La modélisation numérique des écoulements de glace est indispensable pour prédire l’évolution des calottes polaires suite au réchauffement climatique. De récentes études ont souligné l’importance des modèles d’écoulement dits d’ordre supérieur voir même de Stokes au lieu de la traditionnelle approximation de couche mince dont les hypothèses ne sont pas valables dans certaines zones critiques mais à l’étendue limitée. Cependant, ces modèles d’ordre supérieur sont difficiles à utiliser à l’échelle d’un continent en raison de leurs temps de calculs prohibitifs. Ce travail de thèse propose une nouvelle technique qui permet de réduire les temps de calculs tout en maximisant la précision des modèles. Plusieurs modèles d’écoulement de glace de complexité variables ont été mis en place dans ISSM (Ice Sheet System Model), un code élément fini massivement parallèle développé par le Jet Propulsion Laboratory. L’analyse et la comparaison des différents modèles, à la fois sur des cas théoriques et réels, montrent que l’utilisation des modéles les plus complets est principalement nécessaire au voisinage de la zone d’échouage, transition entre les parties flottantes et posées de la glace, mais aussi que des modèles plus simples peuvent être utilisés sur la majeure partie des glaciers. Coupler différents modèles présente donc un avantage significatif en terme de temps de calcul mais aussi d’amélioration de la physique utilisées dans les modèles. Plusieurs méthodes de couplage de modèles existent et sont présentées dans ce manuscrit. Une nouvelle technique, dite de tuilage, particulièrement adaptée au couplage de modèles d’écoulement de glace est décrite ici : son principe repose sur la superposition et le raccordement de plusieurs modèles mécaniques. Une analyse mathématique est effectuée afin de définir les conditions d’utilisation de cette méthode de tuilage. Le traitement du couplage entre un modèle de Stokes et des modèles simplifiés, pour lesquels le calcul des vitesses horizontales et verticales est découplé, est ensuite présenté. Cette technique a été mise en place dans ISSM afin de pouvoir créer des modèles hybrides combinant plusieurs modèles d’écoulement de complexité variable. Après avoir été validée sur des cas synthétiques, cette technique est utilisée sur des glaciers réels comme Pine Island Glacier, dans l’Antarctique de l’Ouest, afin d’illustrer sa pertinence. Les modèles hybrides ont le potentiel d’améliorer la précision des résultats en combinant différents modèles mécaniques, utilisés chacun dans les zones où leurs approximations sont valides, tout en réduisant les temps de calcul et en étant compatibles avec les ressources informatiques actuelles. / Ice flow numerical models are essential for predicting the evolution of ice sheets in a warming climate. Recent research emphasizes the need for higher-order and even full-Stokes flow models instead of the traditional Shallow-Ice Approximation whose assumptions are not valid in certain critical but spatially limited areas. These higher-order models are however computationally intensive and difficult to use at the continental scale. The purpose of this work, therefore, is to develop a new technique that reduces the computational cost of ice flow models while maximizing their accuracy. To this end, several ice flow models of varying order of complexity have been implemented in the Ice Sheet System Model, a massively parallelized finite element software developed at the Jet Propulsion Laboratory. Analysis and comparison of model results on both synthetic and real geometries shows that sophisticated models are only needed in the grounding line area, transition between grounded and floating ice, whereas simpler models yield accurate results in most of the model domain. There is therefore a strong need for coupling such models in order to balance computational cost and physical accuracy. Several techniques and frameworks dedicated to model coupling already exist and are investigated. A new technique adapted to the specificities of ice flow models is developed: the Tiling method, a multi-model computation strategy based on the superposition and linking of different numerical models. A mathematical analysis of a mixed Tiling formulation is first performed to define the conditions of application. The treatment of the junction between full-Stokes and simpler models that decouple horizontal and vertical equation is then elaborated in order to rigorously combine all velocity components. This method is finally implemented in the Ice Sheet System Model to design hybrid models that combine several ice flow approximations of varying order of complexity. Following a validation on synthetic geometries, this method is applied to real cases, such as Pine Island Glacier, in West Antarctica, to illustrate its relevance. Hybrid models have the potential to significantly improve physical accuracy by combining models in their domain of validity, while preserving the computational cost and being compatible with the actual computational resources.

