L’athérosclérose est une maladie artérielle chronique qui est une des causes majeures d’accidents vasculaires cérébraux et de crises cardiaques. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre certains facteurs spécifiques impliqués dans le dévelopement de cette maladie en abordant cette problématique sous l’angle de la mécanique.Deux types de cellules qui jouent un rôle important dans le dévelopement et la progression de l’athérosclérose sont les cellules endothéliales adhérentes et les leucocytes non-adhérents (les globules blancs). Nous avons développé deux systèmes capables de mesurer les propriétés mécaniques de ces deux grands types cellulaires. Le premier, appelé “indentation de profil”, utilise des micropipettes et des microindenteurs pour indenter la cellule, tandis que le second utilise la microfluidique pour soumettre les cellules à une contrainte d’élongation.De plus, nous nous sommes demandé si la mécanique pouvait nous aider à comprendre quand les déformations des cellules, ou les contraintes exercées sur elles, pouvaient les endommager.En effet, lorsque les plaques d’athérosclérose obstruent une partie trop grande du flux sanguin, le traitement le plus courant consiste à rouvrir le vaisseau avec un ballon et à le maintenir ouvert au moyen d’une endoprothèse artérielle, qui est un petit dispositif maillé et tubulaire. Cette procédure exerce des contraintes de compression considérables sur l’endothélium et l’endommage. Nous avons donc cherché à trouver un critère physique prédictif de la rupture de la membrane des cellules endothéliales en compression, puis avons comparé cela aux contraintes exercées sur l’endothélium durant la pose d’une endoprothèse artérielle, afin de voir si les dommages faits à l’endothélium pouvaient potentiellement être évités.De façon similaire, nous avons cherché à obtenir un critère physique prédictif de la rupture de la membrane des leucocytes. Nous avons ensuite comparé les déformations maximales possibles des leucocytes selon que ces déformations soient passives (comme lors du passage dans la microvasculature) ou actives (comme lors de la traversée de l’endothélium par les leucocytes). / Atherosclerosis is a chronic disease of the arteries that is a major cause of heart attacks and strokes. This thesis aims to provide novel insight into this disease by looking at specific factors involved in its development from a mechanical standpoint.Two important cell types involved in the development and progression of atherosclerosis are adherent endothelial cells and non-adherent leukocytes (white blood cells). We developed two devices that are able to measure the mechanical properties of both of these cell types. The first one, termed “profile microindentation”, uses micropipettes and microindenters to indent the cell, while the second one uses microfluidics to submit cells to an extensional stress.Further, we wondered if mechanics could help us understand when deformations undergone by cells, or stresses exerted on them, could become harmful.As a matter of fact, when atherosclerotic plaques occlude too much of the blood flow, the most common treatment consists of reopening the vessel with a balloon and keeping it open with a tubular wired mesh called a stent. This procedure exerts considerable compressive stress on the endothelium and is known to be associated with extensive endothelial damage. Hence, we seek to find a physical criterion that is predictive of endothelial cell membrane rupture under compression and to compare this to the stress exerted on the endothelium during the stenting procedure, to see if endothelial damage could potentially be avoided.Similarly, we seek to obtain a physical criterion that is predictive of leukocyte membrane rupture. We then compare and contrast the maximum possible deformations of leukocytes depending on whether those deformations are passive (such as when going through the microvasculature) or active (such as when leukocytes traverse the endothelial barrier).

