Cette thèse porte sur l’analyse mathématique de l’interaction d’un fluide non-visqueux avec des structures immergées. Plus précisément, elle est structurée autour de deux axes principaux. L’un d’eux est l’analyse asymptotique du mouvement d’une particule infinitésimale en milieu liquide. L’autre concerne l’interaction entre des vagues et une structure immergée. La première partie de la thèse repose sur l’analyse mathématique d’un système d’équations différentielles ordinaires non-linéaires d’ordre 2 modélisant le mouvement d’un solide infiniment petit dans un fluide incompressible en 2D. Les inconnues du modèle décrivent la position du solide, c’est-à-dire la position du centre de masse et son angle de rotation. Les équations proviennent de la deuxième loi de Newton avec un prototype de force de type Kutta-Joukowski. Plus précisément, nous étudions la dynamique de ce système lorsque l’inertie du solide tend vers 0. Les principaux outils utilisés sont des développements asymptotiques multiéchelles en temps. Pour la dynamique de la position du centre de masse, l’étude met en évidence des analogies avec le mouvement d’une particule chargée dans un champ électromagnétique et la théorie du centre-guide. En l’occurrence, le mouvement du centreguide est donné par une équation de point-vortex. La dynamique de l’angle est quant à elle donnée par une équation de pendule non-linéaire lentement modulée. Des régimes très différents se distinguent selon les données initiales. Pour de petites vitesses angulaires initiales la méthode de Poincaré-Lindstedt fait apparaitre une modulation des oscillations rapides, alors que pour de grandes vitesses angulaires initiales, un movement giratoire bien plus irrégulier est observé. C’est une conséquence particulière et assez spectaculaire de l’enchevêtrement des trajectoires homocliniques. La deuxième partie de la thèse porte sur le problème des vagues dans le cas où le domaine occupé par le fluide est à surface libre et avec un fond plat sur lequel un objet solide se translate horizontalement sous l’effet des forces de pression du fluide. Nous avons étudié deux systèmes asymptotiques qui décrivent le cas d’un fluide parfait incompressible en faible profondeur. Ceux-ci correspondent respectivement aux équations de Saint-Venant et de Boussinesq. Grâce à leur caractère bien-posé en temps long, les modèles traités permettent de prendre en compte certains effets de la mécanique du solide, comme les forces de friction, ainsi que les effets non-hydrostatiques. Notre analyse théorique a été complétée par des études numériques. Nous avons développé un schéma de différences finies d’ordre élevé et nous l’avons adapté à ce problème couplé afin de mettre en évidence les effets d’un solide (dont le mouvement est limité à des translations sur le fond) sur les vagues qui passent au dessus de lui. A la suite de ces travaux, nous avons souligné l’influence des forces de friction sur ce genre de systèmes couplés ainsi que sur le déferlement des vagues. Quant à l’amortissement dû aux effets hydrodynamiques, une vague ressemblance avec le phénomène de l’eau morte est mise en évidence. / This PhD thesis concerns the mathematical analysis of the interaction of an inviscid fluid with immersed structures. More precisely it revolves around two main problems: one of them is the asymptotic analysis of an infinitesimal immersed particle, the other one being the interaction of water waves with a submerged solid object. Concerning the first problem, we studied a system of second order non-linear ODEs, serving as a toy model for the motion of a rigid body immersed in a two-dimensional perfect fluid. The unknowns of the model describe the position of the object, that is the position of its center of mass and the angle of rotation; the equations arise from Newton’s second law with the consideration of a Kutta-Joukowski type lift force. It concerns the detailed analysis of the dynamic of this system when the solid inertia tends to 0. For the evolution of the position of the solid’s center of mass, the study highlights similarities with the motion of a charged particle in an electromagnetic field and the wellknown “guiding center approximation”; it turns out that the motion of the corresponding guiding center is given by a point-vortex equation. As for the angular equation, its evolution is given by