Parmi les différentes méthodes de résolution numérique de l'équation du transport des neutrons, la méthode des caractéristiques est actuellement l'une des plus employées pour les calculs industriels. Elle permet en effet d'obtenir un bon rapport entre précision et temps de calcul, tout en facilitant la description précise de géométries complexes grâce à un maillage non structuré. Afin de réduire la quantité de ressources requises par la méthode des caractéristiques, nous proposons dans ce mémoire deux axes d'amélioration. Le premier axe de travail est fondé sur une analyse de la technique d'intégration transverse dans la méthode des caractéristiques. Un certain nombre de limites ont été détectées à ce niveau, que nous nous proposons de corriger en proposant une variante de la méthode des caractéristiques. En traitant au mieux les discontinuités matérielles, l'objectif est d'accroître la précision de l'intégration transverse, en vue de réduire le temps de calcul sans sacrifier la qualité des résultats. L'analyse des résultats numériques fournis par cette nouvelle méthode permet d'en montrer l'intérêt, ainsi que de mieux quantifier les approximations dues à l'intégration transverse. Une autre amélioration découle de l'observation que la plupart des réacteurs en exploitation présentent des structures complexes, mais formées –au moins en partie– d'un réseau de cellules ou d'assemblages de géométries identiques. Nous proposons une méthode systématique issue de la théorie des groupes et permettant de tirer parti de ces répétitions. L'implémentation de cette technique permet de diminuer la quantité de ressources nécessaires pour stocker les informations relatives à la géométrie. Les résultats numériques en montrent l'intérêt dans un contexte industriel.

L'objectif de cette thèse est, d'une part l'analyse mathématique de la méthode de la frontière élargie (The Fat Boundary Method, F.B.M.), et d'autre part, son adaptation à la simulation numérique des écoulements fluides tridimensionnels incompressibles dans des géométries complexes (domaines perforés). Dans un premier temps, nous nous plaçons dans le cadre de problèmes elliptiques modèles de type Poisson ou Helmholtz posés dans un domaine perforé (typiquement un domaine parallélépipédique contenant des obstacles sphériques). En utilisant la F.B.M., le problème initial est remplacé par une résolution dans le domaine non perforé permettant l'utilisation d'un maillage cartésien, offrant ainsi un cadre approprié pour l'utilisation de solveurs rapides. Nous effectuons donc l'analyse mathématique de la F.B.M., notamment la convergence et l'estimation d'erreur dans ce cadre particulier. Les résultats théoriques ainsi obtenus sont également illustrés par des tests numériques. La deuxième partie est dédiée à l'application de ces outils pour la simulation numérique d'écoulements fluides incompressibles tridimensionnels. La stratégie adoptée consiste à discrétiser les équations de Navier-Stokes en combinant la F.B.M. (pour la discrétisation spatiale), un schéma de projection (pour la discrétisation temporelle) et la méthode des caractéristiques (pour le traitement du terme convectif). Nous présentons ainsi plusieurs simulations numériques tridimensionnelles correspondant aux écoulements fluides en présence d'obstacles fixes et mobiles (mouvements imposés).

