Nous passons en revue certains résultats obtenus dans quatre thèmes: les équations de Navier-Stokes stochastiques en deux dimensions, la loi de Fourier dans les chaines d'oscillateurs anharmoniques, les grandes déviations de ces systèmes et finalement, les dynamiques de collision locales.

L'allumage d'un moteur fusée cryotechnique (carburants liquides) est une phase critique. La moindre anomalie dans la procédure d'allumage peut conduire à la destruction du lanceur. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie s'appuyant sur la simulation aux grandes échelles (LES) pour étudier les phénomènes physiques impliqués dans un tel allumage. L'intérêt de la méthode LES est de pouvoir capturer les couplages instationnaires entre la turbulence, les processus diphasiques et la cinétique chimique. L'outil numérique est tout d'abord validé sur des cas académiques et expérimentaux, puis appliqué à un moteur fusée réel. Une approche graduelle est employée : les différents cas de validation présentent une complexité croissante, permettant d'isoler les processus physiques principaux. Ce travail de recherche montre que l'approche de la simulation aux grandes échelles, dans un contexte de calcul massivement parallèle, peut être utilisée pour étudier la séquence complète d'allumage dans un moteur fusée réel.

Cette thèse illustre les nombreuses possibilités permettant de relier les perturbations cosmologiques aux modèles théoriques décrivant l'univers. Aujourd'hui, nous observons ces perturbations cosmologiques sous des formes diverses. Les observations considérées dans cette thèse sont les anisotropies du rayonnement de fond cosmologique (CMB) et la distribution de matière dans l'univers (galaxies et amas de galaxies).<br /><br />Si à un temps initial, l'univers consistait en un plasma homogène et isotrope de matière et de rayonnement, il serait toujours homogène et isotrope aujourd'hui. Les perturbations cosmologiques n'existeraient pas. Cependant, nous les observons. Le mécanisme de génération des perturbations considéré comme le plus plausible est le paradigme de l'inflation. Nous introduisons de nouveaux outils pour tester l'inflation. Nous sommes allés au-delà des approximations analytiques, et avons obtenu les contraintes sur le potentiel de l'inflaton les plus robustes publiées a ce jour.<br /><br />Une fois les perturbations cosmologiques engendrées, elles continuent d'évoluer. Le CMB porte l'emprunte de ces perturbations telles qu'elles étaient au moment du découplage des photons. Par la suite, les photons ont voyagé librement à travers l'univers, en interagissant encore gravitationnellement avec les fluctuations de matière qu'ils traversaient. Nous avons montré que cet effet secondaire peut être utilisé pour améliorer les contraintes sur la masse totale des neutrinos. Nous avons aussi montré qu'il est à l'origine de plusieurs problèmes pour une classe de modèles cosmologiques dans lesquels les inhomogénéités de l'univers pourraient expliquer l'accélération apparente de son expansion: le modèle d'univers à bulles (swiss-cheese universe). Dans cette thèse, l'univers à bulle - tel qu'il a été définit dans la littérature - est infirmé. <br /><br />Les perturbations cosmologiques sont une source très riche d'informations sur l'évolution physique de notre univers.

De nombreuses applications industrielles mettent en jeu des écoulements gaz-particules, comme les turbines aéronautiques et les réacteurs à lit fluidifié de l'industrie chimique. La prédiction des propriétés de la phase dispersée, est essentielle à l'amélioration et la conception des dispositifs conformément aux nouvelles normes européennes des émissions polluantes. L'objectif de cette thèse est de développer le formalisme Euler-Lagrange dans un solveur parallèle et non-structure pour la simulation aux grandes échelles pour ce type d'écoulements. Ce travail est motivé par l'augmentation rapide de la puissance de calcul des machines massivement parallèles qui ouvre une nouvelle voie pour des simulations qui étaient prohibitives il y a une décennie. Une attention particulière a été portée aux structures de données afin de conserver une certaine simplicité et la portabilité du code sur des différentes architectures. Les développements sont valides pour deux configurations : un cas académique de turbulence homogène isotrope décroissante et un calcul polydisperse d'un jet recirculant charge en particules. L'équilibrage de charges de particules est mis en évidence comme une solution prometteuse pour les simulations diphasiques Lagrangiennes afin d'améliorer les performances des calculs lorsque le deséquilibrage est trop important.

