Ce document est une synthèse des travaux de recherche menés par l'auteur dans le domaine des écoulements géophysiques et de la biomécanique. Pour des raisons associées aux dimensions caractéristiques des problèmes étudiés, les écoulements géophysiques sont généralement représentés par des modèles plus simples que les équations de Navier-Stokes. Ainsi le système de Saint-Venant rend bien compte de phénomènes complexes telles les ruptures de barrage, les inondations, les avalanches. Dans ce document on propose plusieurs modèles de complexité réduite mais permettant de s'affranchir des limitations du système de Saint-Venant. Outre la dérivation, on propose pour chaque modèle, un schéma numérique ainsi qu'une confrontation avec des solutions analytiques et/ou des mesures expérimentales dans le cas d'écoulements complexes. Les discrétisations sont basées sur une interprétation cinétique des modèles, cette description permettant d'assurer les principales propriétés de stabilité des schémas. Certains des modèles proposés ont été implémentés dans des codes industriels. Dans la seconde partie du document, d'autres travaux concernant la modélisation en biomécanique et plus particulièrement l'activité électro-mécanique du muscle cardiaque sont également présentés.

Dans ce travail de thèse, un outil logiciel d'aide à la conception des robots hexapodes a été réalisé en développant un modèle électro-hydraulique non linéaire d'un vérin. Ce vérin à haute vitesse (5m/s) et d'une forte capacité de charge (10 tonnes en statique et 1 tonne en dynamique) est piloté par deux servovalves trois étages montées en parallèles. Le modèle a été développé à partir des données constructeurs et de paramètres non mesurables qui ont été estimés. Les tests expérimentaux réalisés sur banc d'essai ont permis de valider le modèle élaboré. Celui-ci est représentatif du comportement de l'ensemble indissociable, servovalve-vérin hydraulique, sur tout son domaine de fonctionnement. Une étude en simulation de l'asservissement du vérin a été menée en prenant en compte son comportement non linéaire. Un régulateur proportionnel permet d'obtenir une loi de commande rapide en assurant, pour tous les points de fonctionnement, un bon compromis entre stabilité et précision grâce à l'effet intégral du système. Par ailleurs, afin d'introduire les robots hexapodes en milieu marin hyperbar, des solutions technologiques aux problèmes liés à l'alimentation en huile du vérin et la gestion des fuites ont été proposées. Une étude préliminaire sur la jambe des robots hexapodes suggère qu'une nouvelle structure utilisant une tige en S pourrait être envisagée pour augmenter l'espace de travail de l'hexapode nécessitant néanmoins une augmentation de la taille de la rotule.

Les études relatives aux réacteurs nucléaires font appel `a plusieurs disciplines dont les principales sont la neutronique et la thermo-hydraulique. Les phénomènes physiques qui se déroulent dans le coeur d'une centrale nucléaire comme la réaction en chaîne des fissions nucléaires, le mouvement des fluides et les transferts de chaleur se couplent de manière forte et complexe. De part l'avancement des connaissances dans ces disciplines et la croissance massive de la puissance des ordinateurs, cette complexité phénoménologique peut aujourd'hui être simulée en des temps raisonnables. C'est pour cette raison que les codes de neutronique stochastiques, dits Monte Carlo, sont bien plus utilisés de nos jours que par le passé. Un grand intérêt de ce type de code probabiliste réside dans leur aptitude `a reproduire ”fidèlement” la réalit´e sans recours à des approximations de modélisation. C'est dans ce contexte que cette thèse a être initiée : coupler un code Monte Carlo de neutronique `a un code de thermo-hydraulique coeur afin d'assurer une description la plus précise possible des conditions de fonctionnement d'un coeur de réacteur nucléaire. Ces travaux s'inscrivent dans une démarche évolutionnaire motivée par les exigences accrues de la sˆuret´e, d'optimisation des ressources et de minimisation des déchets pour les systémes nucléaires du futur. Ce manuscrit présente la méthodologie employée pour le développement d'un couplage externe automatisé entre le code Monte Carlo MCNP et le code de thermo-hydraulique/thermique COBRA-EN. Cette recherche d'une meilleure performance et précision des outils de calcul s'accompagne de nouveaux types de problèmes physico-numériques `a résoudre, dont les principaux sont exposés dans ce mémoire. La validation du schéma couplé a été réalisée sur un cas très complexe de coeur de réacteur et a permis de prouver la robustesse des développements entrepris et la faisabilité d'un tel couplage.

