La contraction périodique du coeur est à l’origine de l’onde de pouls qui, de part son interaction avec les artères élastiques, le sang et le réseau artériel lui-même, devient le signal observé quotidiennement par les médecins. Cette dynamique ondulatoire est d’une importance primordiale dans la compréhension de la genèse de nombreuses maladies cardiovasculaires. En effet, ce sont souvent des facteurs hémodynamiques qui sont à l’origine de la croissance de ces pathologies. Malheureusement, les mesures non-invasives et l’imagerie médicale sont souvent insuffisantes pour appréhender la complexité des écoulements sanguins. La simulation numérique est donc en plein essor car celle-ci permet d’obtenir des données précises dans des régions vasculaires difficiles d’accès. Bien que les modèles sanguins tridimensionnels soient très précis et permettent de reproduire fidèlement la géométrie vasculaire, leur coût, à la fois numérique et paramétrique, est trop important pour que ceux-ci soient utilisés dans de grands réseaux vasculaires. Nous avons donc choisi d’utiliser des modèles simplifiés qui permettent d’accéder à cette dynamique de réseau si importante. Premièrement, nous nous sommes intéressés aux modèles unidimensionnels et nous avons développé de nouvelles approches permettant de prendre en compte l’aspect non-Newtonien du sang et la viscoélasticité des parois artérielles. Secondement, nous avons proposé un modèle bidimensionnel, que nous avons utilisé pour simuler l’écoulement dans des sténoses et anévrismes. Finalement, nous avons utilisé ces modèles pour décrire l’écoulement du sang dans de grands réseaux artériels et pour optimiser un pontage extracorporel. / Every cardiac cycle, the heart contracts and ejects blood into the vascular network. This periodic inflow translates into the propagation of a pulse wave, which, through interactions with the elastic arterial wall, the blood and the complex arterial network, shapes itself into the pulsatile signal clinicians observe on a daily basis. Understanding these complex wave propagation dynamics is of great clinical relevance as large arteries are a breeding ground for many common cardiovascular pathologies which are often triggered by hemodynamical factors. Unfortunately, hemodynamics in large arteries are too complex to be apprehended using only non-invasive measurements and medical imaging techniques. Patient-specific numerical simulations of blood flow have therefore been developed to provide clinicians with valuable insights on pathogenesis and the outcome of surgeries. As three-dimensional models are usually used only in small portions of the cardiovascular system due to their high modeling and computational costs, we have used reduced-order models to reproduce complex wave propagation behaviors in large networks of arteries. We have first focused on one-dimensional models for blood flow and developed novel approaches that take into account the non-Newtonian behavior of blood and the viscoelastic response of the arterial wall. Next, we have proposed a fluid-structure interaction twodimensional blood flow model to capture the complex flow patterns in stenoses and aneurysms unavailable to classical one-dimensional models. Finally, we have applied these models to compute the flow in large arterial networks and to predict the outcome of bypass surgeries.

