Atrial fibrillation (AF) is a troublesome disease often overlooked by more serious myocardial infarctions. Up until now, there has been very little or no use of high order spectral techniques in order to evaluate the organization of the atrium during AF. Cross-bicoherence algorithm can be used alongside a surrogate data threshold in order to determine significant phase coupling interactions, giving rise to an organizational metric. This proposed algorithm is used to show rotigaptide, a gap junction coupling drug, significantly increases the organization of the atria during episodes of AF due to improvement of cell-to-cell coupling.

Currently, existing devices for extracting electrical power from ocean waves all suffer from problems with low efficiency due to a lack of information about the incoming waves in advance. The complex dynamic nonlinear characteristics of the ocean make the prediction of these incoming waves a great challenge. This paper aims to investigate a deterministic short-term wave-by-wave prediction system, that can accurately predict the wave height and timing of the incoming waves, based on measurements from a submerged pressure sensor. The complete prediction process contains three steps, namely reconstruction, assimilation, and prediction. A nonlinear Weakly Dispersive Reconstruction method (WDM) is firstly employed to accurately calculate the surface elevation from the measured pressures. Afterwards, a variational assimilation method is used to convert the time series surface elevation to a spatial wavefield, to obtain initial conditions for the prediction. Lastly, a High Order Spectral Method (HOSM) deterministically predicts the evolution of the 2D irregular wavefield based on the acquired initial conditions. To verify the performance of this proposed prediction system, tests were conducted with data from irregular sea states with varying wave parameters, generated by simulations as well as model experiments in the controlled environment of a wave tank. The results show that the surface elevation can be predicted within 5% from the reference, for a future period of about 10 seconds for wavefields commonly experienced by a wave energy converter. Based on the results, a prediction is possible, but the accuracy heavily depends on the current sea state and the chosen prediction distance.The results have been compared against similar tests made using radar data and proven to be a viable alternative for certain sea states. In conclusion, pressure measurements, as a mean to sample an ocean wavefield, is shown to be a good option when combined with nonlinear reconstruction and prediction methods to assist the power harvesting capabilities of a wave energy converter. / Nuvarande enheter för att extrahera elektrisk energi från havsvågor lider av stora problem med låg effektivitet på grund av brist på information om de inkommande vågorna. Det komplexa ickelinjära dynamiska beteendet hos havsvågor gör förutsägelsen av dem till en stor utmaning. Det här arbetet syftar till att undersöka ett deterministiskt kortsiktigt system för att förutspå våg för våg, som noggrant kan förutspå våghöjd och tidpunkt för de inkommande vågorna, baserat på mätdata från en dränkbar trycksensor. Den kompletta förutsägelseprocessen innehåller tre steg, rekonstruktion, assimilering och förutsägelse. En ickelinjär weakly dispersive reconstruction method används först för att med hög noggrannhet beräkna ythöjningen från det uppmätta trycket. Därefter, används en variational assimilation method för att konvertera en tidsserie av ythöjningen till ett rumsligt vågfält, för att erhålla initialvillkor för förutsägelsen. Slutligen används en High Order Spectral Method för att deterministiskt förutspå utvecklingen av det tvådimensionella oregelbundna vågfältet baserat på de förvärvade initialvillkoren. För att verifiera prestandan av det föreslagna förutsägelsesystemet, så genomfördes tester med data från olika oregelbundna havstillstånd med varierande parametrar, genererade av simuleringar, såväl som modellexperiment utförda i en kontrollerad miljö i form av en vågtank. Resultaten från testerna visar att ythöjningen förutspås inom 5% från referensen, för en period på 10 sekunder framåt i tiden, för vågor som ett vågkraftverk vanligtvis utsätts för. Baserat på resultatet, så är det möjligt att förutspå inkommande vågor, men noggrannheten beror kraftigt på det aktuella havstillståndet och det valda avståndet för förutsägelsen. Resultaten har jämförts mot liknande tester gjorda med radardata och visat sig vara ett genomförbart alternativ för vissa havstillstånd. Sammanfattningsvis visas det att tryckmätningar, som ett medel för att mäta ett havsvågfält, är ett bra alternativ när de kombineras med ickelinjära rekonstruktions- och förutsägelsemetoder för att hjälpa till att öka ett vågkraftverks energigenerering.