Pour réduire la consommation en carburant et respecter des normes anti-pollution toujours plus sévères, les motoristes font de plus en plus appel à la combustion prémélangée pauvre. Cependant, ce Régime est enclin aux instabilités thermo-Acoustiques pouvant dégrader fortement le foyer. La Simulation aux Grandes Echelles (LES) est, à ce titre, un outil présentant un grand potentiel pour une meilleure compréhension de ces phénomènes, comme l'ont montré certains travaux réalisés jusqu' à présent. Dans la majorité des applications industrielles, le carburant est injecté sous forme liquide, ce qu'il faut prendre en compte dans les simulations numériques. Cette thèse présente donc une stratégie de description de la combustion diphasique turbulente en géométries complexes, basée sur le formalisme Eulérien mésoscopique pour la phase dispersée. La discrétisation des termes convectifs constitue un des points cruciaux pour assurer la qualité d'une LES. Une description détaillée de différents schémas numériques de convection (volumes finis cell-vertex, Taylor-Galerkin)<br />est tout d'abord fournie. On procède ensuite à une analyse théorique puis pratique des erreurs induites par ceux-ci et on propose des solutions pour les réduire. Une attention particulière est portée aux discrétisations aux bords du domaine de calcul ainsi qu'au type de conditions limites choisi. La chambre de combustion du banc expérimental MERCATO de l'ONERA sert à mettre en oeuvre, à valider et enfin à évaluer ces stratégies numériques. Enfin, trois méthodes de détermination des impédances acoustiques de conduits à section variable sont analysées et validées. Celles-ci permettent de caractériser les conditions limites d'entrée et de sortie des brûleurs industriels, en particulier pour les calculs de modes propres acoustiques.

La pulvérisation du liquide est un mécanisme très important lors de la combustion dans les moteurs de fusée et de type diesel. C'est dans ce cadre que s'inscrivent les travaux réalisés dans cette thèse. L'objectif est de modéliser les mécanismes physiques qui pilotent l'atomisation assistée par air. Dans cette configuration, de nombreux paramètres peuvent influer sur la fragmentation du liquide tels que les vitesses initiales du liquide ou du gaz, les masses volumiques des deux phases ou la tension de surface par exemple ... Ce phénomène est donc particulièrement complexe et la résolution exacte de chaque fragmentation est très difficile. Dans ce travail, une approche stochastique est proposée afin de modéliser les différentes étapes d'atomisation assistée par air. Celle-ci permet de décrire la phase d'atomisation primaire et les statistiques du liquide non fragmenté au voisinage de l'injecteur. A partir de ces résultats, des fragments liquides sont formés et transportés dans l'écoulement de façon à décrire l'intégralité du spray. Le mouvement de la phase gazeuse est résolu par simulation des grandes échelles. Le caractère turbulent et instationnaire de l'écoulement est ainsi pris en compte, ce qui permet le suivi lagrangien des éléments liquides issus de la phase d'atomisation primaire. Leurs collisions ainsi que les fragmentations ou coalescences qui en résultent sont également modélisés par l'intermédiaire d'une approche stochastique. Ces différentes étapes permettent de simuler l'atomisation assistée par air et de déterminer la longueur du cœur liquide, l'angle du spray, le diamètre de Sauter moyen et de comparer ces résultats à des données expérimentales.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la compatibilité électromagnétique et de la caractérisation des sources de perturbations d'origine naturelle, dont fait partie la foudre. Notre objectif était, pour notre part, de caractériser aussi précisément que possible le rayonnement engendré par une décharge de foudre afin de constituer des modèles utilisables pour prévoir les effets induits. A ces fins, notre travail s'est décomposé de la façon suivante :<br />* Tout d'abord, nous nous sommes attachés à constituer une base de données en réalisant, lors de la campagne de foudre déclenchée de Saint-Privat-d'Allier, des mesures de champ électromagnétique et de courant induit sur une ligne triphasée moyenne tension expérimentale de transport. Cependant, la lourdeur de ce type d'expérimentation nous a amenés à l'étude du phénomène en laboratoire.<br />* Nous avons donc utilisé ensuite l'analogie partielle qui existe entre la foudre et les grandes étincelles de laboratoire pour définir un moyen d'essais moins contraignant. Il est apparu que les simulations en laboratoire haute tension sont satisfaisantes dans la mesure où elles permettent l'étude de certaines phases de la décharge pratiquement inaccessibles en foudre naturelle ou déclenchée, telles que la propagation du précurseur vers le sol. Cependant, il existe quelques limites à ce type d'expérimentation qu'il ne faut pas négliger et qui rendent complémentaires ces deux moyens de mesures.<br />* Enfin, nous nous sommes intéressés à l'aspect modélisation du rayonnement de la foudre en recensant les principaux modèles existants et en les testant dans le cadre des champs proches (distance à la décharge inférieure à 500 mètres). Cette étude numérique a permis de préciser les limites de ces modèles et leur sensibilité par rapport à certains paramètres de la décharge ou de la modélisation.

