Dans un contexte où la pollution, qu'elle soit sonore ou environnementale, continue de s'accroître malgré les efforts déployés, ce projet de recherche propose la conception d'un absorbant acoustique à base de fibres naturelles possédant un fort potentiel acoustique, la soie d'asclépiade. Produite au Québec, cette fibre permet de respecter les grands principes du développement durable. Pour assurer une conception optimale, la démarche proposée passe par l'adaptation d'un modèle acoustique micro-macro de matériaux fibreux afin de relier le comportement acoustique aux paramètres de conception, qui sont l'orientation des fibres, leurs diamètres ainsi que la masse volumique apparente de l'agrégat. En premier lieu, la validité du modèle micro-macro pour le cas des fibres creuses est investiguée. Pour ce faire, une correction de l'expression de la porosité du matériau est proposée afin d'alimenter le modèle micro-macro avec la porosité externe aux fibres uniquement, comme cela aurait été le cas pour des fibres pleines. Cette approche est validée à l'aide de mesures directes et ultrasonores de la porosité, montrant que la porosité « acoustique » est inférieure à la porosité totale mesurée directement. Les résultats du modèle sont ensuite comparés avec des mesures en tube d'impédance d'échantillons de fibres en vrac à différents taux de compaction. On peut observer que le comportement global de la fibre est bien capté par le modèle, qui se compare bien avec le modèle classique de Miki. On y observe aussi que la résistivité mesurée suit bien les prédictions du modèle pour un arrangement de fibres dans le plan perpendiculaire au sens de propagation de l'onde acoustique. C'est aussi cet arrangement qui permet d'obtenir les meilleurs résultats en termes d'absorption acoustique. Ensuite, une modélisation de type double porosité avec une loi des mélanges est proposée afin de capter l'effet acoustique de la fibre creuse. On peut observer que pour ces dimensions de fibres, l'effet n'est pas très marqué car la perméabilité du domaine microporeux est faible. Par contre, la loi des mélanges permet de bien corriger le modèle proposé. En second lieu, des tests de fabrication sont réalisés à partir de mats d'asclépiade. Le mat est un mélange d'asclépiade et de fibres bicomposantes formé d'un empilement thermolié de voiles préalablement cardés. Les mats sont compactés et thermoliés de façon à obtenir un matériau d'épaisseur et de masse volumique apparente déterminées. Les meilleurs résultats ont été obtenus sous presse chauffante. Le matériau résultant est ensuite testé et comparé à la mousse de mélamine, une référence en termes d'absorbant acoustique léger. La démarche suivie dans ces travaux a permis de fabriquer un matériau acoustique exploitant le plein potentiel acoustique de la soie d'asclépiade grâce à une optimisation via le modèle prédictif proposé. Pour des développements futurs, il serait intéressant d'étudier les effets de fibres creuses de plus grandes dimensions, en plus de valider l'applicabilité du procédé de fabrication sur ces fibres.

Le chapitre 1 introduit les modèles et donne les principaux résultats obtenus. Dans le chapitre 2, on présente des simulations numériques d'un modèle macroscopique en deux dimensions. La méthode de discrétisation par éléments finis utilisée est décrite. Pour le cas test de l'écoulement autour d'un cylindre, les phénomènes en jeu dans les fluides vieillissants sont observés. Le chapitre 3 concerne l'étude mathématique de la version unidimensionnelle du système d'équations aux dérivées partielles utilisé pour les simulations. On montre que le problème est bien posé et on examine le comportement en temps long de la solution. Dans le dernier chapitre, des équations macroscopiques sont dérivées à partir d'une équation mésoscopique. L'analyse mathématique de cette équation mésoscopique est également menée / This thesis is devoted to the modelling, the mathematical analysis and the simulation of non-Newtonian fluids. Some fluids in an intermediate liquid-solid phase are particularly considered: aging fluids. Modelling scales are macroscopic and mesoscopic. In Chapter 1, we introduce the models and give the main results obtained. In Chapter 2, we present numerical simulations of a macroscopic two-dimensional model. The finite element method used for discretization is described. For the flow past a cylinder test-case, phenomena at play in aging fluids are observed. The Chapter 3 contains a mathematical analysis of the one-dimensional version of the system of partial differential equations used for the simulations. We show well-posedness and investigate the longtime behaviour of the solution. In the last chapter, macroscopic equations are derived from a mesoscopic equation. The mathematical analysis of this mesoscopic equation is also carried out

