Suivant le domaine où on les sollicite, les solutions d’un système de contraintes géométriques (SCG) peuvent être : – formelles et exactes : elles prennent par exemple la forme d’un plan de construction produisant toutes les solutions, obtenu en appliquant des règles dérivées de lemmes de géométrie. Beaucoup de SCG, surtout en 3D, résistent à cette approche ; – numériques et approchées : elles sont les solutions d’un système d’équations construit à partir des contraintes et trouvées grâce à des méthodes numériques efficaces quand elles ne recherchent qu’une solution. De par la nature des problèmes traités, chercher toutes les solutions conduit à une complexité exponentielle. Les méthodes par continuation, ou homotopie, permettent d’obtenir toutes les solutions d’un système d’équations polynomiales. Leur application à des SCG est coûteuse et difficilement sujette aux raisonnements permis par l’origine géométrique du problème car elles opèrent hors de l’espace des figures géométriques. Notre travail a pour objet la spécialisation d’une méthode par continuation à des SCG. La géométrie simplifie et justifie sa mise en œuvre dans l’espace des figures, ou des raisonnements géométriques sont possibles. On aborde également les cas ou l’ensemble de solutions d’un problème contient des éléments isolés et des continuums. Des solutions proches d’une esquisse fournie par un utilisateur sont d’abord trouvées. La recherche d’autres solutions, malgré sa complexité exponentielle, est rendue envisageable par une approche itérative. Une nouvelle méthode de décomposition est proposée pour maîtriser le coût de la résolution. / Depending on the required application field, the solutions of a geometric constraints system (GCS) are either : – symbolic and exact such as construction plans, providing all the solutions, obtained by applying geometric rules. Many problems, mostly in a 3D context, resist to this approach ; – or numerical and approximated : they are the solutions of a system of equations built from the constraints, provided by generical numerical methods that are efficient when only one solution is sought. However, searching all the solutions leads to an exponential computation cost, due to the nature of problems. Continuation methods, also called homotopic methods, find all the solutions of a polynomial system. Using them to solve systems of equations associated to systems of constraints is nevertheless costly. Moreover, combining them with geometric reasoning is a challenge, because they act in a projective complex space and not in the realizations space. The aim of this work is to specialize a continuation method to GCS. Geometry is exploited to simplify and justify its adaptation in the space of realizations, so allowing geometric reasoning. Cases where the connected components of the solution space of a problem have heterogeneous dimensions are addressed. The method discussed here provides in a first step solutions that are similar to a sketch drawn by the user. Then a procedure is proposed to search new solutions. Its iterative nature seems to make the exponential complexity of this task bearable. A new decomposition method is proposed, that restrains the resolution cost.

L’obtention, dans des conditions douces, sélectives et de chimie durable de molécules ciblées est aujourd’hui un enjeu majeur. Les métalloenzymesartificielles représentent une voie d’investigation importante, car en jouant, par exemple, sur la seconde sphère de coordination,il est possible de modifier fortement la réactivité de ces systèmes bio-inspirés. Le développement de cette chimie suppose une connaissanceapprofondie des différentes étapes du mécanisme de la réaction envisagée. Pour cela, la chimie théorique est essentielle à la rationalisation dela réactivité chimique mais elle souffre encore de nombreuses insuffisances pour les systèmes que nous nous proposons d’étudier.Dans ce travail, nous avons choisi d’étudier la superoxyde réductase, enzyme détoxifiante du radical superoxyde. Si de nombreuses expérimentalessont disponibles détaillant certains intermédiaires, le mécanisme précis est peu documenté. Le but a été de mettre en place uneméthodologie complète allant du développement de paramètres MM spécifiques à l’étude de la réactivité par métadynamiques QM/MM.Le développement de paramètres MM pour le site actif à fer a permis son étude en dynamique MM donnant des informations sur la conformationsdu squelette peptidique ainsi que l’interaction avec les molécules de solvant. De part la nature du fer, une description QM du site actifà été nécessaire via l’utilisation de DFT hybride. Les métadynamiques QM/MM ont permis quant à elles d’explorer les chemins réactionnelset de caractériser les espèces ainsi formées et les énergies d’activations.Cette méthodologie a permis la compréhension en premier lieu de la réactivité native de la forme sauvage et elle a aussi permis d’explorer lesréactivités nouvelles des mutations de la SOR permettant ainsi de définir le rôle crucial de la seconde sphère de coordination. / Obtaining targeted molecules under gentle, selective and sustainable conditions is still a major