Diss.--Universität Zürich, 1995. / Bibliogr. p. 295-303.

Diss.--Freiburg i. Br.--Institut für Ur- und Frühgeschichte und der Archäologie des Mittelalters an der Albert-Ludwigs-Universität, 1999. / Résumé en anglais et en français. Bibliogr. p. 153-175.

La surverse d’une digue fluviale (levée) peut conduire au développement d’une brèche par érosion externe, suivie d’une rupture brutale de la digue. Cela provoquerait une vague de submersion dans la plaine protégée, laquelle peut présenter des enjeux humains, économiques et financiers majeurs. La gestion et la prévention du risque d’inondation passe par une détermination précise de l’aléa. Pour ce faire, il est nécessaire d’avoir une estimation fiable du débit au travers de la brèche, donc du mécanisme de formation de la brèche et de sa dynamique d’expansion. Les approches existantes sont souvent adaptées pour les digues frontales (barrage et remblai en terre) soumises aux surverses. La transposition de ces approches pour les digues fluviales demeure peu fiable. Les processus qui régissent la formation des brèches dans les digues fluviales restent donc encore du domaine de la recherche. Un programme expérimental visant à améliorer notre compréhension des processus physiques qui régissent la rupture graduelle des digues fluviales par surverse a été mené conjointement par le Laboratoire National d’Hydraulique et Environnement (LNHE) de la division R&D d’EDF et le groupe de recherche Hydraulics in Environmental and Civil Engineering (HECE) de l’Université de Liège. Les travaux ont été conduits sur deux dispositifs expérimentaux distincts, chacun constitué d’un canal principal et d’une plaine d’inondation, séparés par une digue fluviale. Nous nous sommes focalisés sur les surverses localisées de digues homogènes non-cohésives. Une métrologie adaptée, incluant la mesure détaillée de l’évolution de la géométrie de la brèche en continu, par une technique non intrusive (profilométrie laser), a été développée et exploitée dans les travaux de cette thèse. Les tests, réalisés sous conditions contrôlées, ont permis d’investiguer l’évolution de la bèche et des débits sortants pour différentes conditions hydrauliques (débits d’entrée dansle canal principal, régulation du débit sortant en aval du canal principal, confinement de la plaine inondable). Les effets des dimensions du canal principal, de la taille des sédiments et de la cohésion apparente ou encore de la mobilité des fonds au pied de la digue ont fait également l’objet d’étude. En exploitant les mesures, l’évolution des écoulements au voisinage de la brèche a été simulée avec le code de calcul bidimensionnel TELEMAC-2D, permettant d’évaluer les performances de ce code pour des cas d’écoulements, en rupture de digue fluviale, hautement transitoires et complexes. Le couplage avec le code morpho dynamique 2-D SISYPHE a permis d’apprécier l’apport d’une modélisation hydro-morpho dynamique détaillée à l’étude des brèches dans les digues fluviales / Overtopping of fluvial dikes (dykes or embankment levees) can promote external erosion, leading to the initiation of breaching and potentially brutal dike failure and inundation of the protected area. This can generate major human, economic, and financial losses. Flood risk management and prevention require precise hazard quantification. Accurate estimate of the flow through the breach is paramount, for which a precise understanding of the breach formation and expansion is required. Existing methods are often the result of investigations conducted on overtopping of frontal dikes (embankment dams). The application of such approaches to fluvial dikes is not reliable and processes underpinning breach expansion are still under research. An innovative experimental program was conducted to fill this gap by investigating the physical processes involved in overtopping induced fluvial dike gradual breaching. Experiments were conducted in the framework of collaboration between the National Laboratory for Hydraulics and Environment (LNHE) of the R&D division of EDF and the research team Hydraulics in Environmental and Civil Engineering (HECE) of University of Liège. Experiments were conducted on two distinct experimental setups, each consisting of a main channel and floodplain area separated by an erodible fluvial dike. The focus was made on overtopping induced spatial erosion of homogenous, non-cohesive dikes. Measurements included continuous scanning of the dike geometry using a non-intrusive method (Laser Profilometry Technique), which was designed and developed specifically for the present works. Tests conducted under controlled flow and dike configurations allowed assessing the effects of channel inflow discharge, downstream channel regulation system, and floodplain confinement on the breach development and outflow. Effects of main channel size, dike material size, apparent cohesion, and bottom erodibility were studied as well. Using the experimental data, the flow features near the breach area was simulated using the two-dimensional depth-averaged hydrodynamic code TELEMAC-2D, which allowed assessing the performance of the code for highly transient and complex flows such as involved in dike breaching. Coupling TELEMAC-2D with the morphodynamic model SISYPHE enabled investigating the interest of a detailed hydro-morphodynamic modeling for fluvial dike breaching studies