Depuis une trentaine d’années, le développement durable s’est imposé comme un référentiel dans l’action, tant privée que publique. L’exigence qu’il pose de mettre en cohérence des normes globales avec des pratiques localisées, engage la question de la coopération territoriale. Ainsi, nous tentons de voir en quoi la mise en application de stratégies de développement durable par certaines collectivités territoriales de la région Nord – de Pas de Calais, permet un meilleur traitement du problème de l’articulation micro-macro des décisions. La mobilisation de la grille de lecture des « Économies de la Grandeur » permet de montrer que cette mise en cohérence résulte du partage de représentations sur le sens d’une notion dont les approches sont très diverses. À cet égard, l’existence d’une convention de développement durable apparaît comme le signe d’un traitement adapté de l’articulation micro-macro. À partir d’analyses des discours d’une trentaine d’acteurs locaux, nous avons dégagé trois principaux résultats. 1/. Il n’existe pas de grandeur morale de la durabilité, dotée d’une légitimité propre, capable de susciter l’adhésion des individus à une action collective en faveur du développement durable. 2/. La formation d’un cadre de représentations communes émerge de la pratique des acteurs. Cette convention pragmatique prend appui sur diverses critiques du compromis du service public français. Elle élargit ainsi les grandeurs industrielle (écoefficacité) et civique (solidarité territoriale, intergénérationnelle…), à partir d’éléments propre à la cité domestique (identité territoriale). 3/. Cette convention se trouve configurée dans une nouvelle gouvernance par projets qui assure l’existence d’espace ponctuels de coopération territoriale. / For the last thirty years, sustainable development has become a reference for action that private or public decision-makers cannot ignore. Bringing forward issues of territorial cooperation, this notion emphasizes the consistency between global norms and local practices. Therefore, we assume that the implementation of sustainable development strategies in the territorial communities of the Nord – Pas de Calais Region could improve the understanding of the micro-macro decisions articulation. Using the “Economies of Worth” framework, we show that micro-macro consistency of the decisions comes from cognitive representations that are shared by the communities. This seems uneasy to set-up given the large diversity of the approaches of sustainable development. The existence of a “convention”, in the French “Economics of Conventions” sense, would mean that the problem has been properly considered by the territorial actors. Three main conclusions can be drawn from their speeches analysis. 1/. Sustainable development does not rely on a moral worth that would have a legitimate foundation on its own, enabling individual commitment to sustainable development collective actions. 2/. The shaping of collective representations, shared by the actors, rises from their sustainable development practices. This pragmatic convention relies on various criticisms of the “compromise” of the French public service. Therefore, it widens the industrial worth (eco-efficiency) and the civic worth (territorial and intergenerational solidarity), using elements from the domestic polity. 3/. This convention is set-up in a governance of public actions based on sustainable development projects, ensuring the local existence of cooperation spaces.

