Cette thèse présente une famille de schémas explicites pour la résolution d'un problème couplé d'interaction entre un fluide visqueux incompressible et une structure élastique (avec possiblement un comportement visco-élastique et/ou non linéaire). La principale propriété de ces schémas est une condition de Robin consistante à l'interface, qui représente une caractéristique fondamentale du problème continu dans le cas où la structure est mince. Si le couplage s'effectue avec une structure épaisse, une condition de Robin généralisée peut être formulée pour le problème semi-discret en espace, à l'aide d'une condensation de la matrice de masse de la structure. Une deuxième caractéristique majeure de ces schémas est la capacité d'obtenir une condition de Robin qui intègre à la fois des extrapolations de la vitesse et des efforts du solide (donnant lieu à un schéma de couplage explicite), mais également un traitement implicite de l'inertie de la structure, qui rend le schéma stable quelle que soit l'intensité de l'effet de masse ajoutée. Un résultat général de stabilité et de convergence est présenté pour tous les ordres d'extrapolations dans un cadre linéaire représentatif. On montre, en particulier, que les propriétés de stabilité se conservent lorsque le couplage s'effectue avec une structure mince ou épaisse. En revanche, la précision optimale obtenue dans le cas d'une structure mince n'est pas retrouvée avec une structure épaisse. L'erreur introduite par le schéma de couplage comporte en effet une non-uniformité en espace, qui provient de la non-uniformité des reconstructions discrètes des opérateurs viscoélastiques. L'approximation induite par la condensation de la matrice de masse solide n'est pas responsable de cette non-uniformité. À partir de ce schéma,on propose également des méthodes itératives pour la résolution du schéma fortement couplé.La convergence de cette méthode est démontrée dans un cadre linéaire et ne montre pas de sensibilité à l'effet de masse ajoutée. Finalement, les résultats théoriques obtenus sont illustrés par des exemples numériques variés, dans les cas linéaire et non linéaire. / This thesis introduces a class of explicit coupling schemes for the numerical solution of fluid-structure interaction problems involving a viscous incompressible fluid and a general elastic structure (thin-walled or thick-walled, viscoelastic and non-linear).The first fundamental ingredient of these methods is the notion of interface Robin consist encyon the interface. This is an intrinsic (parameter free) feature of the continuous problem, in the case of the coupling with thin-walled solids. For thick-walled structures, we show that an intrinsic interface Robin consistency can also be recovered at the space semi-discrete level, using a lumped-mass approximation in the structure.The second key ingredient of the methods proposed consists in deriving an explicit Robin interface condition for the fluid, which combines extrapolations of the solid velocity and stresses with an implicit treatment of the solid inertia. The former enables explicit coupling,while the latter guarantees added-mass free stability. Stability and error estimates are provided for all the variants (depending on the extrapolations), using energy arguments within a representative linear setting. We show, in particular, that the stability properties do not depend on the thin- or thick-walled nature of the structure. The optimal first-order accuracy obtained in the case of the coupling with thin-walled structuresis, however, not preserved when the structure is thick-walled, due to the spatial non uniformityof the splitting error. The genesis of this problem is the non-uniformity of the discrete viscoelastic operators, related to the thick-walled character of the structure,and not to the mass-lumping approximation. Based on these splitting schemes, new, parameter-free, Robin-Neumann iterative procedures for the partitioned solution of strong coupling are also proposed and analyzed. A comprehensive numerical study, involving linear and non linear models, confims the theoretical findings reported in this thesis.