a slowly-in-time modulated non-linear pendulum equation. Based on the initial values of the system one can distinguish qualitatively different regimes: for small angular velocities, by the Poincaré-Lindstedt method one observes a modulation in the fast time-scale oscillatory terms, for larger angular velocities however erratic rotational motion is observed, a consequence of Melnikov’s observations on the presence of a homoclinic tangle. About the other problem, the Cauchy problem for the water waves equations is considered in a fluid domain which has a free surface on the upper vertical limit and a flat bottom on which a solid object moves horizontally, its motion determined by the pressure forces exerted by the fluid. Two shallow water asymptotic regimes are detailed, well-posedness results are obtained for both the Saint-Venant and the Boussinesq system coupled with Newton’s equation characterizing the solid motion. Using the particular structure of the coupling terms one is able to go beyond the standard scale for the existence time of solutions to the Boussinesq system with a moving bottom. An extended numerical study has also been carried out for the latter system. A high order finite difference scheme is developed, extending the convergence ratio of previous, staggered grid based models. The discretized solid mechanics are adapted to represent important features of the original model, such as the dissipation due to the friction term. We observed qualitative differences for the transformation of a passing wave over a moving solid object as compared to an immobile one. The movement of the solid not only influences wave attenuation but it affects the shoaling process as well as the wave breaking. The importance of the coefficient of friction is also highlighted, influencing qualitative and quantitative properties of the coupled system. Furthermore, we showed the hydrodynamic damping effects of the waves on the solid motion, reminiscent of the so-called dead water phenomenon.

Dans ce travail, une méthode basée sur les éléments finis ondulatoires - Wave Finite Elements (WFE) - est proposée en vue de prédire le rayonnement acoustique de conduites axisyrnétriques de longueur finie, comportant un fluide interne, et immergées dans un fluide acoustique de dimensions infinies. La condition de rayonnement de Sommerfeld est prise en compte en entourant le fluide extérieur d'un perfectly matched layer (PML), c'est-à-dire une couche d'éléments absorbants dans laquelle les ondes acoustiques incidentes sont progressivement amorties. Dans le cadre de l'approche WFE, la conduite, le fluide qu'elle contient, le fluide extérieur et le PML constituent un guide d'ondes multiphysique qui est discrétisé par un maillage éléments finis périodique, et peut être ainsi modélisé comme un assemblage de sous-systèmes identiques de faible longueur. Une base d'ondes se propageant le long de la conduite, calculée à partir du modèle éléments finis d'un sous-système, est utilisée afin de prédire le comportement vibroacoustique de guides d'ondes de longueur finie à moindre coût. Des simulations numériques sont réalisées pour des cas de conduites de structure homogène ou multi-couches. La précision et l'efficacité de la méthode WFE sont clairement établies en comparaison avec la méthode des éléments finis conventionnelle. / In this work, a wave finite element (WFE) method is proposed to predict the sound radiation of finite axisymmetric fluid-filled pipes immersed in an external acoustic fluid of infinite extent, The Sommerfeld radiation condition is taken into account by means of a perfectly matched layer (PML) around the external fluid. Within the WFE framework, the fluid-filled pipe, the surrounding fluid and the PML constitute a multiphysics waveguide that is discretized by means of a periodic finite element mesh, and is treated as an assembly of identical subsystems of small length. Wave modes are computed from the FE model of a multi-physics subsystem and used as a representation basis to assess the vibroacoustic behavior of the finite waveguide at a low computational cost. Numerical experiments are carried out in the cases of axisymmetric pipes of either homogeneous or multi-layered crosssections, The accuracy and efficiency of the proposed approach are dearly highlighted in comparison with the conventional FE method.