Les méthodes spectrales sont connues pour leurs propriétés de convergence rapide et de précision. Cependant, leur application à l'hydrodynamique navale reste encore aujourd'hui peu étendue. Le but de ce doctorat est d'étudier les possibilités de leur application à la génération et propagation de houle, dans le cadre de la théorie des écoulements potentiels. <br />Un bilan des différentes approches spectrales employées jusqu'à présent en hydrodynamique navale est d'abord dressé, étayant le choix des techniques développées au cours de ce travail. L'étude des propriétés de ces techniques est ensuite réalisée sur le ‘noyau' de la méthode, i.e. une cuve tri-dimensionnelle de géométrie figée. En particulier, différentes techniques High-Order Spectral sont comparées entre elles et à la méthode directe, et une nouvelle variante est proposée. Des validations sur des cas de lâchers de surface libre et d'oscillations forcées de surface libre sont présentées et confrontées à diverses méthodes.<br />L'approche est ensuite étendue, à partir de ce ‘noyau' et au moyen de stratégies de ‘potentiel additionnel', donnant lieu au développement de divers modèles. Ainsi, des houles non-linéaires sont modélisées à l'aide de doublets tournants instationnaires spécifiquement développés. Des cas de reproduction de signaux temporels cibles à une distance, et de génération et propagation de houle irrégulière sont présentés. De plus, une caractéristique avantageuse d'une telle approche spectrale est exploitée pour proposer des modèles originaux de diffraction autour de corps. Ceux-ci allient une génération de houle par méthode spectrale à des modèles de diffraction en fluide parfait ou visqueux, formulés en changement de variable. Des exemples illustratifs de diffraction de cette houle autour de corps bi- ou tri-dimensionnels sont proposés.<br />Enfin, un modèle original de simulation complète, au second-ordre, du processus de génération et propagation en bassin de houle tri-dimensionnel est réalisé. Il inclut la modélisation de différents batteurs, ainsi qu'un modèle d'absorption, permettant notamment de reproduire les caractéristiques complètes du nouveau bassin de houle de l'École Centrale de Nantes. Ce modèle est validé par comparaison à une solution analytique en régime établi et ses propriétés numériques sont étudiées. L'investigation des ondes libres et leur suppression, ainsi que la caractérisation de zones utiles sont proposées à titre d'application.

Les études et développement menés dans ce travail de thèse ont porté sur divers aspects du traitement de l'évolution réaliste des états de mer, notamment sur les spécificités d'une approche déterministe non-linéaire, sur la prise en compte d'un forçage par le vent et de la dissipation dans une approche à phase résolue, et sur un développement à but opérationnel des techniques de modélisations réalistes. En parvenant à une meilleure modélisation des états de mer, ils visent à permettre une meilleure interprétation des images radar rétrodiffusées par la surface de la mer. Les applications concernent entre autres la caractérisation et la prévision court terme en temps réel des conditions de mer, ainsi que la détection de cibles marines. Un modèle numérique tridimensionnel basé sur une méthode High Order Spectral sert de support à l'étude des processus non-linéaires à l'œuvre en conditions océaniques. Une première partie de cette étude permet de mettre en lumière un ensemble de critères nécessaires à la bonne mise en œuvre de cette méthode. On met notamment plus particulièrement en évidence une problématique d'initialisation liée à un besoin de simulations de référence dès les premiers instants de modélisation. Une méthode d'initialisation non-linéaire est proposée et évaluée. La prise en compte d'un forçage par le vent et de dissipation par moutonnement est ensuite proposée. La paramétrisation du couplage rétroactif océan-atmosphère et de la dissipation, en pression, à l'œuvre dans les modèles stochastiques de prévision d'état de mer est adaptée à la formulation déterministe. Une formulation récente du couplage (Bidlot et al. (2005)) est testée et validée comparativement avec la modélisation stochastique usuelle issue du modèle WAVEWATCH3. L'approche déterministe est finalement capable de prendre efficacement en compte les termes de forçage et dissipation et permet des évolutions d'états de mer réalistes. Le problème de modélisation opérationnelle des états de mer, à moindre coût calcul mais avec une prise en compte suffisamment réaliste des spécificités océaniques est abordé. Une méthode numérique est proposée et testée comparativement à l'approche complètement non-linéaire de référence.