Le coefficient de transfert de chaleur est nécessaire pour concevoir et dimensionner un évaporateur utilisé pour concentrer un liquide, tel que rencontré couramment dans les industries alimentaires. Le coefficient de transfert de chaleur le plus variable et le plus incertain est du coté produit, entre paroi et liquide, noté « h ». Il varie à la fois avec les propriétés thermo-physiques du liquide traité (ηL, σL, λL, ρL , CpL, ω, ...) et avec les paramètres du procédé (type d'évaporateur, φ ou Δθ, Γ (δ), P, rugosité de la surface, encrassement, etc), ces grandeurs étant définies dans le texte. Mais h est aussi lié au régime d'ébullition (nucléée ou non nucléée), et pour les évaporateurs de type « flot tombant », au régime d'écoulement laminaire ou turbulent, selon le nombre de Reynolds en film Ref. Nous avons étudié le cas des évaporateurs « à flot tombant », très utilisés dans les industries alimentaires pour concentrer le lait et les produits laitiers, les jus sucrés, les jus de fruits et légumes. L'objectif de notre travail était de définir une méthode fiable et économique pour évaluer a priori le coefficient de transfert de chaleur h coté liquide en ébullition, dans un évaporateur flot tombant. La première partie de la thèse a été consacrée à l'analyse bibliographique, qui a révélé une grande incertitude actuelle dans la prévision de h, sur la base des formules de la littérature, et des paramètres descripteurs proposés. La deuxième partie de la thèse a été de concevoir et construire un pilote utilisable pour estimer h, dans des conditions stationnaires connues et reproductibles. Dans la troisième partie, on présente les résultats et commente les lois de variations de h en fonction de la concentration de matière sèche du liquide XMS, de la température d'ébullition de liquide θL (ou P), du flux de chaleur φ ou (Δθ), et du débit massique de liquide par unité de périmètre de tube Γ, pour des propriétés de surface de chauffe fixées (ici, paroi en acier inoxydable poli Rs ≈ 0,8 μm). On commente l'effet sur h de chaque variable isolément, les autres étant maintenues constantes, ce qui confirme l'importance de la transition du régime non-nucléé au régime nucléé, cette transition variant avec la nature du liquide, sa concentration, et le flux de chaleur. On a montré la possibilité de modéliser un produit donné dans l'ensemble du domaine expérimental, où tous les paramètres peuvent varier simultanément, avec peu de coefficients, selon deux types d'équations (polynomiale et puissance). On a comparé le cas d'un liquide Newtonien (jus sucré) et non-Newtonien (solution de CMC dans l'eau). On a aussi observé le débit de mouillage critique Γcri et ses lois de variation. On a aussi démontré la possibilité de simplifier le plan d'expérience, aussi bien pour les liquides Newtoniens que non-Newtoniens, tout en gardant un coefficient de corrélation satisfaisant dans le domaine Γ > Γcri, cette modélisation pouvant servir de base de données produit pour l'ingénierie.

Cette thèse comporte trois parties. <br />Dans la première, nous présentons une méthode de simulation d'écoulements fluide/particules. Nous montrons que la pénalisation du tenseur des contraintes, associée à une discrétisation en temps par la méthode des caractéristiques, conduit à une formulation variationnelle de type Stokes généralisée. Des tests numériques sont effectués sous FreeFem++ afin d'étudier la convergence. Nous en présentons également trois exemples d'utilisation. <br />Dans la seconde partie nous proposons un modèle permettant de prendre en compte les forces de lubrification dans les simulations directes d'écoulements fluide/particules. Nous présentons d'abord un modèle de contact visqueux dans le cas particule/plan, obtenu comme limite, à viscosité nulle, du modèle de lubrification. Nous décrivons ensuite un algorithme reposant sur une étape de projection des vitesses, à chaque instant, sur un espace dit de vitesses admissibles. On montre alors la convergence du schéma et on généralise l'algorithme au cas multi-particules. Nous en présentons également un exemple de programmation orientée objet. <br />Dans la dernière partie, nous considérons un système discret de sphères (boulier en 1D) qui interagissent à travers la force de lubrification. Le modèle microscopique repose sur le développement de cette force à courte distance. Nous proposons une équation constitutive marcoscopique, de type Newtonien, reposant sur une viscosité linéique proportionnelle à l'inverse de la fraction locale de fluide. Nous établissons la convergence du modèle microscopique vers le modèle macroscopique proposé.

La thèse porte sur la réponse d'une plaque couplée à un liquide et soumise au champ de pression créé par une détonation aérienne. Celle-ci correspond au mode d'explosion le plus violent et se caractérise par la propagation d'une onde de choc qui génère sur la plaque un champ de pression mobile dont l'intensité et la vitesse de propagation sont élevées. L'objectif est d'étudier la réponse dynamique du système couplé pendant la durée de propagation de l'onde sur la plaque. Après avoir présenté le chargement de détonation, la mise en équation du problème est exposée. Celle-ci est adaptée au contexte de dynamique rapide imposé par la sollicitation extérieure. La flexion de la plaque est étudiée selon la théorie de Mindlin Reissner et prend en compte les non linéarités géométriques. Les non linéarités matérielles sont décrites par la loi de comportement élastoplastique de Prandtl-Reuss avec écrouissage isotrope. La dynamique du fluide est décrite par les équations d'Euler linéarisées. L'étude analytique permet d'obtenir des solutions au problème d'une bande infinie, reposant sur un domaine liquide non borné, soumise à un chargement mobile stationnaire. Les solutions stationnaires décrivent la réponse du système couplé au voisinage du front de chargement. La résolution numérique du problème réel d'une plaque couplée est obtenue à partir d'un schéma aux différences finies d'ordre 2 en temps et en espace. L'intégration temporelle des équations est obtenue par un schéma explicite. L'étude expérimentale présente le banc d'essai et des exemples de réponse de plaques en contact avec de l'eau, soumises à des détonations. Ces réponses sont comparées aux solutions numériques.