Cette thèse aborde la résolution des problèmes d'interaction fluide-structure par un algorithme consistant en un couplage entre deux solveurs : un pour le fluide et un pour la structure. Pour assurer la cohérence entre les maillages fluide et structure, on considère également une discrétisation de chaque domaine par volumes finis. En raison des difficultés de décomposition du domaine en sous-domaines, nous considérons pour chaque environnement un algorithme parallèle de multi-splitting (ou multi-décomposition) qui correspond à une présentation unifiée des méthodes de sous-domaines avec ou sans recouvrement. Cette méthode combine plusieurs applications de points fixes contractantes et nous montrons que, sous des hypothèses appropriées, chaque application de points fixes est contractante dans des espaces de dimensions finies normés par des normes hilbertiennes et non-hilbertiennes. De plus, nous montrons qu'une telle étude est valable pour les résolutions parallèles synchrones et plus généralement asynchrones de grands systèmes linéaires apparaissant lors de la discrétisation des problèmes d'interaction fluide-structure et peut être étendue au cas où le déplacement de la structure est soumis à des contraintes. Par ailleurs, nous pouvons également considérer l’analyse de la convergence de ces méthodes de multi-splitting parallèles asynchrones par des techniques d’ordre partiel, lié au principe du maximum discret, aussi bien dans le cadre linéaire que dans celui obtenu lorsque les déplacements de la structure sont soumis à des contraintes. Nous réalisons des simulations parallèles pour divers cas test fluide-structure sur différents clusters, en considérant des communications bloquantes et non bloquantes. Dans ce dernier cas nous avons eu à résoudre une difficulté d'implémentation dans la mesure où une erreur irrécupérable survenait lors de l'exécution ; cette difficulté a été levée par introduction d’une méthode assurant la terminaison de toutes les communications non bloquantes avant la mise à jour du maillage. Les performances des simulations parallèles sont présentées et analysées. Enfin, nous appliquons la méthodologie présentée précédemment à divers contextes d'interaction fluide-structure de type industriel sur des maillages non structurés, ce qui constitue une difficulté supplémentaire. / This thesis deals with the solution of fluid-structure interaction problems by an algorithm consisting in the coupling between two solvers: one for the fluid and one for the structure. In order to ensure the consistency between fluid and structure meshes, we also consider a discretization of each domain by finite volumes. Due to the difficulties of decomposing the domain into sub-domains, we consider a parallel multi-splitting algorithm for each environment which represents a unified presentation of sub-domain methods with or without overlapping. This method combines several contracting fixed point mappings and we show that, under appropriate assumptions, each fixed point mapping is contracting in finite dimensional spaces normalized by Hilbertian and non-Hilbertian norms. In addition, we show that such a study is valid for synchronous parallel solutions and more generally asynchronous of large linear systems arising from the discretization of fluidstructure interaction problems and can be extended to cases where the displacement of the structure is subject to constraints. Moreover, we can also consider the analysis of the convergence of these asynchronous parallel multi-splitting methods by partial ordering techniques, linked to the discrete maximum principle, both in the linear frame and in the one obtained when the structure's displacements are subjected to constraints. We carry out parallel simulations for various fluidstructure test cases on different clusters considering blocking and non-blocking communications. In the latter case, we had to solve an implementation problem due to the fact that an unrecoverable error occurred during execution; this issue has been overcome by introducing a method to ensure the termination of all non-blocking communications prior to the mesh update. Performances of parallel simulations are presented ans analyzed. Finally, we apply the methodology presented above to various fluid-structure interaction cases on unstructured meshes, which represents an additional difficulty.