La vulnérabilité du xylème à la cavitation est un caractère déterminant pour la tolérance des arbres à une sécheresse extrême. La connaissance des bases moléculaires de caractère serait utile pour prévoir le comportement des populations naturelles et pour orienter les choix de culture dans un contexte de changement climatique. Ce travail de thèse porte sur les bases physiques et génétiques de la vulnérabilité à la cavitation en ciblant les ponctuations car il est désormais bien admis que les ponctuations des vaisseaux du xylème sont des structures clés de ce caractère. Nous proposons un modèle mécanique de comportement des ponctuations lors de la cavitation. Il démontre comment la géométrie des ponctuations détermine leurs propriétés mécaniques et permet d’expliquer la variabilité interspécifique de la vulnérabilité à la cavitation. Pour appréhender les bases génétiques, deux approches ont été développées. D’une part, nous avons construit des lignées transgéniques de peupliers modifiées pour le métabolisme des pectines. D’autre part, nous avons montré qu’Arabidopsis thaliana est une plante modèle qui permet de prospecter les bases génétiques de la vulnérabilité à la cavitation. L’étude des lignées transgéniques de peuplier et d’un mutant d’Arabidopsis thaliana modifiés pour l’expression de polygalacturonases met en évidence l’implication de ces enzymes et plus généralement des pectines dans la vulnérabilité à la cavitation. L’ensemble de nos résultats nous amène à proposer un rôle des pectines au niveau de l’anneau de la membrane des ponctuations, dans la vulnérabilité à la cavitation. / Vulnerability to cavitation is an important feature for drought tolerance of trees. Understanding of the molecular basis of vulnerability to cavitation would be useful to predict the behavior of natural populations in the context of changing climate. This work focuses on the physical and genetic basis of vulnerability to cavitation and targets pits because they represent main candidates for the spread of embolism in wood. We propose a model of the mechanical behavior of pits while cavitation occurs. The model shows how the pits geometry influences their mechanical properties and allows explaining interspecific variability of vulnerability to cavitation. On one hand, we constructed transgenic poplars modified for pectin metabolism. On the other hand, we showed that Arabidopsis thaliana is a model plant that can be used for the study of the molecular basis of vulnerability to cavitation. Studies of poplars’ transgenic lines and Arabidopsis thaliana mutant modified for a polygalacturonase highlights the involvement of pectins in vulnerability to cavitation. Our results suggest that pectins that are located on the annulus of the pit membrane have a role in vulnerability to cavitation.