Dans cette thèse, nous considérons des problèmes instationnaires en interaction fluide-structure. Nous nous plaçons en outre dans un cadre bidimensionnel. Dans un premier temps, nous nous attachons à étudier l'existence et l'unicité de solutions pour un problème d'élasticité en grands déplacements et petites perturbations. Nous introduisons ensuite ce modèle de structure dans un système de couplage avec un fluide visqueux: nous montrons l'existence de solutions pour ce problème. Par ailleurs, nous considérons des problèmes d'interaction fluide-structure en vue d'applications numériques. Ce travail est motivé par les écoulements sanguins dans un ventricule cardiaque artificiel. Nous effectuons deux approches distinctes: l'une à l'aide d'une méthode ALE simplifiée, et l'autre en utilisant la méthode de la frontière immergée. Concernant ce dernier point, nous abordons un problème de contrôle optimal par feedback.

Ce travail comporte deux parties indépendantes: la première concerne les suspensions de particules anisotropes en écoulement élongationnel, la seconde porte sur l'étude en lois d'échelle des couches limites en convection thermosolutale. L'écoulement de suspensions de particules anisotropes présente en déformation élongationnelle des propriétés spécifiques liées à la géométrie des particules. Après la mise en oeuvre d'une cellule d'écoulement à orifice relisant une sollicitation élongationnelle bien définie, des suspensions de fibres non-browniennes sont étudiées dans deux régimes de concentration. En régime dilué, les résultats expérimentaux concernant la dynamique d'orientation d'une fibre sont bien décrits par les équations d'orientations du vecteur directeur obtenues analytiquement. En régime semi-dilué, l'écoulement présente une structuration remarquable, qui est étudiée en fonction de la fraction volumique et du rapport de forme des particules. Un modèle d'écoulement obtenu en minimisant l'énergie dissipée permet d'interpréter les résultats expérimentaux en termes de viscosité élongationnelle, et en relation avec les propriétés de la suspension à l'échelle des particules. Les écoulements de couche limite au voisinage d'une paroi verticale dans un milieu fluide soumis a des gradients de température et de concentration horizontaux présentent une grande variété de situations suivant la valeur des paramètres adimensionnels du problème. Une analyse combinant raisonnements en loi d'échelle et méthode intégrale permet de prédire complètement les différents régimes d'écoulement et les variations des couches limites. Les résultats sont corroborés par des solutions de similitude obtenues numériquement.

Dans cette thèse on a développé des algorithmes semi-implicites procédures partagées et monolithiques pour l'interaction entre un fluide gouverné par le modèle de Navier Stokes et une structure. Dans le premier chapitre, on présente un algorithme semi-implicite procédures partagées pour l'interaction entre un fluide et une structure gouvernée soit par les équations d'élasticité linéaire ou soit par le modèle de Saint-Venant Kirchhoff non linéaire. Dans le second chapitre, on propose un algorithme semi-implicite procédures partagées pour l'interaction entre un fluide et une structure de modèle linéaire et on montre un résultat de stabilité inconditionnelle en temps de l'algorithme. Un problème d'optimisation est résolu dans les deux algorithmes précédents, afin de satisfaire les conditions de continuité des vitesses et d'égalité des contraintes à l'interface. Durant les itérations de BFGS pour résoudre le problème d'optimisation, le maillage fluide reste fixe et la matrice fluide n'est factorisée qu'une seule fois, ce qui réduit l'effort de calcul. Dans le troisième chapitre, un algorithme semi-implicite monolithique pour l'interaction entre un fluide et une structure de modèle linéaire est proposé. L'algorithme utilise un maillage global pour le domaine fluide structure. La condition de continuité des vitesses à l'interface est automatiquement satisfaite et celle de l'égalité des contraintes n'apparaît pas explicitement dans la formulation faible. A chaque pas de temps on résout un système monolithique d'inconnues vitesse et pression définies sur le domaine global. Le temps CPU est réduit quand l'approche monolithique est utilisée à la place des procédures partagées.

