Le traitement des conditions aux limites et la modélisation fine des interactions de sous-maille ont été abordés dans cette thèse. La formulation caractéristique des conditions aux limites a été analysée et une nouvelle procédure 3D-NSCBC est proposée qui autorise la prise en compte de l'évolution de la vitesse et de la pression dans le plan des frontières, afin d'introduire le caractère tridimensionnel de l'écoulement dans les conditions limites. Des nouvelles formulations pour resoudre le couplage des ondes caractéristiques au niveau des arêtes et des coins ont été développées. Dans le cadre de la Simulation des Grandes Échelles, pour reproduire correctement la dynamique de la turbulence à la paroi et pour mieux prendre en compte l'anisotropie du tenseur des contraintes de sous-maille, un modèle structural fondé sur l'hypothèse de similarité est développé pour des écoulements modérément compressibles et validé sur la simulation d'un jet rond en impaction sur une paroi plane.

L’évolution des polluants dans l’atmosphère dépend de phénomènes variés, tels que les émissions, la météorologie, la turbulence ou les transformations physico-chimiques, qui ont des échelles caractéristiques spatiales et temporelles très diverses. Il est très difficile, par conséquent, de représenter l’ensemble de ces échelles dans un modèle de qualité de l’air. Les modèles eulériens de chimie-transport, couramment utilisés, ont une résolution bien supérieure à la taille des plus petites échelles. Cette thèse propose une revue des processus physiques mal représentés par les modèles de qualité de l’air, et de la variabilité sous-maille qui en résulte. Parmi les méthodes possibles permettant de mieux prendre en compte les différentes échelles , deux approches ont été développées : le couplage entre un modèle local et un modèle eulérien, ainsi qu’une approche statistique de réduction d’échelle. (1) Couplage de modèles : l’une des principales causes de la variabilité sous-maille réside dans les émissions, qu’il s’agisse des émissions ponctuelles ou du trafic routier. En particulier, la taille caractéristique d’un panache émis par une cheminée très inférieure à l’échelle spatiale bien résolue par les modèles eulériens. Une première approche étudiée dans la thèse est un traitement sous maille des émissions ponctuelles, en couplant un modèle gaussien à bouffées pour l’échelle locale à un modèle eulérien (couplage appelé panache sous-maille). L’impact de ce traitement est évalué sur des cas de traceurs à l’échelle continentale (ETEX-I et Tchernobyl) ainsi que sur un cas de photochimie à l’échelle de la région parisienne. Différents aspects sont étudiés, notamment l’incertitude due aux paramétrisations du modèle local, ainsi que l’influence de la résolution du maillage eulérien. (2) Réduction d’échelle statistique : une seconde approche est présentée, basée sur des méthodes statistiques de réduction d’échelle. Il s’agit de corriger l’erreur de représentativité du modèle aux stations de mesures. En effet, l’échelle de représentativité d’une station de mesure est souvent inférieure à l’échelle traitée par le modèle (échelle d’une maille), et les concentrations à la station sont donc mal représentées par le modèle. En pratique, il s’agit d’utiliser des relations statistiques entre les concentrations dans les mailles du modèle et les concentrations aux stations de mesure, afin d’améliorer les prévisions aux stations. L’utilisation d’un ensemble de modèles permet de prendre en compte l’incertitude inhérente aux paramétrisations des modèles. Avec cet ensemble, différentes techniques sont utilisées, de la régression simple à la décomposition en composantes principales, ainsi qu’une technique nouvelle appelée « composantes principales ajustées ». Les résultats sont présentés pour l’ozone à l’échelle européenne, et analysés notamment en fonction du type de station concerné (rural, urbain ou périurbain) / The evolution of atmospheric pollutants depends on various processes which occur at multiple characteristic scales, such as emissions, meteorology, turbulence, chemical transformation and deposition. Representing all the time and spatial scales in an air quality model is, therefore, very difficult. Chemical-transport Eulerian models, which are generally used, have a typical resolution much coarser than the finest scales.. Thus, many processes are not well described by these models, which results in subgrid-scale variability. This thesis proposes a review of subgrid-scale processes and associated uncertainty, as well as two multiscale methods aimed at reducing this uncertainty : (1) coupling an Eulerian model with a local-scale Gaussian model, and (2)using statistical