Les maladies cardiovasculaires représentent la première cause de mortalité dans le monde. L’hypertension artérielle et l’hypertrophie du ventricule gauche en constituent deux facteurs de risque souvent asymptomatiques. Dans ce contexte, la pression aortique s’impose comme un indicateur de la santé cardiovasculaire reflétant non seulement les propriétés biomécaniques des artères centrales mais aussi la post-charge ventriculaire. La mesure de ce paramètre hémodynamique est donc cruciale pour le diagnostic et la prise en charge thérapeutique. L’objectif de ce travail est d’estimer non-invasivement la pression aortique en couplant l’Imagerie par Résonance Magnétique Cardiovasculaire (IRM-CV) à la modélisation de l’écoulement sanguin. Nous avons ainsi opté pour un modèle biomécanique unidimensionnel (1D) réduit, prenant en compte l’interaction du sang avec la paroi élastique de l’aorte. Ce segment 1D est couplé en sortie à un modèle Windkessel, dit 0D, modélisant l’ensemble du réseau vasculaire en aval de l’aorte. Les paramètres locaux du modèle 1D ainsi que ses conditions aux limites (conditions d'entrée et paramètres du modèle 0D) sont déterminés à partir des données acquises non-invasivement par IRM-CV. Cela permettrait des prédictions 1D spécifiques à chaque sujet/patient. Nous avons évalué la validité du modèle sur des fantômes d’aorte saine et pathologique. Un banc expérimental compatible avec l’IRM a été mis en œuvre; il reproduit au mieux l’écoulement aortique in vivo. Des mesures de pression invasives ont été confrontées à celles prédites par le modèle 1D. Nous avons également évalué la sensibilité du modèle 1D aux paramètres d’entrée. / Cardiovascular (CV) diseases remain the most common cause of death worldwide. Hypertension and left ventricle hypertrophy are two major risk factors associated to such diseases. In this context, aortic blood pressure is considered as a biomarker of increased CV risk and, more generally, a CV health indicator. In fact, it encodes information about biomechanical properties of central elastic arteries and represents left ventricle afterload. Assessment of this hemodynamic parameter is thus crucial for CV disease diagnosis and for evaluating therapeutic benefits. The aim of this work is to non-invasively assess the aortic blood pressure by coupling CV Magnetic Resonance Imaging (CV-MRI) to blood flow modeling. We thus developed a reduced one-dimensional (1D) flow model taking into account the fluid-structure interaction. A Windkessel (or zero-dimensional (0D)) model describing the arterial tree downstream of the aorta was coupled to the 1D segment. Both 1D model parameters and boundary conditions (inlet condition and 0D model parameters) were non-invasively determined using CV-MRI data. This gives the opportunity of deriving subject- or patient-specific blood flow models. To validate our approach, we applied our model to both healthy and pathologic aorta phantoms. Each phantom was mounted in an experimental setup reproducing as well as possible in vivo aortic flow and compatible with the MRI environment. Invasive pressure recording was compared to predicted pressure waves. We also performed a sensitivity analysis of our reduced 1D model.

Le Rim-Rotor Rotary Ramjet Engine (R4E) a le potentiel de remplacer les turbines à gaz de 1 MW et moins en offrant : (1) une densité de puissance de 7.6 kW/kg, soit le double des turbines à gaz actuelles, (2) une meilleure fiabilité et un moindre coût par sa pièce mobile unique et (3) une efficacité de plus de 20 %, soit similaire aux turbines à gaz de cette puissance.Le R4E convertit la grande vitesse tangentielle du mélange air-carburant, idéalement 1000 m/s, en une grande pression dans la chambre de combustion. La combustion des réactifs augmente le volume du gaz ce qui force les produits à sortir à une grande vitesse tangentielle. La poussée générée est récupérée en travail mécanique à l'arbre directement ou est convertie en électricité. Ce travail présente la conception de la géométrie des propulseurs à l'aide d'un modèle 1D généralisé basé sur l'analyse préliminaire, ainsi que la validation expérimentale d'un prototype faisant la preuve de concept du R4E à travers 5 étapes principales s'étendant sur 2 versions du prototype : (1) la friction aérodynamique, (2) l'écoulement dans le moteur, (3) l'allumage, (4) la combustion et (5) la démonstration de la puissance nette des ailettes. La friction aérodynamique de la paroi externe du Rim-Rotor dépasse de 35 % les modèles actuels ce qui en fait le mécanisme de perte le plus important.Le débit massique dans le moteur est de 30 % inférieur à la valeur estimée par le modèle 1D pour la géométrie testée. La puissance de trainée des statoréacteurs sans combustion mesurée est en ligne avec la puissance prédite pour un débit massique corrigé expérimentalement. En ce qui concerne la combustion dans le moteur, le champ centrifuge extrême domine le mécanisme de propagation de la flamme. Un modèle simple de flottaison est utilisé pour prédire la longueur du front de flamme, représentant les produits chauds qui ont tendance à"flotter" sur les réactifs froids. Un modèle numérique est élaboré pour valider la propagation de la flamme jusqu'à une accélération centrifuge de 1.1 million de g et montre une bonne corrélation avec le modèle simple. Une efficacité de combustion de 85% est démontrée avec un second prototype pour une accélération centrifuge jusqu'à 284 000 g, soit 25 fois supérieures à la plus grande valeur testée dans la littérature. Une fois la combustion stabilisée, ce prototype a été en mesure de produire une légère poussée, une première pour les moteurs à statoréacteur rotatif.

