京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23203号 / 工博第4847号 / 新制||工||1757(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 引原 隆士, 教授 土居 伸二, 教授 梅野 健 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Microbes form complex communities on Earth. They are crucial for global nutrient recycling in soil and oceans. Inside our body, our intestinal microbiome contributes to our metabolism and protects us against diseases. The dynamics of these microbial communities and their response to environmental changes depend on intra- and inter-species interactions. Computational models are useful to simulate the behavior of such systems and to predict their response to prebiotics or to antibiotics for example. However, due to the multiple, nutrient-dependent interactions, modeling the behavior of such communities remains a real challenge. Mathematical modeling allows for an understanding of the general principles underlying the nonlinear dynamics of microbial communities. Population-based models are based on the abundances of each species but typically do not incorporate the interaction mechanism. Interactions can be mediated by the metabolism of microbes. Therefore, explicit modeling of nutrients is required for a mechanistic understanding of the dynamical behavior of interacting communities. In this thesis we developed and analyzed models accounting for the nutrient-mediated microbial interactions, focusing on competition and mutualistic cross-feeding. In the first part of the thesis, we constructed a nutrient-explicit model that reproduced experimental time series of a small synthetic microbial community, consisting of three species that interact via cross-feeding and competition. The comparison of mono-culture and co-culture dynamics reveals emergent behaviors in co-cultures and highlights the influence of key factors on the population dynamics. In the second part of the thesis, we showed how nutrient-explicit models for mutualistic cross-feeding are related to population-based models, such as the Lotka-Volterra equations. This allows to predict the occurrence of bistability and the presence of a survival threshold. Finally, we extended these results by considering the spatial dimension, and studied how diffusion and advection influence the survival of the community. Our results demonstrate that nutrient-explicit models are able to reproduce experimental time series of microbial communities and to predict the factors determining survival or extinction. By providing a mechanistic understanding of the nonlinear behavior related to microbial interactions, we take a step forward towards the development of predictive models of microbial communities. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’utilisation des technologies MEMS dans la navigation aéronautique présente deux difficultés majeures.D’une part, le bon fonctionnement des appareils de mesure de l’aviation civile requiert l’anticipation des défaillances susceptibles de se produire durant des décennies. D’autre part, le remplacement des capteurs macroscopiques traditionnels par des cellules MEMS ne peut se faire qu’à niveau de performances équivalent. Vis-à-vis de ces deux enjeux de fiabilité et de performance, le comportement fortement non-linéaire des résonateurs MEMS est souvent considéré comme un frein voire une limite infranchissable aux progrès technologiques.Cependant, l’exploitation de ces phénomènes non-linéaires constitue en réalité une source extrêmement riche d’améliorations. Au prix d’une complexité mathématique accrue et d’efforts de conception spécifiques, la modélisation précise des phénomènes non-linéaires affectant le comportement des MEMS donne accès à des informations précieuses, aussi bien pour la détection de défaillances que pour l’amélioration des performances.Dans cette thèse, on développe une procédure de caractérisation linéaire et non-linéaire de cellules MEMS résonantes. Après avoir démontré l’intérêt et vérifié expérimentalement la précision d’une telle caractérisation, on montre comment la connaissance des caractéristiques non-linéaires permet de déterminer des points de fonctionnement optimaux en termes de stabilité fréquentielle des capteurs oscillants, et donc de précision et de justesse des mesures. / The use of MEMS technologies in navigation measurements faces two main challenges.On the one hand, reliability improvement requires a deep understanding of MEMS failure mechanisms. These components are meant for long-term use and are subject to harsh mechanical and thermal constraints during their expected lifetime, usually longer than a decade. On the other hand, the replacement of macroscopic navigation sensors by MEMS components remains impossible as long as the performances of MEMS sensors do not match those of their macroscopic equivalents. With respect to these two challenges, the nonlinear behavior of MEMS resonators is usually seen as an obstacle, if not an insurmountable barrier to technological progress.However, nonlinear phenomena are actually a rich source of potential improvements. At the cost of increased mathematical complexity and specific design efforts, a precise model of MEMS nonlinear behaviors gives access to valuable information about the internal structure of the device. This information may then be used for failure detection and performance optimization.In this thesis, a linear and nonlinear characterization method is developed and experimentally-demonstrated. The knowledge of such nonlinear characteristics allows the determination of optimal operating points in terms of frequency stability and, hence, measurement accuracy.