downscaling methods. (1) Model coupling : one aof the main subgrid-scale processes is emissions, especially point emissions (industry) and traffic. In particular, the characteristic spatial scale of a plume emitted by a chimmey is much smaller than the typical Eulerian grid resolution. The coupling method, called plume-in-grid model, uses a Gaussian puff model to better represent point emissions at local scale, coupled to an Eulerain model. The impact of this subgrid-scale treatment of emissions is evaluated at continental scale for passive tracers (ETEX-I et Tchernobyl), as well as for photochemistry at regional scale (Paris region). Several issues are addressed, especially the uncertainty due to local-scale parameterizations and the influence of the Eulerian grid resolution. (2) Statistical downscaling : this method aims at compensating the representativity error made by the model when forecasting concentrations at particular measurement stations. The representativity scale of these stations is, indeed, typically smaller than the Eulerian cell size, and concentrations at stations depend on many subgrid-scale phenomena (micrometeorology, topography…). Thus, using statistical relationships between the larg-scale variable (model output) and local-scale variable (concentrations observed at stations) allows to significantly reduce the forecast error. In addition, using ensemble simulations allows to better take into account the model error due to physical parameterizations. With this ensemble, several downscaling methods are implemented : simple and multiple linear regression, with or without preprocessing. The preprocessing methods include a classical principal component analysis, as well as another method called “principal fitted component”. Results are presented at European scale, for ozone peaks, and analyzed for several types of stations (rural, urban or periurban)

Ce manuscrit de thèse rapporte quelques études méthodologiques sur la régionalisation du climat par l’approche dynamique. Le domaine géographique couvre une large zone allant du milieu de l’Atlantique Nord à l’Europe de l’Est, et du Sahel à l’Arctique. La quête à tout prix d’une amélioration du climat régional n’est pas au cœur du manuscrit. Pourtant, l’accent est mis sur trois points clefs, généralement rencontrés par toutes tentatives de régionalisation du climat. Le premier point concerne le schéma d’imbrication : imbrication du sens unidirectionnel du GCM vers le RCM (one-way nesting, OWN) ou bidirectionnelle entre le GCM et le RCM (two-way nesting, TWN). Le deuxième point examine la réalisation technique d’imbrication, qui est généralement une opération de relaxation newtonienne ajoutée aux équations pronostiques du modèle. Le troisième point est sur l’effet du raffinement de maille dans le RCM. L’esprit général du manuscrit consiste à conceptualiser et réaliser des simulations numériques pour traiter ces trois points avec astuces afin de les isoler et quantifier. Le modèle de circulation générale LMDZ est utilisé pour l’ensemble des expériences. Il joue à la fois le rôle du GCM et celui du RCM. Dans les deux cas, il conserve strictement ses paramétrisations physique et sa configuration dynamique, ainsi que tous les forçages ou paramètres externes. La stratégie d’expérimentation, qualifiée comme Master versus Slave, consiste à réaliser des simulations sous deux protocoles reliés l’un et l’autre : « DS-300-to-300 » désigne Downscaling du GCM à 300 km de résolution horizontale au RCM qui est identique au GCM, aussi à 300 km de résolution spatiale ; « DS-300-to-100 » désigne Downscaling de 300 km (GCM) à 100 km (RCM). Il est clair que « DS-300-to-300 » est un cadre idéalisé, particulièrement approprié pour évaluer l’effet de l’opération de relaxation. Le protocole « DS-300-to-100 », soustrait du « DS-300-to-300 », permet d’évaluer très précisément l’effet de la résolution du RCM augmentée. Dans chaque protocole, deux schémas de communication entre le RCM et le GCM ont été implémentés, l’un (OWN) est la méthodologie classique du sens unique qui consiste à piloter le RCM par les sorties du GCM, l’autre (TWN) est d’établir un échange mutuel entre les deux modèles. Le climat régional est sensible au choix des schémas de communication entre le RCM et le GCM, surtout aux moyennes latitudes. TWN apporte une nette amélioration sur la représentation des informations frontalières. Au niveau des modes régionaux de circulation atmosphérique, exprimés en structures d’EOF, OWN et TWN sont tous deux capables de les reproduire, mais avec de légères déformations dans l’espace. La relaxation newtonienne, largement utilisée dans la régionalisation du climat, permet au