La physique de la couche limite atmosphérique en domaine océanique est principalement régie par les processus couplés liés au vent, à l’état de mer local, et à des effets de flottabilité. Leur compréhension reste néanmoins parcellaire et leurs descriptions théoriques et stochastiques sont pour le moins lacunaires, lorsqu’elles ne sont tout simplement pas mises à mal par les rares observations. Dans un contexte d’exploitation croissante de la ressource éolienne offshore, la mise en place de méthodes numériques visant à une description plus fine des propriétés turbulentes de cette couche limite sera une étape déterminante dans la réduction des coûts et l’optimisation des structures pour des rendements de récupération d’énergie améliorés. Ainsi, un outil numérique a été mis en place afin d’étudier le couplage entre un écoulement atmosphérique et l’état de mer. Un code Large-Eddy Simulation massivement parallèle pour la simulation des écoulements atmosphériques incompressibles développé par P. Sullivan au National Center for Atmospheric Research est couplé à un code spectral d’états de mer non-linéaires développé au Laboratoire de recherche en Hydrodynamique, Energétique et Environnement Atmosphérique. De nombreuses configurations de vents et d’états de mer sont modélisées. On montre que les lois semi empiriques souvent utilisées pour représenter la distribution verticale de la vitesse moyenne du vent sont une bonne approximation dans les situations où un petit état de mer est soumis à un fort vent. Néanmoins, dans le cas de houles très rapides se propageant dans des zones de faible vent, la création d’un jet de vent par la houle invalide ces lois semi-empiriques. / Modelling the dynamic coupling of ocean-atmosphere systems requires a fundamental and quantitative understanding of the mechanisms governing the windwave interactions: despite numerous studies, our current understanding remains quite incomplete and, in certain conditions, sparse field observations contradict the usual theoretical and stochastic models. Within the context of a growing exploitation of the offshore wind energy and the development of met ocean models, a fine description of this resource is a key issue. Field experiments and numerical modelling have revealed that atmospheric stability and wave effects, including the dynamic sea surface roughness, are two major factors affecting the wind field over oceans. A numerical tool has been implemented in order to study the coupling between an atmospheric flow and the seastate. A massively parallel large-eddy simulation developed by P. Sullivan at the National Center for Atmospheric Research is then coupled to a High-Order Spectral wave model developed at the Hydrodynamics,Energetics & Atmospheric Environment Laboratory in Ecole Centrale de Nantes. Numerous configurations of wind and sea states are investigated. It appears that, under strongly forced wind conditions above a small sea state, the semi-empirical laws referred to as standards in the international guidelines are a good approximation for the vertical profile of the mean wind speed. However, for light winds overlying fast-moving swell, the presence of a wave induced wind jet is observed, invalidating the use of such logarithmic laws.

L'analyse des processus non-linéaires de génération et de propagation de la houle a constitué le cadre de cette thèse. Afin d'améliorer la compréhension de ces phénomènes, une méthode numérique dite High-Order Spectral (HOS), résolvant le problème de façon non-linéaire, a été développée. Cette méthode, avec une formulation surfacique et résolue de manière spectrale, associe précision et efficacité. <br /><br />Un traitement original de la génération de houle non-linéaire est proposé. Il permet l'accès à des simulations de champs de vagues tridimensionnels complexes, fortement cambrés, dans un bassin de houle. Diverses comparaisons avec des expériences menées dans le bassin du Laboratoire de Mécanique des Fluides de l'ECN sont présentées.<br /><br />Des simulations océaniques, en milieu ouvert, sont également proposées. Un intérêt particulier est porté à l'étude de l'apparition des vagues scélérates au sein de l'océan. L'importance des effets non-linéaires est pointée ainsi que l'aptitude de la méthode à modéliser de tels phénomènes. Des comparaisons avec les méthodes classiquement employées dans ce genre de problématique indiquent l'intérêt de l'approche utilisée ici.<br /><br />La résolution du problème de tenue à la mer est également envisagée. L'utilisation de la méthode HOS dans les codes couplés, développés au Laboratoire de Mécanique des Fluides (potentiel, RANS, SPH), est envisagée. Elle permettra la description précise de la houle incidente ; le couplage est mis en place et validé sur un certain nombre de cas d'application.