L'objectif de ce travail de thèse est le développement d'une approximation polynomiale axiale dans un solveur basé sur la Méthode des Caractéristiques. Le contexte, est celui de la solution stationnaire de l'équation de transport des neutrons pour des systèmes critiques, et l'implémentation pratique a été réalisée dans le solveur "Two/three Dimensional Transport" (TDT), faisant partie du projet APOLLO3®. Un solveur MOC pour des géométries en trois dimensions a été implémenté dans ce code pendant un projet de thèse antécédent, se basant sur une approximation constante par morceaux du flux et des sources des neutrons. Les développements présentés dans la suite représentent la continuation naturelle de ce travail. Les solveurs MOC en trois dimensions sont capables de produire des résultats précis pour des géométries complexes. Bien que précis, le coût computationnel associé à ce type de solveur est très important. Une représentation polynomiale en direction axiale du flux angulaire des neutrons a été utilisée pour réduire ce coût computationnel.Le travail réalisé pendant cette thèse peut être considéré comme divisé en trois parties: transport, accélération et autres. La première partie est constituée par l'implémentation de l'approximation polynomiale choisie dans les équations de transmission et de bilan typiques de la Méthode des Caractéristiques. Cette partie a aussi été caractérisée par le calcul d'une série de coefficients numériques qui se sont révélés nécessaires afin d'obtenir un algorithme stable. Pendant la deuxième partie, on a modifié et implémenté la solution des équations de la méthode d'accélération DPN. Cette méthode était déjà utilisée pour l'accélération et des itérations internes et externes dans TDT pour les solveurs deux et trois dimensionnels avec l'approximation des flux plat, quand ce travail a commencé. L'introduction d'une approximation polynomiale a demandé plusieurs développements numériques regardant la méthode d'accélération. Dans la dernière partie de ce travail on a recherché des solutions pour un mélange de différents problèmes liés aux premières deux parties. En premier lieux, on a eu à faire avec des instabilités numériques associées à une discrétisation spatiale ou angulaire pas suffisamment précise, soit pour la partie transport que pour la partie d'accélération. Ensuite, on a essayé d'utiliser différentes méthodes pour réduire l'empreinte mémoire des coefficients d'accélération. L'approche qu'on a finalement choisie se base sur une régression non-linéaire au sens des moindres carrés de la dépendance en fonction des sections efficaces typique de ces coefficients. L'approche standard consiste dans le stockage d'une série de coefficients pour chaque groupe d'énergie. La méthode de régression permet de remplacer cette information avec une série de coefficients calculés pendant la régression qui sont utilisés pour reconstruire les matrices d'accélération au cours des itérations. Cette procédure ajoute un certain coût computationnel à la méthode, mais nous pensons que la réduction de la mémoire rende ce surcoût acceptable.En conclusion, le travail réalisé a été concentré sur l'application d'une simple approximation polynomiale avec l'objectif de réduire le coût computationnel et l'empreinte mémoire associées à un solveur basée sur la Méthodes des Caractéristiques qui est utilisé pour calculer le flux neutroniques pour des géométries à trois dimensions extrudées. Même si cela ne constitue pas une amélioration radicale des performances, l'approximation d'ordre supérieur qu'on a introduit permet une réduction en termes de mémoire et de temps de calcul d'un facteur compris entre 2 et 5, selon le cas. Nous pensons que ces résultats constitueront une base fertile pour des futures améliorations. / The purpose of this PhD is the implementation of an axial polynomial approximation in a three-dimensional Method Of Characteristics (MOC) based solver. The context of the work is the solution of the steady state Neutron Transport Equation for critical systems, and the practical implementation has been realized in the Two/three Dimensional Transport (TDT) solver, as a part of the APOLLO3® project. A three-dimensional MOC solver for 3D extruded geometries has been implemented in this code during a previous PhD project, relying on a piecewise constant approximation for the neutrons fluxes and sources. The developments presented in the following represent the natural continuation of this work. Three-dimensional neutron transport MOC solvers are able to produce accurate results for complex geometries. However accurate, the computational cost associated to this kind of solvers is very important. An axial polynomial representation of the neutron angular fluxes has been used to lighten this computational burden.The work realized during this PhD can be considered divided in three major parts: transport, acceleration and others. The first part is constituted by the implementation of the chosen polynomial approximation in the transmission and balance equations typical of the Method Of Characteristics. This part was also characterized by the computation of a set of numerical coefficients which revealed to be necessary in order to obtain a stable algorithm. During the second part, we modified and implemented the solution of the equations of the DPN synthetic acceleration. This method was already used for the acceleration of both inners and outers iteration in TDT for the two and three dimensional solvers at the beginning of this work. The introduction of a polynomial approximation required several equations manipulations and associated numerical developments. In the last part of this work we have looked for the solutions of a mixture of different issues associated to the first two parts. Firstly, we had to deal with some numerical instabilities associated to a poor numerical spatial or angular discretization, both for the transport and for the acceleration methods. Secondly, we tried different methods to reduce the memory footprint of the acceleration coefficients. The approach that we have eventually chosen relies on a non-linear least square fitting of the cross sections dependence of such coefficients. The default approach consists in storing one set of coefficients per each energy group. The fit method allows replacing this information with a set of coefficients computed during the regression procedure that are used to re-construct the acceleration matrices on-the-fly. This procedure of course adds some computational cost to the method, but we believe that the reduction in terms of memory makes it worth it.In conclusion, the work realized has focused on applying a simple polynomial approximation in order to reduce the computational cost and memory footprint associated to a Method Of Characteristics solver used to compute the neutron fluxes in three dimensional extruded geometries. Even if this does not a constitute a radical improvement, the high order approximation that we have introduced allows a reduction in terms of memory and computational times of a factor between 2 and 5, depending on the case. We think that these results will constitute a fertile base for further improvements.