RCM de bien suivre la trajectoire synoptique du GCM. Pourtant, la concomitance temporelle et la ressemblance spatiale sont dépendantes des variables considérées, des saisons, des régimes de temps, et des échelles spatio-temporelles de circulations atmosphériques. Des cas de dé-corrélation sont remarquables quand la circulation dominante de la région est de petites échelles. Le raffinement de maille augmente la liberté du RCM à développer sa dynamique interne, surtout aux petites échelles, mais aussi à l’ensemble du spectre de la circulation à travers l’interaction des échelles. Ainsi le RCM devient plus indépendant et s’écarte davantage du GCM. Cette thèse, autour des aspects méthodologiques de la régionalisation du climat, aide à avoir une meilleure compréhension sur la pratique. Elle adresse aussi un message de précaution à la communauté RCM et l’invite à bien vérifier leur méthodologie de régionalisation. / The work developed in this thesis explores through methodological modelling studies the current techniques of climate regionalization. In this case, the regionalization focuses on a geographical domain covering from the North Atlantic to Eastern Europe longitudinal wise, and from the Sahel to the Arctic as a latitudinal interval. The aim of this thesis is not the improvement of regional climate modelling per se, but tackling three key questions that are commonly met by all attempts when trying to improve climate regionalization. Firstly, the choice and advantages of the nesting scheme: one-way nesting (OWN) versus two-way nesting (TWN). Secondly, the evaluation of the nesting method, which is generally a Newtonian relaxation operation added to the prognostic equations of the model. And finally, the consequences of the mesh refinement in Regional Circulation Models (RCM). The objective of this manuscript consists in conceptualizing and carrying out numerical simulations to answer these three questions by isolating each individual effect and quantifying the consequences of each of the effects. The general circulation model LMDZ is used for all experiments. It is able to play the role of the General Circulation Model (GCM) and the RCM, keeping the same physical parameterizations and the same dynamical configuration, as well as the same external forcings and model parameters. Our experimental set-up, referred as “Master versus Slave”, consists on two related protocols: “DS-300-to-300” and “DS-300-to-100”. The former implies the downscaling of the GCM at 300 km of horizontal resolution while the RCM has the identical resolution of 300 km. The latter implies the downscaling from 300 km (GCM) to 100 km (RCM). We have assumed the “DS-300-to-300” as an idealized framework, particularly appropriate to evaluate the relaxation operation effect. In parallel, the “DS-300-to-100” protocol, subtracted from the “DS-300-to-300”, allows assessing the effect of the increased resolution for the RCM. In each protocol, two communication schemes between the RCM and the GCM have been implemented. The first one -OWN- is the classic one-way methodology to control the RCM by the outputs of the GCM. The second one -TWN- is used to establish a mutual exchange between the two models (RCM and GCM). This thesis has found that climate regionalization is highly sensitive to the choice of the communication scheme between the RCM and the GCM, especially at mid-latitudes. TWN clearly improves the representation at the boundaries. For the regional atmospheric circulation modes, expressed in EOF structures, both OWN and TWN are able to reproduce them, but with a slight deformation in space. Newtonian relaxation, widely used in climate regionalization, allows the RCM to follow the GCM’s synoptic trajectory. However, temporal concomitance and spatial resemblance of the two depend on the variables considered, on the particular seasons selected, on the weather regimes, and on the spatiotemporal scales of atmospheric circulation. De-correlation cases are remarkable when the dominant circulation on a regional scale is small. Moreover, mesh refinement increases the freedom of the RCM to develop its internal dynamic circulation, especially at small scales, and also across the whole spectrum of circulation regimes through the scales in which the RCM operates. Thus, when resolution increases, the RCM becomes more independent from the GCM behavior and the model results deviate significantly from the GCM. Focused on the methodological aspects of climate regionalization, this thesis helps to gain a better understanding on the regionalization practice. Il also sends a precautionary message to the RCM community, kindly inviting to verify their regionalization strategy.