challenge. Artificial metalloenzymes are animportant line of enquiry, because by playing, for example, with the second sphere of coordination, it is possible to strongly modify thereactivity of these bio-inspired systems. The development of this chemistry presupposes a thorough knowledge of the different stages of themechanism of the reaction under study. For this reason, theoretical chemistry is essential to rationalize chemical reactivity, but it still suffersfrom many shortcomings for the systems we propose to study.In this work, we study the superoxide reductase, a detoxifying enzyme of the superoxide radical. While many experiments are available detailingsome intermediates, the precise mechanism is not well documented. The aim was to implement a complete methodology ranging from thedevelopment of specific MM parameters to the study of reactivity by QM/MM metadynamics.The development of MM parameters for the iron active site allowed its study by MM dynamics giving informations on the conformation ofthe peptide backbone as well as on the interaction with solvent molecules. Due to the nature of the iron, a QM description of the active sitewas required using hybrid DFT. QM/MM metadynamics have allowed us to explore reaction pathways and to characterize the compoundsformed to obtain the needed activation energies. This methodology made it possible to understand the native reactivity of the wild form ofthe SOR, but also to explore the new reactivity of the mutations of the SOR and thus to define the crucial role of the second coordination sphere.

Les problématiques de sécurité sont aujourd’hui un facteur différentiateur clé dans le secteur aéronautique. Bien que certains systèmes d’assistance aux hélicoptères existent et qu’une partie de la connaissance associée aux situations d’urgence ait pu être identifiée, reste que les travaux antérieurs se limitent pour la plupart à une autonomie de bas niveau. Ainsi la génération d’un plan de vol sous fortes contraintes de temps représente à ce jour une voie d’exploration nouvelle, et un défi technologique essentiel pour l’hélicoptère de demain. A cet égard, AIRBUS HELICOPTERS accorde un fort intérêt à la conception d’un système décisionnel capable de générer des plans de vols en temps réel. L’enjeu de l’intelligence répartie au travers de systèmes décisionnels distribués constitue un axe de recherche fort, et un des contributeurs clés pour un positionnement leader d’AIRBUS HELICOPTERS sur la thématique sécurité. Aujourd’hui, l’étude des systèmes décisionnels embarqués dans les engins volants constitue un défi majeur pour divers groupes de travail académiques et industriels. En effet, la résolution de ce défi fait appel généralement à différentes compétences afin de maîtriser plusieurs aspects du système recouvrant les domaines d’acquisition, d’analyse et de traitement de données. Et ce dans le but de prendre des décisions en temps-réel en prenant en considération plusieurs paramètres contextuels et environnementaux. Les défis scientifiques à contourner dans la présente thèse s’articulent sur deux axes majeurs. Dans un premier temps, il faut proposer une approche complète pour une planification en temps réel d’un plan de vol d’hélicoptères. Permettant à cette dernière de faire face à d’éventuels événements dynamiques tel que l’apparition de nouveaux obstacles ou un changement de mission. Ensuite, nous nous intéressons à une implantation embarquée de la solution proposée sur une architecture hétérogène haute performance. / Security issues are today a key-differentiator in the aviation sector. Indeed, it comes to ensure the safety of expensive equipments but above all to save human lives. In this context, it is necessary to offer an important level of autonomy to helicopters. Although some studies have been carried out in this area, the dynamic generation of a sequence of maneuvers under hard time constraints in an unknown environment still represents a major challenge for many academic and industrial working groups. AIRBUS HELICOPTERS as a leader of helicopters manufacturing, looks forward to integrate an assistance system for mission re-planning in the next generation of aircrafts.The work conducted in this PhD thesis falls within a collaboration between AIRBUS HELICOPTERS and UNIVERSITE DE VALENCIENNES ET DU HAINAUTCAMBRESIS. One of the main purposes of this work is efficient flight plan generation. Indeed, for intelligent assistant systems we need to generate a new path planning inorder to face emergency events such as an equipment failure or adverse weather conditions. The second major objective of this work is the deployment of mission planning tasks onto a high performance architecture CPU/FPGA in order to meet real-time requirements for the dynamic optimization process. In the present work, we first studied efficient flight plan generation. Indeed, we developed efficient and effective algorithms for helicopter path planning. Then, in order to obtain a real-time system, we resolved the problem of scheduling optimization on a heterogeneous architecture CPU / FPGA by proposing several scheduling methods including exact approaches and heuristics.

