This work aims to enhance fundamental and practical understanding of pre-chamber (PC) combustion engines, using computational fluid dynamics (CFD) simulations conducted with the software CONVERGE employing the Reynolds-averaged Navier-Stokes turbulence closure and the well-stirred reactor combustion model for methane oxidation. First, to help the design of the KAUST pre-chamber, the simulations were conducted to assess the impact of design parameters such as throat and nozzle diameters, and nozzle length in a passively operated pre-chamber at lean conditions. The geometrical parameters showed to affect the pre-chamber combustion characteristics, such as pressure build-up, radical formation, heat release, and the composition of the jets penetrating and igniting the main chamber charge. It was found that the narrow-throat pre-chamber is strongly influenced by the throat diameter, but weakly influenced by nozzle length. A flow reversal pattern was observed, promoting the accumulation of intermediate species in the PC, leading to a secondary heat release. Subsequently, the validation of the actively fueled pre-chamber systems was assessed under different fueling strategy and validated against experimental data. The last chapter analyzes the impact of enrichment and stratification of the pre-chamber on the main chamber combustion. An open-cycle simulation was conducted to describe the full interaction between both chambers. The influence of fuel enrichment in the PC was compared to the passive mode operation and found to greatly impact in the overall system performance. It was found that the excessively rich PC does not yield the optimal results; instead, a pre-chamber with stoichiometric composition at spark timing does. Although the fuel distribution inside the PC was not homogeneous, the active control of the PC was shown to enable a command of the pressure response. It was found that the upstream flame propagation forces part of the PC mixture to leak to the main chamber, creating localized fuel rich regions, which enhances the combustion of the MC charge. The overall MC combustion is found to be complex, influenced by the turbulent mixing and local cooling, and possibly local quenching events. The detailed interaction of mixing and combustion in the MC is not fully understood and is subject of future studies.

Le degré de pénétration du marché des appareils intelligents tels que les smartphones et les tablettes avec les technologies de communication embarquées comme le WiFi, 3G et LTE a explosé en moins d'une décennie. En complément de cette tendance technologique, les appli- cations des réseaux sociaux ont virtuellement connecté une grande partie de la population, en génèrant une demande de trafic de données croissant vers et depuis l'infrastructure de com- munication. Les communications pervasive ont aussi acquis une importance dans l'industrie automobile. L'émergence d' une gamme impressionnante d' appareils intelligents dans les véhicules permettant services tels que assistance au conducteur, infotainment, suivi à dis- tance du vehicule, et connectivité àux réseaux sociaux même en déplacement. La demande exponentielle de connectivité a encore défié les fournisseurs de services de télécommunications pour répondre aux attentes des utilisateurs du réseau à grande vitesse. L'objectif de cette thèse est de modéliser et comprendre la mobilité dynamique des utilisateurs à grande vitesse et leurs effets sur les architectures de réseau sans fil. Compte tenu de l' importance du développement de notre étude sur une représentation réal- iste de la mobilité des véhicules, nous étudions tout d'abord les approches les plus populaires pour la génération de trafic routier synthétique et discutons les caractéristiques des ensem- bles de données accessibles au public qui decrivent des mobilités véhiculaires. En utilisant l'information des déplacements de la population dans une région métropolitaine, les données du réseau routier détaillées et des modèles réalistes de conduite microscopiques, nous pro- posons un jeux de données de mobilité véhiculaire original qui redéfinit l'état de l'art et qui replie la circulation routière de facon realiste dans le temps et dans l'espace. Nous étudions ensuite l'impact des dynamiques de mobilité du point de vue de la couverture cellulaire en présence d'un déploiement réel des stations de base. En outre, en examinant les effets de la mobilité des véhicules sur les réseaux autonomes, nous voyons des possibilités pour les futurs paradigmes de réseaux hétérogènes. Motivés par l'évolution dynamique dans le temps de la mobilité des véhicules observée dans notre jeux de données, nous proposons également une approche en ligne pour prédire les flux de trafic macroscopiques. Nous analysons les paramètres affectant la prédiction de la mobilité en milieu urbain. Nous dévoilons quand et où la gestion des ressources réseau est plus crucial pour accueillir le trafic généré par les utilisateurs à bord. Ces études dévoilent des multiples opportunités de gestion intelligente des transports, soit pour construire de nouvelles routes, soit pour l'installation de bornes de recharge électriques, ou pour la conception de systèmes de feux de circulation intelligents, contribuant ainsi à la planification urbaine.