Les écoulements en turbomachines (et notamment en turboréacteurs) sont caractérisés par de larges structures tourbillonnaires et de fortes intensités turbulentes. Ainsi, l’écoulement secondaire dans la région du jeu, en tête d’aube, est l’origine de pertes d’énergie, d’instabilités et de nuisances sonores. Une simulation fine de ces écoulements peut être obtenue par l’emploi de méthodes LES (Large-Eddy Simulation), qui permettent de capturer les fluctuations turbulentes majeures. Compte tenu des phénomènes rencontrés, le modèle de sous-maille SISM (shear-improved Smagorinsky model) est retenu ici. Ce modèle est local dans son écriture, et prend en compte l’influence du cisaillement moyen. Nous proposons ici deux méthodes de filtrage (locales en espace elles aussi) pour obtenir une évaluation du champ moyen requis par le modèle. Ces méthodes sont, dans un premier temps, testées sur une configuration de canal plan. L’écoulement en régime sous-critique autour d’un barreau cylindrique (Re = 4, 7 ×104) est proposé comme cas-test académique sélectif pour ces méthodes : cet écoulement présente de larges structures tourbillonnaires ainsi qu’une turbulence intense, tout comme l’écoulement de jeu. Les simulations permettent l’obtention de résultats très proches des données expérimentales. Une étude comparée des deux algorithmes d’extraction du champ moyen montre que l’adaptativité du filtrage de Kalman offre toutefois des résultats légèrement meilleurs. Enfin, l’analyse d’un écoulement de jeu par une méthode zonale est réalisée (approche LES en tête d’aube, RANS en pied). La simulation de référence obtient des résultats remarquables dans la zone de tête d’aube, en retrouvant notamment les spectres de vitesse expérimentaux. Une seconde simulation avec l’emploi d’un dispositif de contrôle par aspiration au niveau du carter montre deux conséquences principales à ce dispositif: une réduction des niveaux de turbulence aux environs de la tête d’aube, et une modification de la trajectoire du tourbillon de jeu. Celui-ci rencontre l’aube suivante dans la configuration de référence, ce qui n’est plus le cas dans la configuration avec contrôle. Ces deux observations ont une importance certaine dans la réduction des sources acoustiques. / Flows in turbomachines such as jet engines are subject to large vortical structures and strong turbulent intensities. In particular, secondary flows generated in the fan tip region result in energy losses, instabilities and noise radiation. An accurate simulation of such flows can be achieved with large-eddy simulation(LES), which reproduces the most energetic turbulent eddies. In regard of the flowphysics of highly unsteady wall-bounded flows, the SISM (shear-improved Smagorinsky model) is selected to model the sub-grid scales in the present study. This model is local and takes into account the influence of the mean shear. Two smoothing algorithms that are local in space are developed to evaluate the mean flow required by the model : an exponential averaging and an adaptative Kalman filter. These methods are first tested in a channel flow configuration. The numerical approaches are then evaluated on a relevant academic test case :the flow past a circular cylinder in the sub-critical regime (Re = 4, 7 × 104). This flow is dominated by large quasi-periodic vortical structures together with high intensity turbulent fluctuations; quite similarly but much simpler than those found in the tip gap flow. The aerodynamic as well as the acoustic results of the simulations are in very good agreement with the experimental data. A comparative study of the two smoothing algorithms for mean-flow extraction shows that the adaptability of the Kalman filtering leads to slightly better results. Finally, the study of a fan tip-gap flow is carried out with a zonal approach (LES in the tip region, RANS in the hub and midspan region). The reference simulation gives remarkable results in the blade-tip region, particularly for the velocity spectra. A second simulation with a control device by suction through the casing close to the blade leading edge shows two interesting features : a reduction of the turbulence level around the blade tip, and a modification of the tip-vortex trajectory (thus preventing impingement on the adjacent blade). These effects induce a notable reduction of the noise sources.