Cette thèse propose différentes méthodes numériques pour simuler les plasmas ou les faisceaux de particules chargées à coût réduit. Le mouvement de particules chargées soumises à un champ électromagnétique est régi par l'équation de Vlasov, couplée aux équations de Maxwell ou de Poisson. Dans la première partie, une méthode multi-fluides est utilisée pour la résolution du système de Vlasov-Poisson 1D. Elle est basée sur la connaissance a priori de la forme prise par la fonction de distribution f. Ce type de méthodes est plutôt adapté aux systèmes restant proches de l'état d'équilibre. La deuxième partie propose de décomposer f en une partie d'équilibre et une perturbation. L'équilibre est résolu par une méthode fluide, la perturbation par une méthode cinétique plus précise. On construit un schéma préservant l'asymptotique pour le système de Vlasov-Poisson-BGK basé sur une telle décomposition. On étudie dans la troisième partie la méthode PIC en géométrie 2D axisymétrique. Un travail basé sur l'analyse isogéométrique est présenté ainsi qu'un code PIC - Galerkin Discontinu parallélisé sur carte graphique. / This thesis presents different numerical methods for the simulation of plasmas or charged particles beams with reduced cost. Movement of charged particles in an electromagnetic field is given by the Vlasov equation, coupled to the Maxwell equations for the electromagnetic field, or to the Poisson equation. In the first part, a multi-fluid method is used for solving the 1D Vlasov-Poisson system. It is based on the a priori knowledge of the shape of f. This kind of methods is rather adapted to systems staying close to the equilibrium. The second part presents the decomposition of f between an equilibrium part and a perturbation. The equilibrium part is solved by a fluid method whereas we use a kinetic method for the perturbation. We construct an asymptotic preserving scheme for the Vlasov-Poisson-BGK system using such a decomposition. The third part deals with the PIC method in 2D axisymmetric geometry. A work based on isogeometric analysis is presented, and then a PIC - Discontinuous Galerkin program computed on graphic card.

La déformation de la glace des calottes polaires implique des vitesses de déformation inférieures à 10e-10 s-1. La glace se déforme essentiellement par glissement intracristallin auquel sont associés les processus de grossissement normal et de recristallisation dynamique. La loi de fluage se caractérise par un exposant des contraintes inférieur à 2. Les mécanismes physiques qui interviennent au cours de la déformation de la glace polaire sont étudiés par l'intermédiaire d'un modèle physique basé sur l'équilibre écrouissage / restauration. Des expèriences de diffraction des rayons X à hautes énergies sont réalisées sur des monocristaux de la carotte de Vostok (Antarctique). Ces mesures ont permis de caractériser les distorsions du réseau cristallin de ces glaces et de préciser les modes de déformation. Les dislocations géométriquement nécessaires auxquelles sont associées les hétérogénéités de déformation dans les grains sont des dislocations basales de type vis ou coin. Nous présentons une étude de la simulation du développement des textures par le modèle viscoplastique autocohérent VPSC "1-site" de Lebensohn et Tomé (1993). Ce dernier a été modifié afin d'améliorer la prise en compte des caractéristiques de la déformation inhérente aux glaces polaires. Une bonne estimation du développement des textures des glaces de Vostok et de GRIP (Groenland) est obtenue. Le couplage à un modèle de recristallisation par rotation ne permet pas de montrer l'effet des mécanismes de germination et de grossissement des grains sur le développement des textures. Enfin, une perspective est ouverte par une simulation de type "n-sites", le modèle FFT élaboré par Lebensohn (2001), permettant de prendre en compte les hétérogénéités de déformation dans les grains, et les interactions entre grains.

Ce travail est consacré au développement d'un outil numérique simulant l'expansion d'une mousse polymère. Un volume de mousse est décrit par un ensemble de bulles de gaz évoluant dans une matrice polymère. Son expansion est provoquée par la surpression du gaz. Un système d'équations décrivant les champs de vitesse et de pression est établi dans le liquide et dans le gaz. Le calcul de la pression du gaz, homogène dans chaque bulle, nécessite de connaître individuellement l'emplacement de chaque bulle: notre approche est multidomaine. Dans un contexte eulérien, chaque domaine est suivi par sa fonction caractéristique, laquelle est solution d'une équation de transport. Cette équation, purement convective, est résolue par une méthode éléments finis espace-temps Galerkin discontinu. Cette méthode est implicite: sa stabilité ne dépend pas du pas de temps. Une technique de r-adaptation de maillage diminue la diffusion liée à la discrétisation, et améliore la description des interfaces. Enfin, le domaine de calcul croît avec les bulles. Cette expansion globale préserve la géométrie du domaine, ainsi que la quantité de liquide contenue dans ce domaine. Cette méthodologie permet de simuler la formation d'une structure cellulaire: le taux de gaz passe de quelques pourcent à 80%, le liquide est piégé entre les bulles, et les cellules adoptent des formes polyédriques. L'approche locale développée est appliquée pour établir l'évolution de la viscosité et de la vitesse d'expansion d'un échantillon de mousse en fonction de sa structure. Un passage micro-macro permet d'utiliser ces lois pour simuler l'expansion macroscopique d'une mousse.