Une méthode complètement Eulérienne reposant sur un modèle 1-fluide est présentée afinde résoudre les problèmes d’interaction fluide-structure élastique. L’interface entre le fluideet la structure élastique est représentée par une fonction level-set, transportée par le champde vitesse du fluide et résolue par un schéma d’ordre élevé WENO 5. Les déformationsélastiques sont calculées sur la grille eulérienne à l’aide des caractéristiques rétrogrades.Nous utilisons différents modèles d’hyperélasticité, afin de générer puis d’intégrer les forcesélastiques comme terme source des équations de Navier Stokes. Le couplage vitesse/pressionest résolu par une méthode de correction de pression et les équations sont discrétisées parla méthode des volumes finis sur la grille eulérienne. La principale difficulté réside dansles grands déplacements de fluide autour du solide, source d’instabilités numériques. Afind’éviter ces problèmes, nous effectuons périodiquement une redistanciation de la level-setet une extrapolation linéaire des caractéristiques rétrogrades. Dans un premier temps,nous effectuons la vérification et la validation de notre approche à l’aide de plusieurs castests comme celui proposé par Turek. Ensuite, nous appliquons notre méthode à l’étudedu phénomène d’atténuation des vagues par des structures élastiques. Il s’agit d’une desvoies possibles pour réduire l’impact des fortes houles sur notre littoral. De plus dans lalittérature et à notre connaissance, seules des structures élastiques rigides ou élastiquesmais monodimensionnelles ont été utilisées pour réaliser ces études. Nous proposons deplacer des structures élastiques sur les fonds marins et analysons leur capacité d’absorptionde l’énergie produite par les vagues. / A fully Eulerian method is developed to solve the problem of fluid-elastic structure interactionsbased on a 1-fluid method. The interface between the fluid and the elastic structureis captured by a level set function, advected by the fluid velocity and solved with a WENO5 scheme. The elastic deformations are computed in an Eulerian framework thanks to thebackward characteristics. We use the Neo Hookean or Mooney Rivlin hyperelastic modelsand the elastic forces are incorporated as a source term in the incompressible Navier-Stokesequations. The velocity/pressure coupling is solved with a pressure-correction methodand the equations are discretized by finite volume schemes on a Cartesian grid. The maindifficulty resides in that large deformations in the fluid cause numerical instabilities. Inorder to avoid these problems, we use a re-initialization process for the level set and linearextrapolation of the backward characteristics. First, we verify and validate our approachon several test cases, including the benchmark of FSI proposed by Turek. Next, we applythis method to study the wave damping phenomenon which is a mean to reduce thewaves impact on the coastline. So far, to our knowledge, only simulations with rigid orone dimensional elastic structure has been studied in the literature. We propose to placeelastic structures on the seabed and we analyse their capacity to absorb the wave energy

Cette thèse a pour objectif de modéliser le couplage fluide-structure pouvant survenir dans les faisceaux tubulaires des réacteurs nucléaires. Leurs simulations numériques directes étant hors de portée, on met en œuvre une approche multi-échelle: il s'agit de tirer profit du coût modeste d'une description macroscopique, et à la fois, de la précision des informations microscopiques. Vis-à-vis des modèles existants, le travail de développement se focalise sur la prise en compte de la convection dans le calcul des champs hydrodynamiques, mais surtout, sur la possibilité de restituer des réponses vibratoires variées au sein d'un même faisceau. L'homogénéisation aboutit à un système d'équations gouvernant les Interactions Fluide-Solide à une échelle macroscopique. Ces équations sont couplées par une source en quantité de mouvement, traduisant les charges hydrodynamiques exercées sur une structure donnée. Cette force à modéliser représente une loi de fermeture du problème homogénéisé, mettant en jeu des coefficients a priori inconnus. Une méthode d'estimation est proposée à partir des champs microscopiques obtenus par simulation directe sur un domaine réduit et représentatif du large système de référence. Les capacités prédictives du modèle homogénéisé sont évaluées en comparaison avec des données de référence, issues de calculs numériques directs microscopiques. Chaque système considéré présente une variété de réponses en déplacement que le modèle homogénéisé restitue avec un accord satisfaisant. Cette approche multi-échelle semble être un bon compromis entre le coût des réalisations numériques et la précision attendue des données vibratoires et hydrodynamiques. / Vibration of tubes arrays is a matter of safety assessments of nuclear reactor cores or steam generators. Such systems count up thousands of slender-bodies immersed in viscous flow, involving multi-physics mechanisms caused by nonlinear dynamic interactions between the fluid and the solid materials. Direct numerical simulations for predicting these phenomena could derive from continuum mechanics, but require expensive computing resources. Therefore, one alternative to the costly micro-scale simulations consists in describing the interstitial fluid dynamics at the same scale as the structures one. Such approach rely on homogenization techniques intended to model mechanics of multi-phase systems. Homogenization results in coupled governing equations for the fluid and solid dynamics, whose solution provides individual tubes displacements and average fluid fields for each periodic unit cell. An hydrodynamic force term arises from the formulation within this set of homogenized equations: it depends on the micro-scale flow in the vicinity of a given tube-wall, but needs to be estimated as a function of the macro-scale fields in order to close the homogenized problem. The fluid force estimation relies on numerical micro-scale solutions of fluid-solid interactions over a tube array of small size. The multi-scale model is assessed for arrays made up of hundreds tubes, and is compared with solutions coming from the numerical micro-scale simulations. The macro-scale solution reproduces with good agreement the averaged solution of the micro-scale simulation, indicating that the homogenization method and the hydrodynamic force closure are suitable for such tube array configurations.