Les méthodes hybrides Moments/PDF sont bien adaptées pour la description des écoulements diphasiques turbulents, polydispersés, hors équilibre thermodynamique. Ces méthodes permettent d'avoir une description assez fine de la polydispersion, de la convection et des termes sources non-linéaires. Cependant, les approximations issues de telles simulations sont bruitées ce qui, dans certaines situations, occasionne un biais. L'approche alternative étudiée dans ce travail consiste à coupler une description Eulerienne des moments avec une description stochastique Lagrangienne à l'intérieur de la phase dispersée, permettant de réduire l'erreur statistique et d'éliminer le biais. La mise en oeuvre de cette méthode nécessite le développement de schémas numériques robustes. Les approches proposées sont basées sur l'utilisation simultanée des techniques de relaxation et de décentrement, et permettent d'obtenir des approximations stables des solutions instationnaires du système d'équations aux dérivées partielles, avec des données peu régulières provenant du couplage avec le modèle stochastique. Une comparaison des résultats de la méthode hybride Moments-Moments/PDF avec ceux issus de la méthode hybride "classique'' est présentée en termes d'analyse des erreurs numériques sur un cas de jet co-courant gaz-particules. / Hybrid Moments/PDF methods have shown to be well suitable for the description of polydispersed turbulent two-phase flows in non-equilibrium which are encountered in some industrial situations involving chemical reactions, combustion or sprays. hey allow to obtain a fine enough physical description of the polydispersity, non-linear source terms and convection phenomena. However, their approximations are noised with the statistical error, which in several situations may be a source of a bias. An alternative hybrid Moments-Moments/PDF approach examined in this work consists in coupling the Moments and the PDF descriptions, within the description of the dispersed phase itself. This hybrid method could reduce the statistical error and remove the bias. However, such a coupling is not straightforward in practice and requires the development of accurate and stable numerical schemes. The approaches introduced in this work rely on the combined use of the upwinding and relaxation-type techniques. They allow to obtain stable unsteady approximations for a system of partial differential equations containing non-smooth external data which are provided by the PDF part of the model. A comparison of the results obtained using the present method with those of the ``classical'' hybrid approach is presented in terms of the numerical errors for a case of a co-current gas-particle wall jet.