<p align="justify">Une approche multidimensionelle pour la résolution numérique des équations d'Euler et de Navier-Stokes sur maillages non-structurés est proposée. Dans une première partie, un exposé complet des schémas de distribution, dits de "fluctuation-splitting" ,est décrit, comprenant une étude comparative des schémas décentrés, positifs et de 2ème ordre, pour résoudre l'équation de convection à coefficients constants, ainsi qu'une étude théorique et numérique de la précision des schémas sur maillages réguliers et distordus. L'extension à des lois de conservation non-linéaires est aussi abordée, et une attention particulière est portée au problème de la linéarisation conservative. Dans une deuxième partie, diverses discrétisations des termes visqueux pour l'équation de convection-diffusion sont développées, avec pour but de déterminer l'approche qui offre le meilleur compromis entre précision et coût. L'extension de la méthode aux systèmes des lois de conservation, et en particulier à celui des équations d'Euler de la dynamique des gaz, représente le noyau principal de la thèse, et est abordée dans la troisième partie. Contrairement aux schémas de distribution classiques, qui reposent sur une extension formelle du cas scalaire, l'approche développée ici repose sur une décomposition du résidu par élément en équations scalaires, modélisant le transport de variables caracteristiques. La difficulté vient du fait que les équations d'Euler instationnaires ne se diagonalisent pas, et admettent une infinité de solutions élémentaires (ondes simples) se propageant dans toutes les directions d'espace. En régime stationnaire, en revanche, les équations se diagonalisent complètement dans le cas des écoulements supersoniques, et partiellement dans le cas des écoulements subsoniques. Ainsi, les équations sous forme conservative peuvent être remplacées par un système équivalent comprenant deux équations totalement découplées, exprimant l'invariance de l'entropie et de l'enthalpie totale le long des lignes de courant, et deux autres équations, modélisant les effets purement acoustiques. En régime supersonique, celles-ci se découplent aussi, et expriment la convection le long des lignes de Mach d'invariants de Riemann généralisés. La discrétisation de ces équations par des schémas scalaires décentrés permet de simuler des écoulements continus et discontinus avec une grande précision et sans oscillations. Finalement, dans une dernière partie, l'extension aux équations de Navier-Stokes est abordée, et la discrétisation des termes visqueux par une approche éléments finis est proposée. Les résultats numériques confirment la précision et la robustesse de la méthode.</p>

Les premières étapes d’activation des lymphocytes T sont cruciales pour déterminer leur comportement, ainsi que leur prolifération. Ces étapes dépendent fortement des conditions initiales, particulièrement de l’avidité du récepteur du lymphocyte (TCR) pour le ligand spécifique provenant de l’antigène. La reconnaissance du virus entraine une séquence des réactions biochimiques mettant en œuvre de protéines membranaires et cellulaires. Le processus peut être mesuré par cytométrie en flux. On propose ici plusieurs modèles de différents niveaux de complexité. Ces modèles décrivent une relation entre la population de lymphocytes T et leurs composants intracellulaires et extracellulaires. Ils conduisent à des systèmes d’EDO et d’EDP dont la résolution permet d’étudier la dynamique de la densité de population des lymphocytes au cours du processus d'activation. En outre, différentes hypothèses sont proposées pour le processus d'activation des cellules filles après prolifération. Les équations de bilan de population (EBPs) sont résolues par une nouvelle méthode validée par une solution analytique quand elle existe, ou par comparaison à différentes méthodes numériques disponibles dans la littérature. L’avantage de cette nouvelle méthode est d’être utilisable dans certains cas où les méthodes classiques ne le sont pas. / The early steps of activation are crucial in deciding the fate of T-cells leading to the proliferation. These steps strongly depend on the initial conditions, especially the avidity of the T-cell receptor for the specific ligand and the concentration of this ligand. The recognition induces a rapid decrease of membrane TCR-CD3 complexes inside the T-cell, then the up-regulation of CD25 and then CD25–IL2 binding which down-regulates into the T-cell. This process can be monitored by flow cytometry technique. We propose several models based on the level of complexity by using population balance modeling technique to study the dynamics of T-cells population density during the activation process. These models provide us a relation between the population of T-cells with their intracellular and extracellular components. Moreover, the hypotheses are proposed for the activation process of daughter T-cells after proliferation. The corresponding population balance equations (PBEs) include reaction term (i.e. assimilated as growth term) and activation term (i.e. assimilated as nucleation term). Further the PBEs are solved by newly developed method that is validated against analytical method wherever possible and various approximate techniques available in the literature.