Les nonlinéarités dans les systèmes nanomécaniques peuvent provenir d’effets dispersif ou dissipatif et ce dans divers systèmes (résistifs, inductifs et capacitifs). Au-delà de l’intérêt fondamental pour tester la réponse dynamique d’un système non-linéaire à plusieurs dégrées de libertés, les nonlinéarités de tels systèmes ouvre la voie vers des capteurs nanomécanique et le traitement du signal. Le résonateur nanomécanique dont la réponse nonlinéaire est étudié, est une membrane suspendue à cristal photonique bidimensionnel utilisée comme miroir déformable. Sa faible masse et sa haute réflectivité en font un candidat idéal pour l’électro-opto-mécanique. L’actuation d’une telle membrane dans le domaine fréquentiel du MHz est rendu possible par des électrodes inter-digitées en dessous de la membrane assurant ainsi l’uniformité de la force d’actuation sur cette dernière. La fabrication de telles structures est basée sur l’intégration hétérogène 3D.La force électrostatique qui s’applique sur la membrane induit des non-linéarités mécaniques avec notamment un effet bistable, des résonances superharmoniques et des résonances stochastiques.La membrane est mise en mouvement par un potentiel électrique V(t) = Vdc + Vac cos(w.t), où Vdc est l’amplitude du courant continu, Vac l’amplitude du courant alternatif à la fréquence d’excitation w;. Le système se comporte alors comme une capacité de sorte que la force qui s’applique sur la membrane varie de manière quadratique avec la tension appliquée. Selon la tension DC ou AC, le comportement de la structure est différent. L’augmentation de la tension DC induit une augmentation de la tension de polarisation sur le matériau qui par conséquent modifie la fréquence propre de la membrane. Tandis que l’augmentation de la tension AC cause l’augmentation de l’amplitude des oscillations de la membrane pouvant aller jusqu’à atteindre le régime non-linéaire.Dans une première série de mesure, la membrane est excitée à la résonance avec une fréquence w; égale à la fréquence du mode mécanique fondamental wm. A partir de la réponse fréquentielle du système, il est possible d’identifier différents modes mécaniques de la membrane sondé optiquement. Pour une excitation plus importante, il est possible d’observer des effets de bistabilité mécanique. Ces non-linéarités sont dues à l’élongation au niveau des points d’ancrage de la membrane.La méthode la plus commune pour agir sur la membrane est l’excitation proche de la résonance fondamentale. Cependant la technique de la résonance superharmonique peut également être utilisée. Cela consiste à appliquer la fréquence d’excitation w; à une fréquence égale à wm/n où n est un entier. La possibilité d’utiliser cette technique est fortement dépendante des nonlinéarités présentes dans le système. Ainsi, l’existence d’une résonance super harmonique à wm/n résulte de la présence d’une nonlinéarité d’ordre n. Dans une seconde série de mesure, un balayage des résonances superharmoniques en fonction de la fréquence et de la puissance a été réalisé en modulant la tension à la fréquence wm/n et en enregistrant la réponse de la membrane autour de wm. Il a été ainsi possible d’observer des résonances superharmoniques allant de n=2 jusqu’à 8. Il a également été possible d’obtenir l’évolution de la phase le long des résonances et ce pour toutes celles observées.Dans une dernière série de mesure, nous utilisons la nonlinéarité présente pour observer des effets de résonance stochastique. L’idée est d’amplifier un signal de faible amplitude (basse fréquence) en injectant du bruit (haute fréquence) dans le système nonlinéaire. Dans le cas de notre système, nous avons été capables d’observer des résonances stochastiques à la fois en amplitude et en phase. Une étude comparative de ces deux régimes est détaillée. Le fait de pouvoir observer la résonance stochastique en phase peut permettre d’envisager la réalisation de communications codées en phase. / Nonlinearities in nanomechanical systems can arise from various sources such as spring and damping mechanisms and resistive, inductive, and capacitive circuit elements. Beyond fundamental interests for testing the dynamical response of discrete nonlinear systems with many degrees of freedom, non-linearities in nanomechanical devices, open new routes for nanomechanical sensing, and signal processing.The nonlinear response of a nanomechanical resonator consisting in a suspended photonic crystal membrane acting as a deformable mirror has been investigated. The low-mass and high reflectivity of suspended membranes pierced by a two-dimensional photonic crystal, makes them good candidates as electro-optomechanical resonator. Actuation of the membrane motion in the MHz frequency range is achieved via interdigitated electrodes placed underneath the membrane. The choice of these electrodes is due to the fact they are able to uniformly actuate these membranes. The processing of such platforms relies on 3D-heterogenous integration process.The applied electrostatic force induces mechanical non-linearities, in particular bistability, superharmonic resonances and stochastic resonance.The membrane is actuated by an electric load V(t) = Vdc + Vac cos(w.t), where Vdc is the DC polarization voltage, Vac the amplitude of the applied AC voltage, and w; the excitation frequency. The system acts as a capacitive system and thus the force applied on the membrane varies as a quadratic function of the applied voltage. Application of either DC or AC voltages can have different implications. Increasing the DC voltage increases the