L'imagerie par Résonance Magnétique permet de mesurer l'écoulement sanguin. Au niveau cardiovasculaire, elle permet d'acquérir non seulement des images anatomiques du cœur et des gros vaisseaux mais aussi des images fonctionnelles de vitesse par contraste de phase. Cette technique offre des perspectives dans l'étude de la dynamique des fluides et dans la caractérisation des artères, en particulier pour les grosses artères systémiques comme l'aorte dont le rôle est primordial dans la circulation sanguine. Par ailleurs, l'un des paramètres qui entrent en jeu dans la détermination de la fonction cardiaque et du comportement vasculaire est la pression artérielle. La méthode de référence de la mesure de pression dans l'aorte étant le cathétérisme, plusieurs méthodes combinant la modélisation à l'imagerie ont été proposées afin d'estimer un gradient de pression de façon non invasive. Ce travail de thèse propose de mesurer la pression dans un segment d'aorte grâce à un modèle 1D simplifié et en utilisant les données mesurées par IRM et un modèle 0D représentant le réseau vasculaire périphérique comme conditions aux limites. Aussi, afin d'adapter le modèle à l'aorte du patient, une loi de pression exprimant une relation entre la section aortique à la pression et basée sur la compliance a été utilisée. Cette dernière, liée à la vitesse d'onde de pouls (VOP), a été mesurée en IRM sur les ondes de vitesse.Par ailleurs, les séquences de codage de vitesse et d'accélération sont longues et ponctuées d'artéfacts dus au mouvement du patient. Une apnée est requise afin de limiter le mouvement respiratoire. Cependant, la durée de l'apnée atteint 25 à 30 secondes pour de telles séquences, ce qui est souvent impossible à tenir pour les malades. Une technique d'optimisation de séquences dynamiques par réduction du champ de vue est proposée et étudiée. La technique décrit un dépliement des régions repliées par différence complexe de deux images, l'une codée et l'autre non codée en vitesse. Cette méthode réalise une réduction de plus de 25% de la durée d'apnée.

La combustion en boucle chimique (CLC) est un procédé du type oxy-combustion où des particules sont utilisées pour fournir de l'oxygène à la combustion. Des études sont nécessaires pour l'extrapolation et l'optimisation du procédé CLC, fonction des propriétés des particules du groupe B et de la technologie CFB. Les études hydrodynamiques ont été faites dans un riser de 18 m de hauteur. Des profils axiaus de pression, ainsi que les profils radiaux de flux et de quantité de mouvement ont été obtenus. Trois types de particules ont été utilisées ayant un diamètre de Sauter entre 250 et 300 μm et une densité entre 2600 et 3300 kg/ m3. Un impact de la sphéricité des particules sur la perte de charge a été révélé. Dans des conditions identiques, les billes de verre génèrent des pertes de charge d'environ 50% inférieures à celles du sable. Dans la zone d'écoulement développée, la présence du régime cœur-anneau a été détectée. Un modèle hydrodynamique 1D du riser qui est à la fois fondé sur des données expérimentales et sur les équations gaz-solide Euler-Euler, a été développé. Une nouvelle corrélation pour la force de traînée moyennée sur la section est proposée. Une nouvelle corrélation des conditions limite dans la partie inférieure du riser a aussi été établie. Le modèle 1D final est en mesure de prédire la perte de charge du riser pour différentes conditions opératoires et en tenant compte des propriétés des particules, comme la densité, la taille et la forme. Une étude sur la pertinence de l'utilisation du logiciel Barracuda CPFD® pour simuler des particules du groupe B en régime de transport a été réalisée. Il a été montré que le code sous-estime la perte de charge pour le sable / Chemical Looping Combustion (CLC) is an oxy-combustion like process where particles are used to supply oxygen to combustion. Further work is still needed for extrapolation and optimization of the CLC process, concerning properties of Group B particles and CFB technology. Hydrodynamic tests were made on a 18 m tall riser. Axial pressure profiles as well as radial flux profiles and radial momentum quantity profiles were obtained. Three types of Group B particles were used with Sauter mean diameters between 250 and 300 μm and densities between 2600 and 3300 kg/m²s. An important impact of particle sphericity on riser pressure drop has been revealed. At identical conditions, glass beads present about half the pressure drop generated by sand. In the developed region of the riser, the core-annulus regime has been found. A 1D model of the riser, based on experimental results and on the Euler-Euler gas-solid equations, has been developed. Moreover, a new cross section averaged drag force correlation is presented. A new boundary condition on the bottom of the riser has been investigated. The final 1D model is capable of predicted riser pressure drop from the operating conditions and it takes into account particle properties such as density, size and shape. A study on the adequacy of the use of the commercial CFD code Barracuda to simulate risers with Group B particles was made. It was shown that the code under estimates pressure drop along the riser for sand simulations