Les travaux résumés dans ce mémoire s'articulent, essentiellement, autour des deux thématiques suivantes: la modélisation et la simulation numériques de systèmes couplés (Chapitres 1-3) et les méthodes d'éléments finis stabilisées pour des problèmes transitoires (Chapitre 4). Ces travaux sont essentiellement motivés par l'étude de la stabilité aéroélastique de structures du génie civil et la simulation numérique de l'écoulement du sang et de l'électrophysiologie cardiaque. Dans le cadre de l'interaction fluide-structure, nous couplons les équations de Navier-Stokes en domaine mobile avec l'équation de l'élastodynamique non-linéaire. Nous étudions la stabilité des états d'équilibre du système à partir de l'analyse des solutions harmoniques d'un problème linéaire spécifique. Dans le contexte de la simulation temporelle, nous proposons une méthode de Newton exacte pour la résolution des schémas de couplage implicite. Puis nous nous intéressons à la question suivante: comment éviter le couplage fort sans compromettre la stabilité? Cette question est abordée de deux points de vue différents: via le couplage semi-implicite avec projection et par un traitement faible approprié des conditions d'interface au niveau discret. Nous abordons aussi la simulation numérique des ECG en utilisant un modèle mathématique 3D complet, entièrement basée sur des EDP/EDO. Les principaux ingrédients de ce modèle sont: dynamique phénoménologique au niveau cellulaire, équation bidomaine (dans le cœur) et équation de Laplace généralisée (dans le torse). D'autres aspects essentiels à la modélisation sont élucidés, ce qui nous permet de simuler des ECGs complets réalistes. Quelques schémas de discrétisation en temps pour l'équation bidomaine et le système couplé cœur-torse sont analysés. Enfin, nous généralisons la méthode de pénalisation intérieure conforme au problème d'Oseen et aux équations de Navier-Stokes transitoires. Des estimations d'erreur a priori (uniformes par rapport à la viscosité) sont fournies pour des approximations vitesse/pression du même ordre. Une analyse d'erreur abstraite pour des méthodes de stabilisation symétriques est présentée pour l'équation de Stokes et l'équation de réaction-advection-diffusion transitoires. Dans le cas de Stokes, nous montrons que l'instabilité des petits pas de temps peut être éliminée par un choix judicieux de l'approximation de la vitesse initiale. Pour l'équation de réaction-advection-diffusion, nous contournons le problème de la réduction de la structure creuse de la matrice (due à l'opérateur de stabilisation) par un traitement explicite de la stabilisation.

La sédimentation de particules non-browniennes dans une suspension de laponite a été étudiée expérimentalement. Un protocole de préparation spécifique a été mis en place, la caractérisation rhéologique du fluide a été réalisée : la laponite constitue un fluide thixotrope, à seuil, rhéofluidifiant et viscoélastique. La caractéristique principale est l'augmentation en exponentielle de la viscosité du fluide avec le temps de vieillissement. La sédimentation de particules isolées a été étudiée sous différents aspects : vitesse de la particule, champs de vitesse autour de la particule, biréfringence induite par la sédimentation. La vitesse de la particule évolue en exponentielle décroissante avec le temps de vieillissement. Deux régimes d'écoulement suivant la contrainte exercée par la particule ont été repérés : un écoulement avec une traînée négative (remontée du fluide après le passage de la particule) avec une évolution spatiale quasi-similaire entre l'amont et l'aval. La biréfringence induite par la sédimentation de la particule relaxe très lentement après le passage de la particule. Le temps de relaxation correspondant augmente avec le temps de vieillissement du fluide. La sédimentation de deux particules a été observée dans deux cas : en présence et en absence d'une traînée négative. L'agrégation des particules peut être observée dans chaque cas. De plus, la sédimentation de suspensions a été entreprise : on observe une sédimentation sur une longueur finie conduisant à l'arrêt de la sédimentation contrairement au ca newtonien. La dynamique de cet arrêt est en exponentielle décroissante.

Ce travail de thèse concerne l'étude des écoulements de fluides gazeux compressibles laminaires subsonique-supersonique dans une tuyère de type convergent-divergent. Les écoulements étudiés sont à nombres de Reynolds modérés et s'affranchissent de l'hypothèse de condition adiabatique de paroi couramment utilisée afin de mieux prendre en compte les phénomènes de transfert de chaleur par convection et rayonnement avec le milieu extérieur. Cette étude des phénomènes de transferts conjugués a permis de déterminer le comportement dynamique simultané du fluide et de la paroi de la tuyère. Enfin, compte tenu des niveaux élevés de températures mis en jeu dans ces systèmes, une analyse concernant le comportement thermomécanique de l'ensemble de la structure de paroi avec des matériaux monocouches et multicouches a été réalisé. De nombreuses configurations géométriques, propriétés physiques et conditions aux limites sur le fluide et la paroi ont été analysées. Les résultats présentés montrent, la structure des écoulements à travers les iso-contours de vitesses, des nombres de Mach, des pressions dans le fluide, des températures dans le fluide et dans la paroi ainsi que les déformations et les contraintes de la paroi qui résultent des couplages thermomécaniques. Une analyse des performances de la tuyère, en termes de force de poussée et de coefficient de débit spécifique, est largement discutée dans ce travail.