polarizing voltage on the material which in turn causes modulation of the eigenfrequency of the membranes. While an increase in the periodic AC voltage causes the membrane to oscillate more, pushing the system towards non-linear regime.In a first series of experiments, the membrane is actuated resonantly, with an excitation frequency w; equal to the fundamental mechanical modes frequency wm. From the frequency response spectra of the system it was possible to identify different mechanical modes of these membranes via optical measurements. For increased actuation voltages, bistability effects are observed with two different behaviors (spring hardening or softening). The mechanical nonlinearities due to stretching at the clamping point dominate the resonator dynamics.The most commonly used method to act upon the membrane is the primary-resonance excitation, in which the frequency of the excitation is tuned closed to the fundamental natural frequency of the nanostructure. Superharmonic resonance can also be implemented. It consists in applying an excitation frequency w; equal to wm/n, with n being integer. Existence of these superharmonic resonances is highly dependent on the non-linearity of the system. For example existence of n-th order non-linearity results in presence wm/n superharmonic resonance. In a second series of experiments, frequency-power sweep for superharmonic resonance has been performed, by modulating the electric load at a frequency wm/n and recording the response of the membrane at the fundamental frequency wm. High-order superharmonic resonances are observed with n=2 up to 8. Under superharmonic excitation, the control of the phase across the resonance has been shown for every observed resonance.In the next set of experiments, we used the nonlinearity existing in the system to perform stochastic resonance. The idea of stochastic resonance is amplification of a weak signal (with low frequency) by means of noise injected (higher frequency) in a nonlinear system. For our system we were able to achieve stochastic resonance with both amplitude and phase noise. A comparative study between these two schemes was also done in details. The idea of observing stochastic resonance in phase is very interesting as it opens doors to realize phase encoded communications.

On définit ici la "mobilité énergétique" : elle relie la puissance active injectée sur une bande de fréquences en un point d'une structure au niveau carré de la vitesse vibratoire obtenue en un autre point. On l'utilise sur une structure isolée pour définir une "additivité énergétique" d'injections simultanées de puissance active pour calculer localement les niveaux carrés de vitesse par bande. On l'utilise sur un assemblage, avec des "facteurs de connexion", pour calculer localement les niveaux carrés de vitesse par bande après couplage en fonction de ceux des sous-structures avant couplage. On remarque que la mobilité énergétique entre deux points non couplés change peu après couplage et que la mobilité énergétique est asymptotiquement invariante si au point excité on ajoute une masse concentrée. On définit aussi le concept de "sources de puissance active" par bande de fréquence et on souligne ses avantages. L'approche par mobilités moyennes énergétiques (EMMA) permet d'effectuer des calculs énergétiques prédictifs approchés et locaux avec uniquement des quantités moyennées par bande de fréquence. Suivent des simulations d'assemblages multipoint (rigides ou élastiques et dissipatifs) de plaques homogènes et hétérogènes, avec l'étude des différentes erreurs de méthode et une application expérimentale sur des assemblages de plaques et de cylindres.

La connaissance du comportement mécanique des aciers polycristallins et de leur sensibilité à la vitesse de déformation et à la température est essentielle afin de maîtriser les procédés de mise en forme et la tenue en service sous sollicitation dynamique. L'approche micromécanique, basée sur les techniques d'homogénéisation, permet de prendre en compte les rôles de la microstructure et des interactions mécaniques entre grains. Les mécanismes locaux sont basés sur la théorie de l'activation thermique pour les métaux cubiques centrés. Les lois d'écrouissage sont écrites en termes de densités de dislocations et prennet enc ompte les effets de restauration dynamique. Deux outils de transition d'échelle, dits à "variables internes", sont utilisés pour un chargement à vitesse de déformation macroscopique imposée. Il s'agit du modèle de Paquin et al. et d'un nouveau modèle qui s'appuie sur une approche de résolution du schéma autocohérent par l'utilisation d'opérateurs de projection et de champs translatés inspirés de l'idée de Kröner. Ces deux modèles sont appliqués à différentes classes de matériaux et sont comparés aux modèles de Kröner-Weng et aux modèles de type "héréditaire". Les résultats numériques sont comparés aux résultats expérimentaux pour différentes nuances d'aciers essentiellement pour des trajets de déformation monotones en traction et en cisaillement dans une large gamme de vitesses de déformation. La modélisation du comportement des aciers à "Bake-Hardening" (BH) prend en compte les mécanismes responsables du durcissement après le traitement de peinture (vieillissement). L'effet "BH" est dû à la fois à un durcissement par effet Cottrell et à un durcissement par formationde précipités qui constituent des nouveaux obstacles au mouvement des dislocations. Les résultats du modèle "micro-macro" sont comparés quantitativement aux résultats expérimentaux en traction uniaxiale.

