplacements de nageurs ayant une dynamique sans dérive. Tout d'abord, nous ́etudions les propriétés mathématiques de plusieurs problèmes de contrôle optimal ayant des coûts fonctionnels différents (existence puis comportement). Ensuite, nous considérons les nageurs ayant deux degrés de liberté. Pour ces modèles particuliers de nageurs, nous présentons un cadre permettant d'en déduire des propriétés géométriques locales pour les solutions de certains problèmes de contrôle optimal. Tout au long de ce dernier chapitre, des simulations numériques, réalisées sur un exemple de nageur ayant une dynamique explicite, illustrent les résultats théoriques.

Ce travail concerne la convection naturelle au sein d'un système fluide-poreux en couche horizontale. On présente l'analyse de stabilité linéaire des modèles à un et deux domaines, avec diffusion visqueuse dans le milieu poreux. Nos résultats sont comparés avec ceux du modèle à deux domaines utilisant la formulation de Darcy. Un bon accord est observé entre les résultats des modèles à deux domaines, ce qui indique que le terme de Brinkman joue un rôle secondaire dans la stabilité. On montre que le modèle à un domaine peut conduire à des résultats sensiblement différents lorsque la transition entre fluide et le milieu poreux est décrite par une discontinuité des propriétés. Il faut alors modifier la formulation en effectuant la différentiation au sens des distributions. Ainsi, le modèle à un domaine conduit aux mêmes seuils de stabilité que les formulations à deux domaines. L'influence des paramètres caractéristiques sur la stabilité des systèmes thermique et thermosolutal est discutée.

Cette thèse est consacrée à l'évaluation de performances de réseaux de communication. On s'intéresse plus particulièrement à leur modélisation à l'aide de chaînes de Markov hybrides et à la résolution analytique de ces modèles. On caractérise les performances d'un réseau avec différents paramètres comme le débit ou les pertes. On peut les obtenir à l'aide de simulateurs, reposant sur un modèle discret pour la plupart. Mais ceci peut entraîner des temps de simulation très longs. C'est pour cela que nous développons une méthode analytique basée sur un modèle fluide du réseau. L'utilisation d'un modèle fluide associé à une méthode d'aggrégation réduit la complexité du problème et permet une résolution analytique plus rapide que la simulation. Nous nous intéressons d'abord à un système simple, dit mono-buffer, afin de déterminer quelques résultats utiles à l'étude de réseaux plus complexes. Ensuite nous présentons une méthode analytique pour le cas des réseaux de routeurs sous certaines hypothèses en utilisant une représentation Markovienne des états du réseau considéré. Les réseaux comportant la plupart du temps des convergences et des divergences, la méthode analytique a été adaptée pour permettre l'évaluation de performances dans ce type de situation. Les résultats obtenus sont comparables à ceux donnés par les simulateurs classiques, mais avec un temps de calcul beaucoup plus court.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3849. Résumé en français. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 151-159.

Les voies aériennes du système respiratoire humain sont constituées des voies extrathoraciques et de l'arbre bronchique, lui-même se divisant en deux sous-structures arborescentes, l'arbre trachéobronchique et les acini. L'arbre trachéobronchique, constitué des voies aériennes exclusivement conductives, a pour rôle d'acheminer l'air extérieur jusqu'aux unités d'échanges gazeux, les acini. Nous nous sommes intéressés dans cette thèse plus particulièrement à l'arborescence trachéobronchique. Nous avons développé tout d'abord un modèle géométrique de la morphologie trachéobronchique visant à établir un niveau de description intermédiaire entre un modèle trop simplifié, qui oublierait des caractéristiques géométriques de la morphologie essentielles à la compréhension de la ventilation, et un modèle exhaustif de la géométrie, difficilement exploitable dans son ensemble. Une fois cette géométrie élaborée, nous avons développé deux modèles de ventilation, l'un à l'inspiration au repos et l'autre à l'expiration forcée. Ces derniers reproduisent le comportement ventilatoire de l'arborescence trachéobronchique, tel que mesuré chez les patients. A partir de ces modèles géométriques et physiologiques, nous avons ensuite étudié l'influence de l'asymétrie de branchement, caractéristique morphologique essentielle de l'arborescence trachéobronchique, sur la ventilation. Nous avons mis en évidence l'existence d'un degré d'asymétrie optimal, permettant à la fois une ventilation efficace des acini et une robustesse face aux altérations de la structure bronchique. De façon intéressante, ce degré d'asymétrie correspond à celui mesuré chez l'homme, suggérant une possible adaptation de l'asymétrie au cours de l'évolution. Enfin, grâce aux modèles physiologiques mis au point dans cette thèse, nous avons étudié quelques pathologies pulmonaires modèles et reproduit les mesures spirométriques des patients. Également, nous avons entamé la simulation et l'étude d'images de ventilation pulmonaire, ainsi que du dépôt de particules dans l'arborescence trachéobronchique. De telles études ouvrent de nombreuses perspectives quant à la compréhension, au diagnostic et à aux possibles thérapies des pathologies pulmonaires.