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. / The recent development of terrorist threats increases the research effort of the french Atomic Energy Commission (CEA) and the French Electricity company (EDF) for the protection of citizens and facilities. Many scenarios should be considered as, for example, the fall of an airliner on a civil engineering structure. The dispersion of fuel in the structure, the formation of a fireball and associated thermal effects are essential elements of the problem. The use of numerical models is essential because experiences would be difficult to organize, costly and dangerous. The typical problem that we want to model is the impact of a tank filled with fluid, its rupture and the dispersion of its contents. It is a complex problem which involves a thin structure with a highly non-linear behavior up to rupture, a fluid with a free surface that can vary drastically and non permanent fluid-structure interactions. The use of traditional numerical methods to solve this kind of problems is difficult, mainly because they rely on a mesh. This complicates the management of large deformations, the modeling of moving interfaces and the introduction of discontinuities such as cracks. To overcome these problems, the meshfree method SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) was used to model both the fluid and the structure. This work, which is a continuation of previous research, has extended a model of SPH shell to the modeling of ruptures. An algorithm for managing fluid-structure interactions has also been adapted to the particular topology of shells. To reduce the important computational costs associated with this model, a coupling with the finite element method was also developed. It allows the use of SPH in areas of interest where the rupture is expected. Finally, tests performed by the french Aerospace Lab (ONERA) are studied to validate the method. This work helped to provide fast dynamic software Europlexus an original and effective tool for the simulation of the impact of thin structures interacting with fluid. A demonstrative calculation finally shows the relevance of the approach and its use within an industrial framework.

Le but de cette étude est d’étudier l’utilisation d’interactions fluide-structure (FSI) pour améliorer le transfert de chaleur et les performances de mélange dans des échangeurs-réacteurs multifonctionnels, et d’évaluer des configurations pour lesquelles l’objectif est de produire et de maintenir un régime dynamique auto-entretenu d’oscillations des générateurs de tourbillons flexibles. Dans un premier temps, deux études numériques ont été réalisées pour des écoulements laminaires bidimensionnels. Les résultats montrent qu’un minimum de trois générateurs de tourbillons alternés est nécessaire pour produire une instabilité qui engendre les oscillations de larges amplitudes. L’ajout de deux promoteurs coplanaires en amont déstabilise l’écoulement en créant des forces périodiques agissant sur les générateurs de tourbillons en aval. Il en résulte une augmentation de la vitesse réduite qui impose un blocage en fréquence des oscillations des générateurs de tourbillons en aval. Dans cette configuration, des oscillations de larges amplitudes sont obtenues pour uniquement deux générateurs de tourbillons en aval. Les oscillations des générateurs de tourbillons produisent une vorticité intense qui a une incidence positive que le transfert de chaleur et sur le mélange. Dans un second temps, une configuration tridimensionnelle HEV incluant des générateurs de tourbillons trapézoïdaux flexibles orientés a 45◦ vers l’amont est étudiée par simulations numériques. Une analyse FFT réalisée sur les coefficients issus d’une analyse POD montre un pic fréquentiel correspondant aux formations et lâchers tourbillonnaires périodiques. Cette fréquence dominante correspond bien au mode propre d’oscillation des générateurs de tourbillons et engendre ainsi de larges amplitudes d’oscillations. / The aim of this study is to investigate the use of fluid-structure interaction (FSI) to improve heat transfer and mixing performances in multi-functional heat exchangers/reactors, and to evaluate configuration designs where the main target is to produce and maintain self-sustained oscillations of flexible vortex generators. At first, two dimensional laminar flow studies are numerically investigated. The results show that a minimum of three alternating flaps is needed to produce an instability that leads to large displacement oscillations. However, the introduction of two co-planar flaps upstream destabilizes the flow by creating periodic forces that act on the alternating downstream flaps. Hence, this results in artificially increasing the reduced velocity that will induce the alternating flaps to be in a lock-in state. Thus in this case, large displacement amplitudes are created with two alternating flaps only. The free flaps oscillations produce vortices of higher strength which have a positive impact on heat transfer and mixing. Secondly, a three dimensional HEV configuration with flexible trapezoidal vortex generators inclined with an angle of 45◦ with respect to the wall and reversed opposite to the flow direction is numerically investigated. Fast Fourier Transformation is applied on the temporal variation of the Proper Orthogonal Decomposition (POD) coefficientswhich displays a dominant peak in the flow and corresponds to the vortices periodic formation and detachment. This dominant frequency synchronizes well with the structural oscillation frequency and the fundamental frequency of the tabs reaching a lock-in state and leading to large oscillation amplitudes.