L’objectif de cette thèse est l’étude de l’évolution de champ scalaire transporté par un écoulement à partir d’une séquence d’images temporelles. L’estimation du champ de vitesse d’un écoulement turbulent est d’une importance majeure pour mieux comprendre le phénomène physique. Jusqu’à présent, le problème de la turbulence est généralement ignoré dans l’équation de mouvement des méthodes existantes. Les images contiennent une information discrète correspondant à la taille du pixel. Selon le niveau de turbulence de l’écoulement, les résolutions des pixels et du temps peuvent devenir trop grandes pour négliger l’effet des petites échelles (sous-pixel) sur le champ de vitesse. Nous proposons pour cela, une équation de mouvement définie par l’équation de transport de concentration filtrée pour laquelle un modèle classique de viscosité turbulente sous-maille est introduit afin de tenir compte de cet effet. Nous utilisons pour formuler le problème, une approche Markovienne. Une méthode de multirésolution par décomposition pyramidale, sans transformation d’image intermédiaire au cours du processus, est proposée. Cela permet de diminuer le nombre d’opérations sur les images. La méthode d’optimisation utilisée, couplée avec une approche multigrille, permet d’obtenir le champ de vitesse réel optimal. Notre approche est testée sur des séquences d’images synthétiques et réelles (expérience PIV et tempête de sable à partir d’image de télédétection) avec des nombres de Reynolds élevés. Les comparaisons avec des approches existantes sont très prometteuses. / The objective of this thesis is to study the evolution of scalar field carried by a flow from a temporal image sequence. The estimation of the velocity field of turbulent flow is of major importance for understanding the physical phenomenon. Up to now the problem of turbulence is generally ignored in the flow equation of existing methods. An information given by image is discrete at pixel size. Depending on the turbulent rate of the flow, pixel and time resolutions may become too large to neglect the effect of sub-pixel small-scales on the pixel velocity field. For this, we propose a flow equation defined by a filtered concentration transport equation where a classic turbulent sub-grid eddy viscosity model is introduced in order to account for this effect. To formulate the problem, we use a Markovian approach. An unwarping multiresolution by pyramidal decomposition is proposed which reduces the number of operations on images. The optimization coupled with a multigrid approach allows to estimate the optimal 2D real velocity field. Our approach is tested on synthetic andreal image sequences (PIV laboratory experiment and remote sensing data of dust storm event) with high Reynolds number. Comparisons with existing approaches are very promising.

Cette thèse est consacrée à la simulation du mélange de scalaires passifs à grand nombre de Schmidt (faible diffusion), au moyen d’un modèle de sous-maille structurel pour la Simulation aux Grandes Echelles (LES pour Large Eddy Simulation) reposant sur le caractère multifractal des champs de gradient en turbulence. L’analyse multifractale des champs de dissipation scalaire permet, à l’aide d’une description statistique des singularités, de prendre en compte l’intermittence inhérente à ces champs. Des simulations numériques directes du mélange à différents nombres de Schmidt supérieurs à l’unité sont mises en oeuvre. Une analyse multifractale au moyen de différentes méthodes est menée afin d’obtenir les spectres de singularités de la dissipation scalaire. Une implantation du modèle de sous-maille multifractal pour la vitesse, proposé par Burton et al., est d’abord réalisée dans le code volumes finis YALES2.Une modification du modèle équivalent pour les scalaires, reposant sur une cascade multiplicative pour reconstruire la dissipation scalaire de sous-maille, est proposée afin de prendre en compte le micro-mélange à grand nombre de Schmidt. Ce modèle de sous-maille est alors évalué au moyen de tests a priori. / This thesis is focused on the simulation of turbulent mixing of passive scalars at high Schmidt numbers (low diffusivity). The modeling work is based on a structural subgrid-scale model for Large Eddy Simulation relying on the multifractal nature of gradient fields in turbulence.The multifractal formalism provides a mean to handle the characteristic intermittency of scalar dissipation fields through a statistical description of their singularities. Direct Numerical Simulations of mixing at several Schmidt numbers above unity are run with a dedicated code. Different methods are used to perform a multifractal analysis of scalar dissipation. The multifractal subgrid-scale model of Burton et al. for velocity is implemented in the Finite Volume code YALES2. A modification of the equivalent multifractal model for scalars is proposed to take into account micro-mixing at high Schmidt numbers. The model shows satisfactory results when tested a priori against direct simulations.