L'industrie cherche en permanence à minimiser le temps et les coûts, à simplifier leur processus de fabrication tout en maximisant la qualité de leurs produits. Cette démarche s'applique pour l'industrie de la mise en forme des métaux. Dans ce contexte, un procédé innovant de mise en forme, le thixoforgeage, s'est développé, permettant d'obtenir des pièces de formes complexes aux qualités mécaniques élevées en minimisant le nombre de phases du processus de fabrication. Ce procédé utilise les propriétés de l'état semisolide des alliages métalliques, cet état étant obtenu par fusion partielle du solide. Dans le cadre de la mise en forme de l'acier à l'état semi-solide, les difficultés liées à la température de travail et la méconnaissance du comportement mécanique et thermomécanique du matériau rendent difficile le développement industriel du procédé. Cette thèse a l'ambition d'améliorer la compréhension du comportement de l'acier lors de sa mise en forme par thixoforgeage. L'objectif est également de développer l'exploitation du modèle original deux phases multiéchelle « micro-macro », et son implémentation dans les solveurs 2D et 3D de Forge 2007®. Pour atteindre cet objectif, des essais expérimentaux avec des dispositifs spécifiques et innovants ont été réalisés. Une étude paramétrique de l'opération de thixoforgeage a été mise en place. Les principaux paramètres de conduite du procédé ont été identifiés. Ces paramètres sont la vitesse de mise en forme, la température initiale de l'acier et la température initiale de l'outil. Pour chaque essai, l'évolution des efforts de mise en forme, la nature de l'écoulement et la qualité des pièces produites au travers de l'observation macrographiques et micrographiques de leur structure métallurgique et d'essais mécaniques, ont été étudiées. Des essais avec des outillages instrumentés ont également permis une caractérisation des échanges thermiques entre l'outil et la pièce lors de la mise en forme. Ce nombre important d'essais a permis de décrire l'influence et de montrer l'importance de ces paramètres dans la mise en forme par thixoforgeage. Ces essais ont également servi de base au recalage du modèle multiéchelle « micro-macro » et des coefficients d'échange thermique entre l'outil et la pièce. Les essais et les simulations ont été comparés afin de déterminer et améliorer la capacité prédictive du modèle implémenté dans le logiciel Forge2007®.