La prédiction de mouvement de solide évoluant dans un fluide présente un réel intérêt pour des applications industrielles telle que l’accrétion de glace sur des surfaces aérodynamiques. Dans ce contexte, en considérant des systèmes de dégivrage, la prévision des trajectoire de glace est nécessaire pour éviter des risques de collision/ingestion de glace sur/dans des zones sensibles de l’avion. Ce type d’application soulève de nombreux challenges d’un point de vue numérique, en particulier concernant la génération/l’adaptation de maillage au cours du mouvement du solide dans le domaine. Pour gérer ces difficultés, dans cette étude, les solides sont définis de manière implicite via une fonction level set. Une méthode de type frontière immergée, appelée Pénalization, est utilisée pour imposer les conditions de bords. Pour améliorer la précision de l’interface, les équations sont résolues sur des maillages non structurés adaptatifs. Cela permet d’obtenir un raffinement proche des bords du solide et ainsi d’améliorer sa définition, permettant un meilleure impositions des conditions de bord. Pour économiser du temps de calcul, et éviter de coûteuses étapes de remaillage/interpolation, la stratégie adoptée pour les simulations instationnaires est d’utiliser une adaptation de maillage à connectivité constante, aussi appelée r-adaptation. / The prediction of solid motion evolving in a fluid presents a real interest for engineering application such as ice accretion on aerodynamics bodies.In this context, considering de-icing systems, the ice shedding trajectory is needed to prevent the risk of collision/ingestion of the ice in/with some sensitive part of the aircraft. This application raises many challenges from a numerical point of view, especially concerning mesh generation/adaptation as the solid moves in the computational domain. To handle this issue, in this work the solids are known implicitly on the mesh via a level set function. An immersed boundary method, called penalization, is employed to impose the wall boundary conditions. To improve the resolution of these boundaries, the equations are solved on adaptive unstructured grids. This allows to have are finement close to the solid boundary and thus increases the solid definition,leading to a more accurate imposition of the wall conditions. To save computational time, and avoid costly remeshing/interpolation steps, the strategy chosen for unsteady simulations is to use a constant connectivity mesh adaptation,also known as r-adaptation

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. / The human pulmonary airway system consists of the extrathoracic airways and the bronchial tree, which is divided into two sub-trees, the tracheobronchial tree and the acini. The tracheobronchial tree, which consists in conducting airways only, brings external air to the gas exchange units, the acini. We are focusing here on the tracheobronchial tree. First, we have developed a geometrical model of the tracheobronchial morphology: this model is an intermediate description between a too simplified model, which forgets some geometrical characteristics of the morphology that are determinant to understand the ventilation, and an exhaustive geometrical model, which is hardly usable. When this geometry has been built, we have developed two ventilation models, one at inspiration at rest and another at forced expiration. These models reproduce the ventilatory behavior of the tracheobronchial tree, as measured on the patients. Using these geometrical and physiological models, we have then studied the role of the branching asymmetry, which is an essential morphological characteristic of the tracheobronchial tree, on the ventilation. We have shown that there exists an optimal asymmetry level that permits to efficiently ventilate all the acini and to be robust with respect to the alterations of the bronchial structure. Interestingly, this asymmetry level corresponds to the measured human level. This can suggest that the asymmetry level could have been adapted throughout the evolution. At last, using the physiological models developed in this thesis, we have studied some pathological pulmonary models and reproduced the spirometric measurements of the patients. Moreover, we have started to simulate and to study images of the pulmonary ventilation and the particle deposition in the tracheobronchial tree. Such studies open perspectives concerning the understanding, the diagnosis and the possible treatments of the pulmonary pathologies.