Ce travail porte sur la construction d'un modèle réduit en hydraulique fluviale avec une méthode de décomposition en polynôme du chaos. Ce modèle réduit remplace le modèle direct afin de réduire le coût de calcul lié aux méthodes ensemblistes en quantification d'incertitudes et assimilation de données. Le contexte de l'étude est la prévision des crues et la gestion de la ressource en eau. Ce manuscrit est composé de cinq parties, chacune divisée en chapitres. La première partie présente un état de l'art des travaux en quantification des incertitudes et en assimilation de données dans le domaine de l'hydraulique ainsi que les objectifs de la thèse. On présente le cadre de la prévision des crues, ses enjeux et les outils dont on dispose pour prévoir la dynamique des rivières. On présente notamment la future mission SWOT qui a pour but de mesurer les hauteurs d'eau dans les rivières avec un couverture globale à haute résolution. On précise notamment l'apport de ces mesures et leur complémentarité avec les mesures in-situ. La deuxième partie présente les équations de Saint-Venant, qui décrivent les écoulements dans les rivières, ainsi qu'une discrétisation numérique de ces équations, telle qu'implémentée dans le logiciel Mascaret-1D. Le dernier chapitre de cette partie propose des simplifications des équations de Saint-Venant. La troisième partie de ce manuscrit présente les méthodes de quantification et de réduction des incertitudes. On présente notamment le contexte probabiliste de la quantification d'incertitudes et d'analyse de sensibilité. On propose ensuite de réduire la dimension d'un problème stochastique quand on traite de champs aléatoires. Les méthodes de décomposition en polynômes du chaos sont ensuite présentées. Cette partie dédiée à la méthodologie s'achève par un chapitre consacré à l'assimilation de données ensemblistes et à l'utilisation des modèles réduits dans ce cadre. La quatrième partie de ce manuscrit est dédiée aux résultats. On commence par identifier les sources d'incertitudes en hydraulique que l'on s'attache à quantifier et réduire par la suite. Un article en cours de révision détaille la validation d'un modèle réduit pour les équations de Saint-Venant en régime stationnaire lorsque l'incertitude est majoritairement portée par les coefficients de frottement et le débit à l'amont. On montre que les moments statistiques, la densité de probabilité et la matrice de covariances spatiales pour la hauteur d'eau sont efficacement et précisément estimés à l'aide du modèle réduit dont la construction ne nécessite que quelques dizaines d'intégrations du modèle direct. On met à profit l'utilisation du modèle réduit pour réduire le coût de calcul du filtre de Kalman d'Ensemble dans le cadre d'un exercice d'assimilation de données synthétiques de type SWOT. On s'intéresse précisément à la représentation spatiale de la donnée telle que vue par SWOT: couverture globale du réseau, moyennage spatial entre les pixels observés. On montre notamment qu'à budget de calcul donné les résultats de l'analyse d'assimilation de données qui repose sur l'utilisation du modèle réduit sont meilleurs que ceux obtenus avec le filtre classique. On s'intéresse enfin à la construction du modèle réduit en régime instationnaire. On suppose ici que l'incertitude est liée aux coefficients de frottement. Il s'agit à présent de juger de la nécessité du recalcul des coefficients polynomiaux au fil du temps et des cycles d'assimilation de données. Pour ce travail seul des données in-situ ont été considérées. On suppose dans un deuxième temps que l'incertitude est portée par le débit en amont du réseau, qui est un vecteur temporel. On procède à une décomposition de type Karhunen-Loève pour réduire la taille de l'espace incertain aux trois premiers modes. Nous sommes ainsi en mesure de mener à bien un exercice d'assimilation de données. Pour finir, les conclusions et les perspectives de ce travail sont présentées en cinquième partie.

This PhD thesis experimentally studies the volumetric efficiency of gerotor pumps in aero-engine gas turbine oil systems. This efficiency is the ratio of the effective measured flow rate and the theoretical flow rate computed based on pump displacement. In case of low inlet pressure and high rotational speed, which is often the case in aeronautical applications, the pump performance is severely affected by cavitation. This phase change from liquid to vapour causes a large portion of the flow to be occupied by gas, reducing the volume available for the liquid and reducing the overall mass flow rate. Due to its nature, the lubrication oil used in gas turbine engines is subjected to aeration which is the dissolution of air in oil. The air is dissolved in the liquid at high ambient pressure and released at lower pressure causing more air to occupy the cavities inside the pump. The change in liquid aeration is a relatively slower phenomenon causing the variation of aeration to be delayed with respect to the actual pressure and therefore varying also accordingly to the previous oil condition.The essential part of the work presented in this thesis is based on experimental research realised at the ATM department. This was conducted on a dedicated oil system test rig. This rig is build to reproduce the complete set of operating conditions encountered in a flying embedded oil system. This test rig was modified and equipped with several specific measurement systems to acquire data on pump performance and oil aeration. Precisely, a series of single-phase performance characterisations and transients have been recorded. The oil aeration was measured with two density-based instruments. The pump outlet pressure was recorded with a high-frequency pressure transducer. A new set-up of the test rig was also developed to allow the testing of pumps in two-phase flows conditions. Two-phase flows performance characterisations and transients have then also been studied.The data processing provided information necessary to build empirical models and to understand pump and cavitation behaviours. The focus is on pump performance in cavitation. This justify the extensive use of the cavitation number indicating the tendency of a flow to experience cavitation in given conditions. The base models can be used to determine if a given condition leads to cavitation or not, and predict the pump efficiency in both cases. The high-frequency pressure measurements provided an efficient tool to detect cavitation. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.