Ce travail concerne une étude numérique d’écoulements incompressiblesanisothermes dans une cavité. Dans un premier temps, nous procédons à une modélisation destransferts de chaleur dans une paroi dont l’une de ses faces est recouverte d’une couche dematériau à changement de phase (MCP) de faible épaisseur. Cette modélisation est basée surune condition aux limites de type Signorini. Les équations de transfert sont résolues par uneprocédure itérative spécifique. Cette procédure est ensuite appliquée aux transferts dans unecavité différentiellement chauffée dont l’une des parois est recouverte d’une couche de MCPde faible épaisseur. Les équations qui régissent les transferts d’air sont résolues par uneméthode semi-implicite aux différences finies de second ordre et l’algorithme de projection.Nous validons la procédure en l’appliquant à la cavité entrainée, la marche descendante,l’écoulement autour d’un barreau de section carrée et la convection naturelle dans une cavitédifférentiellement chauffée. Dans un deuxième temps, une étude d’écoulements turbulentsincompressibles dans une cavité ventilée a été effectuée en utilisant un solveur de hauteprécision parallèle développée au LAMPS. Les équations de transfert sont résolues par unschéma compact aux différences finies et l’algorithme de projection. Il est montré notammentque le flux de chaleur appliqué à la paroi inférieure de la cavité influence considérablement lastructure de l’écoulement et les transferts de chaleur ainsi que les champs moyens etfluctuants de la vitesse et de la température. / The aim of this work is about a numerical study of anisothermal incompressible flowsconfined in a cavity. We perform a modeling of heat transfer in a wall where one of its faces iscovered with a thin layer of phase change material (PCM). This modeling is based on aSignorini boundary condition. The transfer equations are solved by a specific iterativeprocedure. This procedure is then applied to a differentially heated cavity, one of the walls ofwhich is covered with a thin layer of PCM. The transfer equations are solved by a semi-implicit method with finite second order differences and the projection algorithm. We validatethe procedure by applying it to the lid-driven cavity, downward motion, flow around a squaresection bar and natural convection in a differentially heated cavity. In a second step, the studyof incompressible turbulent flows in a ventilated cavity was carried out using a parallel highprecision solver developed at LAMPS. The transfer equations are solved by a finite differencecompact scheme and the projection algorithm. It is shown in particular that the heat flowapplied to the lower wall of the cavity greatly influences the structure of the flow and the heattransfers, as well as the mean and fluctuating fields of velocity and temperature.

<div>The design of advanced integrated circuits (ICs) and systems calls for multiphysics and large-scale modeling and simulation methods. On the one hand, novel devices and materials are emerging in next-generation IC technology, which requires multiphysics modeling and simulation. On the other hand, the ever-increasing complexity of ICs requires more efficient numerical solvers.</div><div><br></div><div>In this work, we propose a multiphysics modeling and simulation algorithm to co-simulate Maxwell's equations, dispersion relation of materials, and Boltzmann equation to characterize emerging new devices in IC technology such as Cu-Graphene (Cu-G) hybrid nano-interconnects. We also develop an unconditionally stable time marching scheme to remove the dependence of time step on space step for an efficient simulation of the multiscaled and multiphysics system. Extensive numerical experiments and comparisons with measurements have validated the accuracy and efficiency of the proposed algorithm. Compared to simplified steady-state-models based analysis, a significant difference is observed when the frequency is high or/and the dimension of the Cu-G structure is small, which necessitates our proposed multiphysics modeling and simulation for the design of advanced Cu-G interconnects. </div><div><br></div><div>To address the large-scale simulation challenge, we develop a new split-field domain-decomposition algorithm amenable for parallelization for solving Maxwell’s equations, which minimizes the communication between subdomains, while having a fast convergence of the global solution. Meanwhile, the algorithm is unconditionally stable in time domain. In this algorithm, unlike prevailing domain decomposition methods that treat the interface unknown as a whole and let it be shared across subdomains, we partition the interface unknown into multiple components, and solve each of them from one subdomain. In this way, we transform the original coupled system to fully decoupled subsystems to solve. Only one addition (communication) of the interface unknown needs to be performed after the computation in each subdomain is finished at each time step. More importantly, the algorithm has a fast convergence and permits the use of a large time step irrespective of space step. Numerical experiments on large-scale on-chip and package layout analysis have demonstrated the capability of the new domain decomposition algorithm. </div><div><br></div><div>To tackle the challenge of efficient simulation of irregular structures, in the last part of the thesis, we develop a method for the stability analysis of unsymmetrical numerical systems in time domain. An unsymmetrical system is traditionally avoided in numerical formulation since a traditional explicit simulation is absolutely unstable, and how to control the stability is unknown. However, an unsymmetrical system is frequently encountered in modeling and simulating of unstructured meshes and nonreciprocal electromagnetic and circuit devices. In our method, we reduce stability analysis of a large system into the analysis of dissembled single element, therefore provides a feasible way to control the stability of large-scale systems regardless of whether the system is symmetrical or unsymmetrical. We then apply the proposed method to prove and control the stability of an unsymmetrical matrix-free method that solves Maxwell’s equations in general unstructured meshes while not requiring a matrix solution.<br></div><div><br></div>