Cette thèse fait partie du projet beyond the sea® qui a pour but de développer la traction par cerf-volant à boudins gonflés (kite) comme système de propulsion auxiliaire des navires. Comme le kite est une structure souple, il est nécessaire de mettre en place une boucle d’interaction fluide-structure pour calculer la géométrie du kite en vol et ses performances aérodynamiques. Un modèle de Ligne Portante 3D Non-Linéaire a été développé pour pouvoir gérer ces ailes non planes, avec des angles de dièdre et de flèche qui varient le long de l’envergure, et également pour pouvoir prendre en compte la non-linéarité du coefficient de portance de la section aérodynamique. Le modèle a été vérifié par des simulations RANSE sur différentes géométries et donne des résultats satisfaisants pour des angles d’incidence et de dérapage variant jusqu’à 15°, avec des différences relatives de quelques pour cent pour l’estimation de la portance globale de l’aile. Les résultats locaux sont aussi correctement estimés, le modèle est capable d’estimer la position du minimum et du maximum de chargement local, selon l’envergure de l’aile, et cela même pour une aile en dérapage. En parallèle, un modèle structure a été développé. L’idée principale du modèle Kite as a Beam est de réduire le kite à un ensemble d’éléments poutre, chacun équivalent à une partie du kite composé d’une section du boudin d’attaque, de deux lattes gonflées et de la canopée correspondante. Le modèle Kite as a Beam a été comparé à un modèle éléments finis complet du kite sur des cas de déplacements élémentaires. Les résultats montrent certaines différences de comportement entre les deux modèles, avec notamment une surestimation de la raideur en torsion pour le modèle Kite as a Beam. Finalement, le modèle Kite as a Beam a été couplé avec la Ligne Portante 3D Non-Linéaire, puis comparé au modèle éléments finis, couplé également avec la Ligne Portante. La réduction du temps de calcul est réellement importante mais les résultats de la comparaison montrent la nécessité de calibrer le modèle Kite as a Beam pour pouvoir retrouver correctement les résultats du modèle éléments finis. / The present thesis is part of the beyond the sea® project which aims to develop tethered kite systems as auxiliary devices for ship propulsion. As a kite is a flexible structure, fluid-structure interaction has to be taken into account to calculate the flying shape and aerodynamic performances of the wing. A 3D Non-Linear Lifting Line model has been developed to deal with non-straight kite wings, with dihedral and sweep angles variable along the span and take into account the non-linearity of the section lift coefficient. The model has been checked with 3D RANSE simulations over various geometries and produces satisfactory results for range of incidence and sideslip up to 15°, with typical relative differences of few percent for the overall lift. The local results are also correctly estimated, the model is able to predict the position of the minimum and maximum loading along the span, even for a wing in sideslip. Simultaneously, a structure model has been developed. The core idea of the Kite as a Beam model is to approximate a Leading Edge Inflatable kite by an assembly of beam elements, equivalent each to a part of the kite composed of a portion of the inflatable leading edge, two inflatable battens and the corresponding canopy. The Kite as a Beam model has been compared to a complete kite Finite Element model over elementary comparison cases. The results show the behaviour differences of the two models, for example the torsion stiffness is globally overestimated by the Kite as a Beam model. Eventually, the Kite as a Beam model coupled with the 3D Non-Linear Lifting Line model is compared to the complete finite element model coupled with the 3D Non-Linear Lifting Line model. The gain in computation time is really significant but the results show the necessity of model calibration if the Kite as a Beam model should be used to predict the results of the complete finite element model.