La thèse a pour but de développer une méthodologie de calcul instationnaire permettant une étude qualitative et quantitative de l’aérodynamique externe d’une automobile. La première partie de l’étude est consacrée au développement de la méthodologie numérique sur les différents corps d’Ahmed à 25°, géométries simplifiées d’une automobile réelle, afin de valider les choix stratégiques de maillages et de méthodes numériques ainsi que s’assurer de la bonne résolution de l’écoulement. Les résultats numériques sont comparés aux données expérimentales obtenues au cours d’essais réalisés à la soufflerie La Ferté Vidame lors de travaux de thèse précédents. A l’issue de ce travail, la méthode hybride Delayed Detached Eddy Simulation Shear-Stress Transport (DDES SST) est sélectionnée pour la suite de l’étude au vu des meilleures performances obtenues (torseur aérodynamique, coefficient de pression, topologie d’écoulement) par rapport aux méthodes Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), Scale Adaptive Simulation (SAS) et Stress-Blended Eddy Simulation (SBES). La seconde phase de l’étude consiste à adapter la méthodologie précédemment développée sur un véhicule réel, la Peugeot 308 SW. Au préalable, une base de données expérimentales conséquente a été réalisée au sein du Groupement d’Intérêt Economique Souffleries Aéroacoustiques Automobiles (GIE S2A) au cours de ces travaux. La géométrie est tout d’abord simplifiée afin de faciliter la mise en place de la méthodologie numérique : entrées d’air fermées, soubassement lissé, roues remplacées par des carénages. Les résultats obtenus sont encourageants et démontrent globalement la supériorité de la DDES par rapport aux méthodes RANS classiques. La topologie d’écoulement est mieux prédite (soubassement et sillage), même si la prédiction du coefficient de portance reste une difficulté majeure pour ce type de méthode hybride. / The main goal of this PhD is to develop an unsteady numerical method to study the external aerodynamic flow around real vehicles. The first part of the study focuses on the flow around simplified geometries, such as 25° Ahmed bodies (with sharp and rounded edges on the back of the body), in order to determine the optimal turbulence model, mesh setup and numerical parameters. Computational Fluid Dynamics (CFD) results are compared to experimental data reported in literature conducted in the La Ferté Vidame wind tunnel. Based on this study, Shear-Stress Transport Delayed Detached Eddy Simulation (SST DDES) demonstrates superiority over Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS), Scale Adaptive Simulation (SAS) and Stress Blended Eddy Simulation (SBES) turbulence models, regarding both drag and lift coefficients predictions, and flow topology.Secondly, the numerical procedure is adapted for a real vehicle, the Peugeot 308 SW estate car. A substantial experimental campaign was carried out in the Groupement d’Intérêt Economique Souffleries Aéroacoustiques Automobiles (GIE S2A) wind tunnel to provide data against which the numerical results are compared. Given the geometric complexity of a real vehicle, the car is simplified for this study as follows: the front air inlets are closed, the underbody is smoothed with additional panels and the wheels are replaced by fairings. DDES computations show encouraging results. A significant improvement of the flow topology is obtained with DDES compared to RANS models. However, the prediction of the lift coefficient remains a major difficulty with these hybrid methods.

Cette thèse présente un ensemble de routines pour la résolution des grands systèmes linéaires creuses sur des architectures parallèles. Les approches proposées s'inscrivent dans un schéma hybride combinant les méthodes directes et itératives à travers l'utilisation des techniques de décomposition de domaine. Dans un tel schéma, le problème initial est divisé en sous-problèmes en effectuant un partitionnement du graphe de la matrice coefficient du système. Les méthodes de Schwarz sont ensuite utilisées comme outils de préconditionnements des méthodes de Krylov basées sur GMRES. Nous nous intéressons tout d'abord au schéma utilisant un préconditionneur de Schwarz multiplicatif. Nous définissons deux niveaux de parallélisme: le premier est associé à GMRES préconditionné sur le système global et le second est utilisé pour résoudre les sous-systèmes à l'aide d'une méthode directe parallèle. Nous montrons que ce découpage permet de garantir une certaine robustesse à la méthode en limitant le nombre total de sous-domaines. De plus, cette approche permet d'utiliser plus efficacement tous les processeurs alloués sur un noeud de calcul. Nous nous intéressons ensuite à la convergence et au parallélisme de GMRES qui est utilisée comme accélerateur global dans l'approche hybride. L'observation générale est que le nombre global d'itérations, et donc le temps de calcul global, augmente avec le nombre de partitions. Pour réduire cet effet, nous proposons plusieurs versions de GMRES basés sur la déflation. Les techniques de déflation proposées utilisent soit un préconditionnement adaptatif soit une base augmentée. Nous montrons l'utilité de ces approches dans leur capacité à limiter l'influence du choix d'une taille de base de Krylov adaptée, et donc à éviter une stagnation de la méthode hybride globale. De plus, elles permettent de réduire considérablement le coût mémoire, le temps de calcul ainsi que le nombre de messages échangés par les différents processeurs. Les performances de ces méthodes sont démontrées numériquement sur des systèmes linéaires de grande taille provenant de plusieurs champs d'application, et principalement de l'optimisation de certains paramètres de conception en dynamique des fluides.