L'objectif de cette thèse est d'étudier un système modélisant l'évolution d'écoulements bi-fluides non miscibles dans un domaine borné, avec la perspective de mieux comprendre et de prédire le comportement de bulles dans les c{\oe}urs de réacteurs nucléaires. Ce système, appelé DLMN, est construit à partir des équations de Navier-Stokes sous l'hypothèse d'un nombre de Mach très faible. Dans le cadre d'études préliminaires, on établit des résultats d'existence et d'unicité de solutions pour des données initiales régulières (de type Sobolev) et pour différents systèmes d'équations aux dérivées partielles non-linéaires couplant équations hyperboliques, paraboliques et elliptiques. En particulier, dans le cas du modèle abstrait de vibration de bulles (ABV), on établit un certain nombre de propriétés vérifiées par les solutions, lesquelles sont explicitées en dimension $1$. On s'attache ensuite à simuler ces solutions, en utilisant des schémas adaptés à la régularité des données. Pour le cas des données régulières, on construit un schéma d'ordre $2$ inconditionnellement stable et basé sur la méthode des caractéristiques. En revanche, en présence de discontinuités, on associe un schéma non diffusif à un algorithme de raffinement adaptatif de maillages.

Un certain nombre d'applications électrostatiques, notamment les dépoussiéreurs électrostatiques, mettent en oeuvre le phénomène de décharge couronne dans les gaz à partir d'électrodes ayant une forte courbure. Ces électrodes injectent des charges dans le gaz et la charge d'espace qui en résulte modifie la distribution du champ électrique. Le but de notre travail a été de développer un code numérique pour déterminer les distributions de champ électrique et de densité de charge dans la configuration lame-plan, la création de charge se faisant par effet couronne sur le bord de la lame. <br />Nous utilisons la méthode des éléments finis MEF pour résoudre l'équation de Poisson et la méthode des caractéristiques MC pour résoudre l'équation de conservation de la charge. Les deux équations couplées sont résolues par approximations successives en redéfinissant le maillage structuré à chaque itération pour éliminer la diffusion numérique. La redéfinition du maillage structuré est la partie la plus importante du travail. L'algorithme converge bien pour différentes distributions de la charge définies sur la lame injectrice. Les solutions numériques obtenues pour une loi d'injection imposée sur la lame plate donnent des résultats en très bon accord avec les mesures de densité de courant sur l'électrode plane d'un dispositif lame-plan.