Le récent développement des menaces terroristes renforce l'effort de recherche du CEA et d'EDF pour la protection des citoyens et des installations. De nombreux scénarios doivent être envisagés comme, par exemple, la chute d'un avion de ligne sur une structure de génie civil. La dispersion du carburant dans la structure, son embrasement sous forme de boule de feu et les effets thermiques associés sont des éléments essentiels du problème. L'utilisation de modèles numériques est indispensable car des expériences seraient difficiles à mettre en œuvre, coûteuses et dangereuses. Le problème type que l'on cherche à modéliser est donc l'impact d'un réservoir rempli de fluide, sa déchirure et la dispersion de son contenu. C'est un problème complexe qui fait intervenir une structure mince avec un comportement fortement non-linéaire allant jusqu'à rupture, un fluide dont la surface libre peut varier drastiquement et des interactions fluide-structure non permanentes. L'utilisation des méthodes numériques traditionnelles pour résoudre ce problème semble difficile, essentiellement parce qu'elles reposent sur un maillage. Cela complique la gestion des grandes déformations, la modélisation des interfaces variables et l'introduction de discontinuités telles que les fissures. Afin de s'affranchir de ces problèmes, la méthode sans maillage SPH (\og Smoothed Particle Hydrodynamics \fg) a été utilisée pour modéliser le fluide et la structure. Ce travail, inscrit dans la continuité de recherches précédentes, a permis d'étendre un modèle de coque SPH à la modélisation des ruptures. Un algorithme de gestion des interactions fluide-structure a également été adapté à la topologie particulière des coques. Afin de réduire les coûts de calcul importants liés à ce modèle, un couplage avec la méthode des éléments finis a également été élaboré. Il permet de n'utiliser les SPH que dans les zones d'intérêt où la rupture est attendue. Finalement, des essais réalisés par l'ONERA sont étudiés pour valider la méthode. Ces travaux ont permis de doter le logiciel de dynamique rapide Europlexus d'un outil original et efficace pour la simulation des impacts de structures minces en interaction avec un fluide. Un calcul démonstratif montre enfin la pertinence de l'approche et sa mise en œuvre dans un cadre industriel.

Les surpressions de fluide sont très souvent invoquées pour expliquer les très faibles frottements observés à la base des nappes chevauchantes ou les glissements de sédiments sur de très faibles pentes. La modélisation analogique ne les avait cependant jamais prises en compte. Dans cette thèse, nous développons une nouvelle technique qui consiste à injecter de l'air dans des modèles de sable afin de simuler ces surpressions. Grâce à cette méthode, nous montrons comment les fluides agissent sur la déformation par l'intermédiaire des forces de courant (gradient de pression), en modifiant l'intensité et l'orientation des contraintes effectives. Nous effectuons ensuite des expériences de déformation compressive, dans lesquelles nous générons des niveaux de décollement en jouant sur la perméabilité du sable utilisé dans la construction des modèles. L'efficacité de ces décollements dépend alors de la pression de fluide appliquée et contrôle le style de la déformation. Ces expériences analogiques sont comparées avec un modèle numérique d'éléments distincts couplé à une phase fluide, que nous avons également développé au cours de cette thèse. La confrontation des résultats issus des deux méthodes apparaît assez convaincante. Nous simulons ensuite des glissements gravitaires et montrons comment les surpressions de fluide peuvent créer des failles normales listriques en modifiant l'orientation des contraintes. Ces expériences sont enfin appliquées aux déformations du delta de l'Amazone. La corrélation entre la forme des glissements, la distribution des pressions et la présence d'une roche mère en probable génération de gaz, nous permet de préciser l'origine des surpressions dans ce delta. Pour terminer, nous nous plaçons à l'échelle du grain de sable, et nous utilisons la méthode numérique pour caractériser l'évolution de la texture d'un milieu granulaire soumis à un gradient de pression de fluide croissant.