The engineered barrier system is a basic element in the design of repository to isolate high level radioactive waste (HLW). In this system, the clay barrier plays a prominent role in dispersing the heat generated from the waste, reduce the flow of pore water from the host rock, and maintaining the structural stability of the waste canister. The compacted expansive clay (generally bentonite blocks) is initially in unsaturated state. During the life time of the repository, the barrier will undergo different coupled thermal, hydrological and mechanical (THM) phenomena due to heating (from the heat-emitting nuclear waste) and hydration (from the saturated host rock). The design of nuclear waste disposal requires the prediction of the long term barrier behavior (i.e. hundred or thousand years), so numerical modeling is a basic component of the repository design. The numerical analyses are performed using mathematical THM formulation and the associated numerical code. Constitutive models are an essential part of the numerical simulations. Those constitutive models represent the intrinsic behavior of the material for the individual physical phenomenon (i.e. thermal, hydraulic and mechanical). Deterministic analyses have shown the potential of such mathematical formulations to describe the physical behavior of the engineered barrier system. However, the effect of the inherent uncertainties associated with the different constitutive models on the global behavior of the isolation system has not been explored yet. The first part of this thesis is related to application of recent probabilistic methods to understand and assess the impact of uncertainties on the global THM model response. Experimental data associated with the FEBEX project has been adopted for the case study presented in this thesis. CODE_BRIGHT, a fully coupled THM finite element program, is used to perform the numerical THM analysis. The second part of this thesis focuses on the complex mechanical behavior observed in a barrier material subjected (during 5 years) to heating and hydration under actual repository conditions The studied experiment is the (ongoing) full scale in-situ FEBEX test at Grimsel test site, Switzerland. A partial dismantling of this experiment has allowed the inspection of the barrier material subjected to varying stresses due to hydration and heating. The clay underwent both elastic and plastic volumetric deformations at different suction and temperature levels with changes in the pre-consolidation pressure and voids ratio that are difficult to explain with conventional models. In this thesis a double structure elasto plastic model is proposed to study the mechanical behavior of this barrier material. The numerical modeling was performed with CODE_BRIGHT. The study shows that the double structure model explains satisfactorily the observed changes in the mechanical behavior of the clay material.

Le comportement spécifique des Alliages à Mémoire de Forme (AMF) est dû à une transformation de phase appelée transformation martensitique. Cette transformation de phase peut être activée par des variations de température mais aussi par des chargements mécaniques. Si le comportement 1D de ces alliages est bien connu, la modélisation du comportement de ces alliages sous sollicitations multiaxiales complexes pose encore quelques problèmes.<br />Dans un premier temps, nous nous intéressons à la validation expérimentale directe d'une relation entre la fraction volumique de martensite et la déformation de transformation qui est utilisée dans de nombreux modèles. Pour cela des essais en traction-compression-torsion avec suivi de résistance électrique sur un AMF de type Cu-Al-Be sont réalisés. Ces essais mettent en évidence les effets de la texture de ces alliages sur leur comportement.<br />Par ailleurs, des simulations numériques de type micro-macro sont réalisées, pour différentes textures et pour différents trajets multiaxiaux proportionnels. Ces simulations complètent, d'une part, la base de données expérimentale, et permettent, d'autre part, de valider les hypothèses retenues pour la modélisation.<br />Enfin, des essais anisothermes de traction compression torsion proportionnels et non proportionnels sont réalisés sur un AMF de type Ni-Ti. Une surface de début de réorientation de phase R est ainsi mise en évidence.

Cette thèse comporte trois parties. <br />Dans la première, nous présentons une méthode de simulation d'écoulements fluide/particules. Nous montrons que la pénalisation du tenseur des contraintes, associée à une discrétisation en temps par la méthode des caractéristiques, conduit à une formulation variationnelle de type Stokes généralisée. Des tests numériques sont effectués sous FreeFem++ afin d'étudier la convergence. Nous en présentons également trois exemples d'utilisation. <br />Dans la seconde partie nous proposons un modèle permettant de prendre en compte les forces de lubrification dans les simulations directes d'écoulements fluide/particules. Nous présentons d'abord un modèle de contact visqueux dans le cas particule/plan, obtenu comme limite, à viscosité nulle, du modèle de lubrification. Nous décrivons ensuite un algorithme reposant sur une étape de projection des vitesses, à chaque instant, sur un espace dit de vitesses admissibles. On montre alors la convergence du schéma et on généralise l'algorithme au cas multi-particules. Nous en présentons également un exemple de programmation orientée objet. <br />Dans la dernière partie, nous considérons un système discret de sphères (boulier en 1D) qui interagissent à travers la force de lubrification. Le modèle microscopique repose sur le développement de cette force à courte distance. Nous proposons une équation constitutive marcoscopique, de type Newtonien, reposant sur une viscosité linéique proportionnelle à l'inverse de la fraction locale de fluide. Nous établissons la convergence du modèle microscopique vers le modèle macroscopique proposé.