Ce travail présente une étude théorique et expérimentale portant sur le concept de Moteur Hybride Pneumatique ( MHP). En première approche, un modèle 0D d'un MHP monocylindre, incluant un sous-modèle cinématique original pour l'actuateur entièrement variable muant la soupape de charge, est présenté puis exploité. La modélisation 1D de la dynamique des gaz dans chaque tubulure est traitée, incluant différents modèles de Condition Limite de Soupape (CLS), basées sur la méthode des caractéristiques et issues de la littérature. Il est montré que ces CLS ne sont pas adaptées à la modélisation d'un MHP : existence de chocs numériques, problème de non-convergence et mise en défaut face à des relevés expérimentaux. Un modèle original de CLS, évitant ces problèmes et demeurant basé sur la méthode des caractéristiques, est alors développé puis validé expérimentalement à la foi sur bancs d'essais moteurs et de dynamique des gaz à la soupape. Une étude expérimentale des échanges de chaleur convectifs, en mode pneumatique et sans combustion, est conduite et débouche alors sur une modification nécessaire de la corrélation standard de Woschni, afin de correctement décrire l'extinction du mouvement de tumble en fin de course de compression. Une exploitation de la plate-forme de simulation 1D de MHP monocylindre, incluant l'ensemble des éléments développés, est finalement conduite afin de déterminer les phasages optimums d'ouverture et de fermeture de la soupape de charge, pour différents mode et conditions opératoires. Cette étude, nécessaire à de futures simulations de cycles routier, confirme d'une part, la viabilité du concept et d'autre part, montre l'importance que revêt la prise en compte de la cinématique de l'actuateur soupape et de la dynamique des gaz dans la tubulure de charge.

La première préoccupation de cette thèse est le problème de deux fluides ou un fluide à deux phases, c’est-à-dire que nous nous sommes intéressés à la simulation d’écoulements impliquant deux ou plusieurs fluides visqueux incompressibles immiscibles de propriétés mécaniques et rhéologiques différentes. Dans ce contexte, nous avons considéré que l’interface mobile entre les deux fluides est représentée par la ligne de niveau zéro d’une fonction ligne de niveau et régie par l’équation d’advection, où le champ advectant est la solution des équations de Navier-Stokes. La plupart des méthodes de capture d’interface utilisent une grille cartésienne fixe au cours de la simulation. Contrairement à ces approches, la nôtre est fortement basée sur l’adaptation de maillage, notamment au voisinage de l’interface. Cette adaptation de maillage permet une représentation précise de l’interface, à l’aide de ses propriétés géométriques, avec un nombre de degrés de liberté minimal.La résolution d'un problème à deux fluides est résumée par les étapes suivantes:- Résoudre les équations de Navier-Stokes par la méthode de Lagrange-Galerkin d’ordre 1;- Traitement géométrique la tension de surface se basant sur la discrétisation explicite de l'interface dans le domaine de calcul;- Résoudre l'équation d’advection par la méthode des caractéristiques;- Les techniques de l'adaptation de maillage.On propose ici un schéma entre l’advection de l’interface, la résolution des équations de Navier-Stokes et l’adaptation de maillage. Certains résultats des exemples classiques pour les deux problèmes de monofluide et bifluide comme la cavité entrainée, la rémontée d’une bulle, la coalescence de deux bulles et les instabilités Rayleigh-Taylor sont étudiés en deux et trois dimensions.La deuxième partie de cette thèse est liée à l'optimisation des formes en mécanique des fluides. Nous construisons un schéma numérique en utilisant la méthode des lignes de niveau et l’adaptation de maillage dans le contexte des systèmes de Stokes. Le calcul de la sensibilité de la fonction objective est liée à la méthode de variation des limites d’Hadamard et les dérivées des formes sont calculées par la méthode de Céa. Un exemple numérique avec la fonction objective de la dissipation d'énergie est présenté pour évaluer l'efficacité et la fiabilité du schéma proposé. / The first concern of this thesis is the problem of two fluids flow or two-phase flow, i.e weare interested in the simulation of the evolution of an interface (or a free surface) between twoimmiscible viscous fluids or two phases of a fluid. We propose a general scheme for solving two fluids flow or two-phase flow which takes advantage of the flexibility of the level set method for capturing evolution of the interfaces, including topological changes. Unlike similar approaches that solve the flow problem and the transport equation related to the evolution of the interface on Cartesian grids, our approach relies on an adaptive unstructured mesh to carry out these computations and enjoys an exact and accurate description of the interface. The explicit representation of the manifold separating the two fluids will be extracted to compute approximately the surface tension as well as some algebraic quantities like the normal vector and the curvature at the interface.In a nutshell, the resolution of a two-fluid problem is summarized by the steps involves thefollowing ingredients:– solving incompressible