Les ventilateurs ont connu des progrès technologiques considérables grâce à l'application de concepts physiologiques, à l'électronique, à l'informatique et la miniaturisation. Leurs conceptions et performances intrinsèques, en revanche, ont pu rester inégales sur certains points. L'objectif de ce travail a été d'évaluer sur un banc d'essai, avec un protocole, adapté aux problématiques soulevées en pratique clinique, tous les ventilateurs de réanimation, transport et de ventilation non invasive de façon rigoureuse et reproductible. Les résultats montrent que 1) l'erreur sur le volume réellement délivré est très fréquente et correspond facilement à 1ml/kg de volume supplémentaire ; le VT indiqué sur les ventilateurs est inférieur au VT réellement délivré ; 2) les performances des nouveaux ventilateurs ne présentent pas d'améliorations significatives par rapport aux meilleurs ventilateurs testés en 2000; les ventilateurs à turbine sont identiques ou proches des meilleurs ventilateurs conventionnels ; 3) les ventilateurs dédiés à la ventilation non invasive montrent de meilleures performances pour s'adapter à la présence de fuites ; 4) la ventilation par percussion intra-pulmonaire superposée à la ventilation conventionnelle peut réduire l'apport de l'humidification, influencer les volumes administrés et induire une pression expiratoire positive intrinsèque. Les tests sur banc montrent une grande hétérogénéité des performances. Une veille technologique semble indispensable pour évaluer tout nouveau ventilateur / The ventilators have markedly improved thanks to progress in respiratory physiology, in informatics and miniaturization. However, their intrinsic performances remain unequal. The aim was to evaluate ventilators performances on reproducible bench test studies adapted to clinical questions. Tests show that 1) the error of really delivered volume is approximately 1 ml/kg of additional volume; the tidal volume (VT) indicated on the ventilators was lower than the real delivered VT ; 2) Performances of new ventilators are comparable to the best ventilators tested in 2000 ; turbine ventilators are quite similar to best conventional ventilators ; 3) The ventilators dedicated to non invasive ventilation showed better performances to cope with leaks 4) The intrapulmonary percussive ventilation superimposed on conventional ventilation can reduce humidity, increase volumes and can generate intrinsic positive expiratory pressure. The bench tests showed a large heterogeneity of performances. A technological watch seems essential to evaluate all new ventilators

Cette thèse à pour objet l'étude théorique et numérique de solutions dans les équations aux dérivées partielles non linéaires de la physique, en particulier en dynamique des fluides. La présence de discontinuités dans les solutions de ces équations complique la compréhension mathématique des phénomènes mis enjeu et leur traitement numérique, notamment en vue de simulations informatiques . Nous étudions ces équations par une méthode de régularisation dans un espace fonctionnel approprié. Lorsque des schémas numériques construits par des méthodes différentes conduisent à des résultats identiques, ceci jusque dans leurs moindres détails, il semble alors naturel de s'interroger dans quelle mesure ces suites de solutions numériques constituent une approximation d'une solution des équations étudiées. Nous construisons des suites de solutions approchées à partir d'un schéma numérique original,stable et suffisamment simple pour démontrer que ses suites constituent une méthode asymptotique de Maslov au sens des distributions en dimension trois d'espèce. La technique de régularisation employée consiste à étendre les variables réelles du problème ne des variables complexes, ce qui nous permet de construire des familles de solutions particulières que l'on ramène au cas réel en faisant tendre un petit paramètre vers O. Les solutions physiques recherchées apparaissent alors comme valeurs au bord de fonction holomorphes. Nous illustrons les résultats obtenus par des applications en cosmologie dans les cadres Newtoniens et relativistes pour des systèmes sans pression, puis avec pression et auto-gravitation, ainsi que pour le système des gaz parfaits. / This thesis is devoted to the theoretical and numerical study of singular solutions appearing in nonlinear partial differential complicates the mathematical understanding of the phenomena under concem as well as their numerical treatment, in particular in view of computation. These equations are studied by a regularization method in an appropriate functional space. When completely different numerical methods give the same results