Le travail de ma thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet industriel proposé par une entreprise luxembourgeoise (Gottschol-Alcuilux) et en collaboration avec le Centre de Recherche Public Henry Tudor du Luxembourg (Laboratoire des Technologies Industriels (LTI)). L'objectif consiste à mettre au point une méthode numérique de détermination de la forme des outils d'emboutissage et du flan de pièces de précision en tôlerie fine pour que ce dernier, une fois déformé en une ou plusieurs opérations, correspond à la définition tridimensionnelle du cahier des charges. La méthode a pour objectif de remplacer une démarche expérimentale coûteuse par essais–erreur. <br /><br />Deux démarches numériques ont été développées, la première est relative à la détermination de la forme du flan. Elle consiste à estimer la forme du flan par Approche Inverse en partant de la forme 3D demandée. Puis, un logiciel de simulation incrémental par éléments finis en 3D est utilisé dans une procédure d'optimisation heuristique pour déterminer la forme du flan. Dans la deuxième démarche, il s'agit de déterminer la forme des outils d'emboutissage en utilisant le logiciel de simulation incrémental couplé avec une méthode de compensation du retour élastique en 2D. La démarche numérique est validée expérimentalement dans le cas d'un emboutissage réalisé en une ou plusieurs passes, à l'aide d'une presse manuelle, sans serre flan et avec des outils de forme très complexe.

Beaucoup de modélisations numériques dans les domaines de la géophysique, du génie civil et du génie mécanique nécessitent la prise en compte de grandes transformations sur des matériaux avec des comportements allant du fluide visqueux au solide élastique, avec ou sans microstructure granulaire ou stratifiée, en passant par des matériaux bi-phasiques. Une nouvelle méthode numérique, intitulée méthode des éléments finis avec des points d'intégration Lagrangiens (MEFPIL), a été développée pour répondre à ce cahier des charges. Elle est basée sur une grille Eulérienne d'éléments finis dont les points intégrations sont des particules Lagrangiennes qui transportent dans leur mouvement les propriétés matériaux et les variables de temps. Ainsi, les limites vers les grandes transformations sont abolies, tout en transportant l'historique de la matière. Le suivi implicite des interfaces matériaux permet aussi de modéliser les interactions fluide-solide en attribuant des propriétés rhéologiques contrastées aux particules en différents points de l'espace. Ce travail a démontré que des contraintes sur le nombre et le poids numérique des points d'intégration, sont nécessaires pour obtenir de bons résultats dans des cas tests. A cause du traitement des grandes transformations sous forme incrémentale, cette méthode impose une attention particulière lors du développement et de l'implantation de nouvelles lois de comportement. Lors de ce travail, la théorie de Cosserat, la viscoélasticité, des modèles non linéaires et l'anisotropie, éventuellement couplée avec la théorie de Cosserat, ont été implantés pour répondre à des besoins précis lors de la modélisation de phénomènes géophysiques et des procédés de mise en forme de matériaux. La MEFPIL a démontré sa capacité dans la modélisation des écoulements de matériaux divers en grandes transformations et laisse entrevoir un grand potentiel pour de futures applications.

Ce travail de thèse a été consacré au développement d'outils numériques pour aider à la compréhension, par simulation numérique, de l'aérodynamique d'un inverseur de poussée à portes (écoulement turbulent compressible). Dans cette étude, nous avons adopté deux approches complémentaires : résolution des équations de Navier-Stokes moyennées RANS (stationnaires) ou filtrées LES (instationnaires). Dans un premier temps, les divers phénomènes physiques présents dans un inverseur de poussée sont décomposés et étudiés séparément. On simule ainsi successivement :<br /> (1) un écoulement décollé (marche descendante - calcul RANS),<br /> (2) un écoulement cisaillé libre (couche de mélange plane - calculs RANS et LES), <br />(3) des écoulements présentant de fortes courbures des lignes de courant (conduite rectangulaire courbée (calcul RANS) et couche de mélange courbe - calculs RANS et LES). Ensuite, deux configurations simplifiées d'inverseurs de poussée à portes sont étudiées numériquement par simulations RANS et LES.