L'imagerie par Résonance Magnétique permet de mesurer l'écoulement sanguin. Au niveau cardiovasculaire, elle permet d'acquérir non seulement des images anatomiques du cœur et des gros vaisseaux mais aussi des images fonctionnelles de vitesse par contraste de phase. Cette technique offre des perspectives dans l'étude de la dynamique des fluides et dans la caractérisation des artères, en particulier pour les grosses artères systémiques comme l'aorte dont le rôle est primordial dans la circulation sanguine. Par ailleurs, l'un des paramètres qui entrent en jeu dans la détermination de la fonction cardiaque et du comportement vasculaire est la pression artérielle. La méthode de référence de la mesure de pression dans l'aorte étant le cathétérisme, plusieurs méthodes combinant la modélisation à l'imagerie ont été proposées afin d'estimer un gradient de pression de façon non invasive. Ce travail de thèse propose de mesurer la pression dans un segment d'aorte grâce à un modèle 1D simplifié et en utilisant les données mesurées par IRM et un modèle 0D représentant le réseau vasculaire périphérique comme conditions aux limites. Aussi, afin d'adapter le modèle à l'aorte du patient, une loi de pression exprimant une relation entre la section aortique à la pression et basée sur la compliance a été utilisée. Cette dernière, liée à la vitesse d'onde de pouls (VOP), a été mesurée en IRM sur les ondes de vitesse.Par ailleurs, les séquences de codage de vitesse et d'accélération sont longues et ponctuées d'artéfacts dus au mouvement du patient. Une apnée est requise afin de limiter le mouvement respiratoire. Cependant, la durée de l'apnée atteint 25 à 30 secondes pour de telles séquences, ce qui est souvent impossible à tenir pour les malades. Une technique d'optimisation de séquences dynamiques par réduction du champ de vue est proposée et étudiée. La technique décrit un dépliement des régions repliées par différence complexe de deux images, l'une codée et l'autre non codée en vitesse. Cette méthode réalise une réduction de plus de 25% de la durée d'apnée. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is used to measure blood flow. It allows assessing not only dynamic images of the heart and the large arteries, but also functional velocity images by means of Phase Contrast. This promising technique is important for studying fluid dynamics and characterizing the arteries, especially the large systemic arteries that play a prominent role in the blood circulation. One of the parameters used for determining the cardiac function and the vascular behavior is the arterial pressure. The reference technique for measuring the aortic pressure is catheterism, but several methods combining imaging and mathematical modeling have been proposed in order to non-invasively estimate a pressure gradient. This work proposes to measure pressure in an aortic segment through a simplified 1D model using MRI measured flow and 0D model representing the peripheral vascular system as boundary conditions. To adapt the model to the aorta of a patient, a pressure law was used forming a relation between the aortic section area and pressure, based on compliance, which is linked to pulse wave velocity (PWV) estimated on MRI measured flow waves.Scan duration was optimized, as it is often a limitation during image acquisition. Velocity and acceleration sequences require a long time and may cause artifacts. Hence, they are acquired during apnea to avoid respiratory motion. However, for such acquisitions, a subject would have to hold their breath for more than 25 seconds which can pose difficulties for some patients. A technique that allows dynamic acquisition time optimization through field of view reduction was proposed and studied. The technique unfolds fold-over regions by complex difference of two images, one of which is motion encoded and the other acquired without an encoding gradient. By implementing this method, we decrease the acquisition time by more than 25%