up to the smallest details one can reasonably expect that these numerical results suggest the existence of a mathematical solution of theses equations. We construct sequences of approximate solutions from an original numerical scheme, which is stable and simple enough to prove that these sequences constitute a Maslov asymptotic method in three space dimension. The regularization technique in use consits in extending the real variables of the problem into complex ones, which perrnits to construct families of particular equations that we bring back to the real case by letting a small paramater tend to zero. The expected physical solutions appear as boundary values of holomorphie functions . Illustrations are given by applications to cosmology in the Newtorian and re1ativistic settings for pressure1ess fluid dynamics, then in presence of self-gravitation and pressure as weil as for the systemof ideal gases

Les problèmes de pollution liés au secteur automobile sont connus depuis les années 1940. Les Etats-Unis ont été les premiers impactés à cause du "boom" automobile de l'entre-deux guerres, et ont mis en place les premières lois anti-pollution en 1960. Faisant suite à ces directives et aux deux chocs pétroliers, différents engagements de limitations d’émission pris au niveau planétaire sont nés depuis une vingtaine d’années. Le Protocole de Kyoto et les directives de l'Union Européenne (norme Euro 6c actuellement en vigueur) en sont les principales illustrations récentes. Cette thèse s’inscrit dans la continuité des travaux entrepris il y a presque cinquante ans, afin de poursuivre les efforts en matière de réduction de consommation et de pollution des véhicules automobiles. Elle propose ainsi une méthode de visualisation rapide avec les moyens informatiques actuels, du comportement aéraulique interne dans la culasse et la chambre de combustion des moteurs thermiques. L’objectif est de pouvoir prévoir ces variations de manière fiable et rapide à l’aide d’outils de simulation numérique, afin de limiter la fabrication, la quantité et le coût des prototypes à tester. / Pollution problems related to the automotive sector have been known since the 1940s. The United States was the first to be impacted by the automotive "boom" of the inter-war period, and introduced the first anti-pollution laws in 1960. Following these directives and the two oil shocks, various commitments for global emission limitations have been born for some 20 years. The Kyoto Protocol and the European Union directives (Euro 6c currently in force) are the main recent illustrations. This thesis is in line with the work undertaken almost fifty years ago in order to continue efforts to reduce consumption and pollution of motor vehicles. It thus proposes a method of rapid visualization with the present computer means, of the internal aeraulic behaviour in the cylinder head and the combustion chamber of the spark-ignition engines. The goal is to be able to predict these variations reliably and quickly using numerical simulation tools, in order to limit the manufacture, quantity and cost of the prototypes to be tested.

Dans les fluides conducteurs de l'électricité, le champ électromagnétique est couplé au mouvement du fluide par des effets d'induction. Nous avons étudié différents effets magnétohydrodynamiques, à partir de deux expériences impliquant un métal liquide en écoulement turbulent.La première de taille moyenne utilise du Gallium. La seconde, utilisant du sodium, est menée au sein de la collaboration VKS (Von Karman Sodium). Celle-ci a permis d'observer l'effet dynamo, à savoir la conversion d'une part de l'énergie cinétique du fluide en énergie magnétique. Nous avons montré, qu'en fonction des conditions de forçage de l'écoulement, une dynamo statistiquement stationnaire, ou au contraire, des régimes dynamiques du champ magnétique, peuvent être engendrés. En particulier, des renversements de polarité similaires à ceux du champ magnétique terrestre ont été observés. Parallèlement, l'expérience avec du Gallium a été développée pour étudier les effets d'induction sous un champ magnétique appliqué par des écoulements turbulents plus homogènes et isotropes que celui de l'expérience VKS. Plus fondamentalement nous avons étudié, en utilisant les données des deux expériences, l'advection du champ magnétique par un écoulement et la phénoménologie des fluctuations turbulentes du champ induit. La mise au point de sondes de mesure de différence de potentiel électrique nous a permis en plus de mettre en évidence le freinage magnétique d'un écoulement turbulent de Gallium par la force de Laplace. Ce mécanisme intervient pour saturer l'instabilité dynamo.