Les tourbillons de sillage d’avion sont sources de problèmes économiques, environnementaux et de sécurité, et par conséquent ont fait l’objet de très nombreuses recherches depuis plusieurs dizaines d’années. Le sillage est composé d’une paire de tourbillons contrarotatifs qui perdurent longtemps après le passage de l’avion. Dans cette thèse la dynamique non linéaire de ces tourbillons desillage est examinée par Simulation Numérique Directe. L’objectif est d’étudier les comportements non linéaires des tourbillons de sillage et d’évaluer le potentiel de destruction anticipée des tourbillons par la perturbation optimale. Dans un premier temps, le potentiel destructeur de la perturbation optimale linéaire est estimé en l’appliquant aux tourbillons avec une amplitude initiale croissante et en observant la réponse non linéaire de l’écoulement. Une amplitude raisonnable suffit pour que la perturbation optimale linéaire réduise de moitié la durée de vie des tourbillons en accélérant une perte de cohérence des structures après l’étape de reconnexion. Par la suite, l’outil d’optimisation non linéaire développé au cours de la thèse est validé par la reproduction de résultats existants concernant un écoulement simple: un toubillon 2D isolé. De nouveaux résultats d’optimisation non linéaire sont obtenus et analysés. En particulier, la perturbation optimale non linéaire 2D d’un tourbillon isolé peut générer une croissance transitoire bien plus élevée que la perturbation optimale linéaire. Dans certains cas la perturbation optimale non linéaire provoque une transition vers un état non axisymétrique quasi-stationnaire,contournant ainsi le processus naturel d’axisymétrisation. De plus, l’effet de la distribution de vorticité dans le coeur du tourbillon sur les perturbations optimales est étudié. Les tourbillons ayant un profil plus raide que les tourbillons Gaussiens subissent une croissance transitoire linéaire plus élevée mais une croissance non linéaire plus faible. Enfin, l’analyse de perturbation optimale non linéaire est étendue aux perturbations 3D. Bien que les perturbations optimales non linéaires 3D produisent moins d’amplification, des transitions vers des états énergétiques et persistants sont observées. / Aircraft wakes have been the subject of extensive research for several decades as it poses economic, safety and environmental issues. The wake is composed of powerful counter-rotating vortices that persist long after the aircraft has passed. In this thesis, the nonlinear dynamics of aircraft wake vortices is investigated through Direct Numerical Simulation. The aim is to explore the nonlinear effects on wake vortex behaviour and evaluate the potential for the anticipated destruction of the vortices through optimal perturbation. First the disruptive potential of the linear optimal perturbation of the flow is evaluated by applying it with increasing initial amplitude and observing the nonlinear response of the flow. With sufficient yet reasonable initial amplitude the linear optimal perturbation halves the life-span of the vortex pair by accelerating the loss of coherence of the vortices after the linking phase. Next the nonlinear gradient-based optimisation tool that was developed during the thesis is validated by reproducing existing results concerning a simple vortical flow: an isolated two-dimensional vortex. In doing so new nonlinear optimisation results are obtained and analysed. In particular it is shown that the 2D nonlinear optimal perturbation of an isolated vortex can induce considerably greater transient growth than the linear optimal. In some cases the nonlinear optimal causes a transition to a quasisteady asymmetric state, bypassing the natural axisymmetrisation process. The effect of the vortex vorticity profile on the optimal perturbations is also studied. Vortices with sharper profiles experiencefar greater linear perturbation growth, however the nonlinear growth is significantly inferior. Finally the nonlinear optimal perturbation analysis of the isolated vortex is extended to three dimensions. Although the 3D nonlinear optimals produce less growth than their linear counterparts, they can lead to quasi-permanent high energy states.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18782号 / 理博第4040号 / 新制||理||1582(附属図書館) / 31733 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 佐々 真一, 教授 山本 潤, 准教授 荒木 武昭 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18989号 / 工博第4031号 / 新制||工||1621(附属図書館) / 31940 / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 引原 隆士, 教授 木本 恒暢, 教授 松尾 哲司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18990号 / 工博第4032号 / 新制||工||1621(附属図書館) / 31941 / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 引原 隆士, 教授 北野 正雄, 准教授 山田 啓文 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第20373号 / 工博第4310号 / 新制||工||1668(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科電気工学専攻 / (主査)教授 引原 隆士, 教授 土居 伸二, 教授 梅野 健 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第20512号 / 情博第640号 / 新制||情||111(附属図書館) / 京都大学大学院情報学研究科複雑系科学専攻 / (主査)教授 青柳 富誌生, 教授 船越 満明, 教授 西村 直志 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

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