L’interaction onde de choc/couche limite en écoulement transsonique autour de profils aérodynamiques est étudiée numériquement utilisant différentes classes de modélisation de la turbulence. Les approches utilisées sont celles de modèles URANS et de méthodes hybrides RANS-LES. L’emploi d’une correction de compressibilité pour les fermetures à une équation est aussi évalué. Premièrement, la séparation intermittente induite par le choc sur un profil supercritique en conditions d’incidence proches de l’angle critique d’apparition du tremblement est analysée. Suite à des simulations URANS, la modélisation statistique la mieux adaptée est étudiée et utilisée dans l’approche DDES (Delayed Detached-Eddy Simulation). L’étude de la topologie de l’écoulement, des pressions pariétales et champs de vitesse statistiques montrent que les principales caractéristiques de l’oscillation auto-entretenue du choc sont capturées par les simulations. De plus, la DDES prédit des fluctuations secondaires de l’écoulement qui n’apparaissent pas en URANS. L’étude de l’interface instationnaire RANS-LES montre que la DDES évite le MSD (modeled stress depletion) pour les phases de l’écoulement attaché ou séparé. Le problème de la ‘zone grise’ et de son influence sur les résultats est considéré. Les conclusions de l’étude sur le profil supercritique est ensuite appliquées à l’étude numérique d’un profil transsonique laminaire. Dans ce contexte, l’effet de la position de la transition de la couche limite sur les caractéristiques de deux régimes d’interaction choc/couche limite sélectionnés est étudié. En conditions de tremblement, les simulations montrent une forte influence du point de transition sur l’amplitude du mouvement du choc et sur l’instationnarité globale de l’écoulement. / Shock wave/boundary layer interactions arising in the transonic flow over airfoils are studied numerically using different levels of turbulence modeling. The simulations employ standard URANS models suitable for aerodynamics and hybrid RANS-LES methods. The use of a compressibility correction for one-equation closures is also considered. First, the intermittent shock-induced separation occurring over a supercritical airfoil at an angle of attack close to the buffet onset boundary is investigated. After a set of URANS computations, a scale-resolving simulation is performed using the best statistical approach in the context of a Delayed Detached-Eddy Simulation (DDES). The analysis of the flow topology and of the statistical wall-pressure distributions and velocity fields show that the main features of the self-sustained shock-wave oscillation are predicted by the simulations. The DDES also captures secondary flow fluctuations which are not predicted by URANS. An examination of the unsteady RANS-LES interface shows that the DDES successfully prevents modeled-stress depletion whether the flow is attached or separated. The gray area issue and its impact on the results are also addressed. The conclusions from the supercritical airfoil simulations are then applied to the numerical study of a laminar transonic profile. Following a preliminary characterization of the airfoil aerodynamics, the effect of the boundary layer transition location on the properties of two selected shock wave/boundary layer interaction regimes is assessed. In transonic buffet conditions, the simulations indicate a strong dependence of the shock-wave motion amplitude and of the global flow unsteadiness on the tripping location.

Cette étude porte sur le calcul numérique du champ acoustique rayonné par des écoulements subsoniques turbulents présentant des inhomogénéités de température. Des méthodes hybrides sont développées grâce à un développement de Janzen-Rayleigh des équations de Navier-Stokes. L'écoulement est résolu par un calcul quasi incompressible puis les perturbations acoustiques sont propagées selon deux méthodes : les équations d'Euler linéarisées (EEL) et l'approximation à faible nombre de Mach perturbée(PLMNA). Les méthodes sont validées sur des cas simples puis appliquées à une couche de mélange isotherme et anisotherme en développement spatial. / This study focuses on the numerical calculation of the acoustic field radiated by subsonic turbulent flows with temperature inhomogeneities. Hybrid methods are developed through a Rayleigh-Janzen expansion of the Navier-Stokes equations. The flow is solved in a quasi-incompressible way then the acoustic disturbances are propagated by two methods : the linearized Euler's equations (EEL) and the perturbed low Mach number approximation (PLMNA). The methods are validated on simple cases and then applied to an isothermal and non isothermal spatially evolving mixing layer.