Devant l'insuffisance des tests empiriques traditionnellement utilisés pour évaluer les bitumes routiers, la rhéologie s'est imposée comme l'outil principal d'étude de leurs performances à basse température. Les essais ne sont cependant pas pertinents dès lors que l'on cherche à mettre en regard la composition chimique des bitumes et le phénomène de rupture (cohésive ou adhésive). Ainsi, l'énergie nécessaire à la création de surface et la présence d'hétérogénéités sont des paramètres qui influent sur la propagation de la fissure dans le bitume, et qui ne sont pas directement pris en compte par leur seule caractérisation rhéologique. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à l'étude du comportement à la rupture en pelage de films de bitume. Le choix de ce type d'essai a été motivé par sa bonne similitude avec les configurations de répartition des bitumes dans les enrobés. Sur la base de travaux effectués par Ramond et Such (1980), le comportement de ces films de bitume a été étudié sous sollicitation de pelage monotone à 90° dans différentes conditions thermo-mécaniques. L'objectif de ce travail est de chercher à évaluer le rôle des fonctions polaires et de la présence d'inclusions, de tailles et d'origines différentes sur le comportement à la rupture. Dans une première partie, une étude bibliographique, partant de l'adhérence des solides, résume les connaissances acquises à ce jour sur les bitumes, leur rhéologie et leur comportement à la rupture, en se focalisant en particulier sur les principales caractéristiques physico-chimiques des bitumes susceptibles d'avoir une influence sur la propagation de la fissure. Dans une deuxième partie, nous présentons les matériaux et les techniques utilisés au cours de cette étude, avec une attention particulière pour les méthodes d'analyse viscoélastique et de rupture par pelage. Dans une troisième partie, nous étudions l'influence du grade de bitume sur l'énergie de cohésion afin de mettre en place une méthodologie permettant de comparer le comportement de liant ayant, dans un domaine de fréquence et de température, la même réponse rhéologique. Dans une quatrième partie, cette méthodologie est d'abord validée sur des liants synthétiques modèles. Puis, nous y présentons des résultats visant à quantifier l'incidence des propriétés interfaciales sur l'ouverture d'une fissure. Dans une cinquième partie, qui a porté sur des liants bitumineux, nous montrons le rôle des instabilités colloïdales dans la rupture, en découplant les effets selon la nature, la taille et la fraction massique d'inclusions solides présentes dans le liant.

Confrontés au problème de tracé (design) des machines, le souci des constructeurs est de disposer de méthodes rapides, fiables et suffisamment précises. Le présent travail de recherche à caractère théorique et expérimental, sinscrit dans cette direction. Ainsi, nous avons mis au point une démarche complète de dimensionnement et doptimisation dans la conception et lanalyse des performances des turbomachines centrifuges et hélico-centrifuge à fluide incompressible. Partant dun cahier de charges, la définition géométrique de la roue ainsi que lanalyse de ses performances globales sont réalisées à partir dune méthode dite ligne moyenne (1D) basée sur des modèles théoriques et des corrélations expérimentales. Une deuxième étape, basée sur létude des écoulements méridien et aube à aube (méthode dite quasi-3D), est réalisée à laide du logiciel REMIX développé au LEMFI. Ce code permet la résolution des équations dynamiques moyennées régissant lécoulement interne stationnaire et non visqueux dans le repère relatif. Létape finale de la démarche consiste en létude tridimensionnelle de lécoulement à laide des logiciels de la CFD du groupe AEA-Technology (CFX), permettant de compléter et de valider la procédure établie. Pour illustrer cette démarche, une machine centrifuge à volute a servi de support. Dans un premier temps, létude de la roue existante a été réalisée pour la mise au point et la validation des différents éléments de la démarche. Lensemble roue-volute est étudié et comparé, par la suite, aux résultats expérimentaux. Une attention spéciale est portée sur les effets instationnaires, conséquence de linteraction roue-volute. Les résultats obtenus semblent très cohérents. Finalement, la démarche intégrale est appliquée pour loptimisation dune pompe hélico-centrifuge équipée dun redresseur. Sagissant dune pompe mal dimensionnée, loptimisation de lensemble est une bonne illustration.