Navier-Stokes equations by the first order Lagrange-Galerkin method;– geometrical treatment to evaluate the surface tension basing on the explicit discretisation of the interface;– solving the level set advection by method of characteristics; – the techniques of mesh adaptation.It is obvious that no numerical method is completely exact in solving the PDE problemat hand, hence, we need a discretized computational domain. However, the accuracy of numericalsolutions or the mass loss/gain can generally be improved with mesh refinement. The question thatarises is related to where and how to refine the mesh. At each time, our mesh adaptation producesthe adapted mesh based on the geometric properties of the interface and the physical properties ofthe fluid, simply speaking, only one adapted mesh at each time step to assume both the resolutionof Navier-Stokes and the advection equations. It answers to the need for an accurate representationof the interface and an accurate approximation of the velocity of fluids with a minimal number ofelements, then decreasing the amount of computational time. Some results of the classical examples for both problems of monofluid and bifluid flows as : lid-driven cavity, rising bubble, coalescence of two bubbles, and Rayleigh-Taylor instability are investigated in two and three dimensions.The second part of this thesis is related to shape optimization in fluid mechanics. We construct a numerical scheme using level set method and mesh adaptation in the context of Stokes systems. The computation of the sensitivity of objective function is related to the Hadamard’s boundary variation method and the shape derivatives is computed by Céa’s formal method. A numerical example with theobjective function of energy dissipation is presented to assess the efficiency and the reliability of theproposed scheme.

Ce travail présente une étude théorique et expérimentale portant sur le concept de Moteur Hybride Pneumatique ( MHP). En première approche, un modèle 0D d’un MHP monocylindre, incluant un sous-modèle cinématique original pour l’actuateur entièrement variable muant la soupape de charge, est présenté puis exploité. La modélisation 1D de la dynamique des gaz dans chaque tubulure est traitée, incluant différents modèles de Condition Limite de Soupape (CLS), basées sur la méthode des caractéristiques et issues de la littérature. Il est montré que ces CLS ne sont pas adaptées à la modélisation d’un MHP : existence de chocs numériques, problème de non-convergence et mise en défaut face à des relevés expérimentaux. Un modèle original de CLS, évitant ces problèmes et demeurant basé sur la méthode des caractéristiques, est alors développé puis validé expérimentalement à la foi sur bancs d’essais moteurs et de dynamique des gaz à la soupape. Une étude expérimentale des échanges de chaleur convectifs, en mode pneumatique et sans combustion, est conduite et débouche alors sur une modification nécessaire de la corrélation standard de Woschni, afin de correctement décrire l’extinction du mouvement de tumble en fin de course de compression. Une exploitation de la plate-forme de simulation 1D de MHP monocylindre, incluant l’ensemble des éléments développés, est finalement conduite afin de déterminer les phasages optimums d’ouverture et de fermeture de la soupape de charge, pour différents mode et conditions opératoires. Cette étude, nécessaire à de futures simulations de cycles routier, confirme d’une part, la viabilité du concept et d’autre part, montre l’importance que revêt la prise en compte de la cinématique de l’actuateur soupape et de la dynamique des gaz dans la tubulure de charge. / This work presents an experimental and theoretical study on the concept of Pneumatic Hybrid Engine (PHE). In a first approach, a 0D model of a single cylinder PHE, including an original kinematic sub-model of the fully variable actuator that moves the charging valve, is presented and exploited. Then, the 1D modelling of the gaz dynamics inside each pipes is treated, including several valve boundary conditions (VBC), based on the method of characteristics and issued from literature. It is shown that these VBC are not suitable for a PHE modelling : numerical shocks, non-convergence and contraticted when compared to measurements. An original VBC, avoiding these problems and still based on the method of characteristics, is then developed and experimentally validated on both engine and valve gas dynamics tests benches. An experimental study on the convective heat transfer, in pneumatic mode without combustion, is conducted and leads to a necessary modification of the standard Woschni correlation in order to correctly describe the decay of the tumble motion near the end of the compression stroke. The 1D simulation platform, including all components developed, has finally been conducted in order to determine the optimum timings for the charging valve opening and closing, for different modes and operating conditions. This study, necessary for future driving cycle simulations, first confirms the viability of the PHE concept and second, shows the importance of taking into account the kinematic capability of the charing valve actuator and the gas dynamics inside the charging pipe.