Nous nous intéressons à la résolution en parallèle de système d’équations linéaires creux et de large taille. Le calcul de la solution d’un tel type de système requiert un grand espace mémoire et une grande puissance de calcul. Il existe deux principales méthodes de résolution de systèmes linéaires. Soit la méthode est directe et de ce fait est rapide et précise, mais consomme beaucoup de mémoire. Soit elle est itérative, économe en mémoire, mais assez lente à atteindre une solution de qualité suffisante. Notre travail consiste à combiner ces deux techniques pour créer un solveur hybride efficient en consommation mémoire tout en étant rapide et robuste. Nous essayons ensuite d’améliorer ce solveur en introduisant une nouvelle méthode pseudo directe qui contourne certains inconvénients de la méthode précédente. Dans les premiers chapitres nous examinons les méthodes de projections par lignes, en particulier la méthode Cimmino en bloc, certains de leurs aspects numériques et comment ils affectent la convergence. Ensuite, nous analyserons l’accélération de ces techniques avec la méthode des gradients conjugués et comment cette accélération peut être améliorée avec une version en bloc du gradient conjugué. Nous regarderons ensuite comment le partitionnement du système linéaire affecte lui aussi la convergence et comment nous pouvons améliorer sa qualité. Finalement, nous examinerons l’implantation en parallèle du solveur hybride, ses performances ainsi que les améliorations possible. Les deux derniers chapitres introduisent une amélioration à ce solveur hybride, en améliorant les propriétés numériques du système linéaire, de sorte à avoir une convergence en une seule itération et donc un solveur pseudo direct. Nous commençons par examiner les propriétés numériques du système résultants, analyser la solution parallèle et comment elle se comporte face au solveur hybride et face à un solveur direct. Finalement, nous introduisons de possible amélioration au solveur pseudo direct. Ce travail a permis d’implanter un solveur hybride "ABCD solver" (Augmented Block Cimmino Distributed solver) qui peut soit fonctionner en mode itératif ou en mode pseudo direct. / We are interested in solving large sparse systems of linear equations in parallel. Computing the solution of such systems requires a large amount of memory and computational power. The two main ways to obtain the solution are direct and iterative approaches. The former achieves this goal fast but with a large memory footprint while the latter is memory friendly but can be slow to converge. In this work we try first to combine both approaches to create a hybrid solver that can be memory efficient while being fast. Then we discuss a novel approach that creates a pseudo-direct solver that compensates for the drawback of the earlier approach. In the first chapters we take a look at row projection techniques, especially the block Cimmino method and examine some of their numerical aspects and how they affect the convergence. We then discuss the acceleration of convergence using conjugate gradients and show that a block version improves the convergence. Next, we see how partitioning the linear system affects the convergence and show how to improve its quality. We finish by discussing the parallel implementation of the hybrid solver, discussing its performance and seeing how it can be improved. The last two chapters focus on an improvement to this hybrid solver. We try to improve the numerical properties of the linear system so that we converge in a single iteration which results in a pseudo-direct solver. We first discuss the numerical properties of the new system, see how it works in parallel and see how it performs versus the iterative version and versus a direct solver. We finally consider some possible improvements to the solver. This work led to the implementation of a hybrid solver, our "ABCD solver" (Augmented Block Cimmino Distributed solver), that can either work in a fully iterative mode or in a pseudo-direct mode.

La résolution de très grands systèmes linéaires creux est une composante de base algorithmique fondamentale dans de nombreuses applications scientifiques en calcul intensif. La résolution per- formante de ces systèmes passe par la conception, le développement et l'utilisation d'algorithmes parallèles performants. Dans nos travaux, nous nous intéressons au développement et l'évaluation d'une méthode hybride (directe/itérative) basée sur des techniques de décomposition de domaine sans recouvrement. La stratégie de développement est axée sur l'utilisation des machines mas- sivement parallèles à plusieurs milliers de processeurs. L'étude systématique de l'extensibilité et l'efficacité parallèle de différents préconditionneurs algébriques est réalisée aussi bien d'un point de vue informatique que numérique. Nous avons comparé leurs performances sur des systèmes de plusieurs millions ou dizaines de millions d'inconnues pour des problèmes réels 3D .