La modélisation par simulation des grandes échelles (Large-Eddy Simulation - LES) des processus physiques régissant la couche limite atmosphérique (CLA) demeure complexe de part la difficulté des modèles à capter l'évolution de la turbulence entre différentes conditions de stratification. De ce fait, l'étude LES du cycle diurne complet de la CLA comprenant des situations convectives la journée et des conditions stables la nuit est très peu documenté. La simulation de la couche limite stable où la turbulence est faible, intermittente et qui est caractérisée par des structures turbulentes de petite taille est tout particulièrement compliquée. En conséquence, la capacité de la LES à bien reproduire les conditions météorologiques de la CLA, notamment en situation stable, est étudiée à l'aide du code de mécanique des fluides développé par EDF R&D, Code_Saturne. Dans une première étude, le modèle LES est validé sur un cas de couche limite convective quasi stationnaire sur terrain homogène. L'influence des modèles sous-maille de Smagorinsky, Germano-Lilly, Wong-Lilly et WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity) ainsi que la sensibilité aux méthodes de paramétrisation sur les champs moyens, les flux et les variances est discutées. Dans une seconde étude le cycle diurne complet de la CLA pendant la campagne de mesure Wangara est modélisé. L'écart aux mesures étant faible le jour, ce travail se concentre sur les difficultés rencontrées la nuit à bien modéliser la couche limite stable. L'impact de différents modèles sous-maille ainsi que la sensibilité au coefficient de Smagorinsky ont été analysés. Par l'intermédiaire d'un couplage radiatif réalisé en LES, les répercussions du rayonnement infrarouge et solaire sur le jet de basse couche nocturne et le gradient thermique près de la surface sont exposées. De plus l'adaptation de la résolution du domaine à l'intensité de la turbulence et la forte stabilité atmosphérique durant l'expérience Wangara sont commentées. Enfin un examen des oscillations numériques inhérentes à Code_Saturne est réalisé afin d'en limiter les effets

La diffraction des rayons X à haute énergie est une technique puissante pour caractériser les transformations de phases dans les matériaux métalliques. Cette technique nous a permis d'étudier quantitativement le changement de phases ß ? a + ß dans les alliages de titane au cours de traitements thermiques. Nous avons pu caractériser les différentes phases en présence, déterminer en temps réel les cinétiques de transformation et suivre l'évolution des paramètres de maille de chacune des phases. Dans un premier temps, nous avons étudié le changement de phases a + ß ? ß des alliages Ti17, Ti64 et Ti6242, au cours du chauffage en utilisant des vitesses lentes. Les évolutions des paramètres de maille ont été corrélées aux variations de composition chimique des phases (déterminées par ThermoCalc). Les cinétiques de transformation ont ensuite été comparées à celles calculées par l'intermédiaire d'un modèle par champ de phases. Dans le cas de l'alliage Ti17, la transformation de phases ß ? a + ß a également été étudiée au refroidissement. Différentes conditions de refroidissement ont été étudiées : en condition anisotherme au cours de refroidissements continus et en condition isotherme, au cours de maintiens à différentes températures. L'influence du chemin thermique a également été étudié, en réalisant des revenus à partir d'un état [bêta]-métastable à température ambiante. Les cinétiques de transformation obtenues ont été comparées à celles déterminées par résistivité électrique. L'évolution des paramètres de maille des phases et de la largeur à mi hauteur (FWHM) des pics de la phase [bêta] ont permis de mettre en évidence les variations de composition chimique de cette phase et les changements d'état de contrainte engendrés lors des transformations / The high energy X-rays diffraction is a powerful tool to characterize the phase transformation in metallic materials. Its use in the case of titanium alloys has allowed to study the phase transformation during heat treatments. We were able to characterize the different phases involved, to determine in situ the evolution of the mass fraction and the cell parameters of each phase. In the first time, we have studied the phase transformation a + ß ? ß during heating of Ti17, Ti64 and Ti6242 titanium alloys. The cell parameters evolutions have been compared to the chemical composition variations (determined by Thermocalc). Then, the transformation kinetics have been compared to calculated results obtained by a phase field approach. For the Ti17 alloy, we have characterized the phase transformation ß ? a + ß during the cooling. Different conditions were used: the anisothermal condition (during continuous cooling) and the isothermal condition (during dwells at different temperatures). The influence of the thermal path have been considered by means of tempering from a [bêta]-metastable state at room temperature. The evolution of the phase fraction has been compared to kinetics measured by electrical resistivity. The cell parameter and full width at half maximum (FWHM) variations and of each phase have allowed to highlight the changes of the chemical composition and the elastic strain during phase transformation

Cette thèse s'inscrit dans la perspective des traitements de radiothérapie en insistant sur la nécessité de disposer d’un logiciel de planification de traitement (TPS) rapide et fiable. Le TPS est composé d'un algorithme de calcul de dose et d’une méthode d’optimisation. L'objectif est de planifier le traitement afin de délivrer la dose à la tumeur tout en sauvegardant les tissus sains et sensibles environnant. La planification des traitements consiste à déterminer les paramètres d’irradiation les mieux adaptés au patient. Dans le cadre de cette thèse, les paramètres d'un traitement par RCMI (Radiothérapie Conformationnelle avec Modulation d'Intensité) sont la position de la source, les orientations des faisceaux et, pour chaque faisceau composé de faisceaux élémentaires, la fluence de ces derniers. La fonction objectif est multicritère en associant des contraintes linéaires. L’objectif de la thèse est de démontrer la faisabilité d'une méthode d'optimisation du plan de traitement fondée sur la technique de calcul de dose rapide développée par (Blanpain, 2009). Cette technique s’appuie sur un fantôme segmenté en mailles homogènes. Le calcul de dose s’effectue en deux étapes. La première étape concerne les mailles : les projections et pondérations y sont paramétrées en fonction de critères physiques et géométriques. La seconde étape concerne les voxels: la dose y est calculée en évaluant les fonctions préalablement associées à leur maille.Une reformulation de cette technique permet d’aborder le problème d’optimisation par la méthode de descente de gradient. L’optimisation en continu des paramètres du traitement devient envisageable. Les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse ouvrent de nombreuses perspectives dans le domaine de l’optimisation des plans de traitement en radiothérapie. / This thesis deals with the radiotherapy treatments planning issue which need a fast and reliable treatment planning system (TPS). The TPS is composed of a dose calculation algorithm and an optimization method. The objective is to design a plan to deliver the dose to the tumor while preserving the surrounding healthy and sensitive tissues.The treatment planning aims to determine the best suited radiation parameters for each patient’s treatment. In this thesis, the parameters of treatment with IMRT (Intensity modulated radiation therapy) are the beam angle and the beam intensity. The objective function is multicritiria with linear constraints.The main objective of this thesis is to demonstrate the feasibility of a treatment planning optimization method based on a fast dose-calculation technique developed by (Blanpain, 2009). This technique proposes to compute the dose by segmenting the patient’s phantom into homogeneous meshes. The dose computation is divided into two steps. The first step impacts the meshes: projections and weights are set according to physical and geometrical criteria. The second step impacts the voxels: the dose is computed by evaluating the functions previously associated to their mesh.A reformulation of this technique makes possible to solve the optimization problem by the gradient descent algorithm. The main advantage of this method is that the beam angle parameters could be optimized continuously in 3 dimensions. The obtained results in this thesis offer many opportunities in the field of radiotherapy treatment planning optimization.

Ce travail est dédié à la simulation d’écoulements multidimensionnels de gaz raréfiés dans un domaine où l’interface avec le solide est mobile. Le comportement du gaz est modélisé par un modèle de type BGK de l’équation de Boltzmann et une méthode déterministe de vitesses discrètes est utilisée pour discrétiser l’espace des vitesses microscopiques.Dans ce document, nous proposons tout d’abord trois discrétisations spatiales du modèle qui permettent la prise en compte du mouvement des parois solides, grâce à un traitement spécifique des conditions aux limites. Ces approches sont implémentées et validées pour plusieurs cas unidimensionnels et à la suite de cette étude, la méthode maille coupée est choisie pour une extension à des écoulements de dimensions plus élevées.La suite du travail présente l’algorithme utilisé pour la simulation d’écoulements 2D et 3D. La précision et la robustesse de l’implémentation sont mises en avant grâce à la simulation de nombreux cas tests, dont les résultats sont comparés à ceux issus de la littérature. La méthode maille coupée a notamment été optimisée par une technique de raffinement de maillage adaptatif. La simulation instationnaire 3D de la rotation des pâles du radiomètre de Crookes illustre pleinement le potentiel de la méthode. / This work is devoted to the multidimentional simulation of rarefied gases in a domain with moving boundary. The governing equation is given by BGKtype model of Boltzmann equation and velocity space is discretized with a standard discrete velocity method.We first propose three space discretizations that take boundary motion into account by specific treatment of the boundary conditions. These approaches are implemented and validated for several 1D flows. Based on this study, the cut cell method is chosen to be extend to multidimentional flows.Then we detail the cut cell algorithm for 2D and 3D flow simulations. Robustness and accuracy of the implementation are investigated through the simulation of numerous test cases. Our results are rigorously compared to the ones coming from the literature and good agreement is shown. The cut cell method has been optimized with an adaptive refinement mesh technique. The 3D unstationary simulation of the Crookes radiometer rotating vanes is a perfect illustration of the method potential.