Une image numérique peut être définie comme un ensemble de n-xels sur une grille constituée de n-cubes. La segmentation consiste à calculer une partition d'une image en régions. Les n-xels ayant des caractéristiques similaires (couleur, intensité, etc.) sont regroupés. Schématiquement, à chaque n-xel est attribuée une étiquette, et chaque région de l'image est constituée de n-xels de même étiquette. Les méthodes "de type" Marching cubes et Kenmochi et al. construisent des complexes représentant la topologie de la région d'intérêt d'une image numérique binaire de dimension 3. Dans la première méthode, l'algorithme construit un complexe simplicial, dont 0-cellules sont des points des arêtes de la grille duale. Dans la deuxième méthode, les auteurs construisent un complexe cellulaire sur une grille duale, c.a.d les 0-cellules du complexe sont des sommets de la grille duale. Afin de construire le complexe, Kenmochi et al. calculent (à rotations près) les différentes configurations de sommets blancs et noirs d'un cube, puis, ils construisent les enveloppes convexes des points noirs de ces configurations. Ces enveloppes convexes définissent les cellules du complexe, à rotations près. Le travail développé dans cette thèse étend la méthode de Kenmochi et al. en dimension 4. L'objectif est de construire un complexe cellulaire à partir d'une image numérique binaire définie sur une grille duale. Nous calculons d'abord les différentes configurations de sommets blancs et noirs d'un 4-cube (à isométries près), puis, nous construisons des enveloppes convexes définies par ces configurations. Ces enveloppes convexes sont construites par déformation du 4-cube d'origine, et nous distinguon / A digital image can be defined as a set of n-xels on a grid made up by n-cubes. Segmentation consists in computing a partition of an image into regions. The n-xels having similar characteristics (color, intensity, etc.) are regrouped. Schematically, each n-xel is assigned a label, and each region of the image is made up by n-xels with the same label. The methods "type" Marching cubes and Kenmochi et al. construct complexes representing the topology of the region of interest of a 3-dimensional binary digital image. In the first method, the algorithm constructs a simplicial complex, whose 0-cells are points of the edges of the dual grid. Inthe second one, the authors construct a cell complex on a dual grid, i.e. the 0-cells of the complex are vertices of the dual grid. In order to construct the complex, Kenmochi et al. compute (up to rotations) the different configurations of white and black vertices of a cube, and then, they construct the convex hulls of the black points of these configurations. These convex hulls define the cells of the complex, up to rotations. The work developed in this thesis extends Kenmochi et al. method todimension 4. The goal is to construct a cell complex from a binary digital image defined on a dual grid. First, we compute the different configurations of white and black vertices of a 4-cube, up to isometries, and then, we construct the convex hulls defined by these configurations. These convex hulls are constructed by deforming the original 4-cube, and we distinguishseveral basic construction operations (deformation, degeneracy of cells, etc.). Finally, we construct the cell complex corresponding to the dual image by assembling the cells so o / Una imagen digital puede ser definida como un conjunto de n–xeles en un mallado constituido de n–cubos. Los n–xeles pueden ser identificados con: (1) los n–cubos del mallado, o con (2) los puntos centrales de estos n–cubos. En el primer caso, trabajamos con un mallado primal, mientras que en el segundo, trabajamos con un mallado dual construido a partir del mallado primal. La segmentación consiste en calcular una partición de una imagen en regiones. Los n–xeles que tienen características similares (color, intensidad, etc.) son reagrupados. Esquemáticamente, a cada n–xel se le asocia una etiqueta, y cada región de la imagen está constituida de n–xeles con la misma etiqueta. En particular, si las únicas etiquetas permitidas para los n–xeles son “blanca” y “negra”, la segmentación se dice binaria: los n–xeles negros forman el primer plano (foreground) o región de interés en cuestión de análisis de la imagen, y los n–xeles blancos forman el fondo (background). Ciertos modelos, como los Grafos de Adyacencia de Regiones (RAGs), los Grafos Duales (DGs) y la carta topológica, han sido propuestos para representar las particiones en regiones, y en particular para representar la topología de estas regiones, es decir las relaciones de incidencia y/o adyacencia entre las diferentes regiones. El RAG [27] es un precursor de este tipo de modelos, y ha sido una fuente de inspiración de los DGs [18] y de la carta topológica [9, 10]. Un RAG representa una imagen primal etiquetada por un grafo: los vértices del grafo corresponden a regiones de la imagen, y las aristas del grafo representan las relaciones de adyacencia entre la regiones. Los DGs son un modelo que permite resolver ciertos inconvenientes de los RAGs para representar imágenes de dimensión 2. La carta topológica es una extensión de los modelos anteriores definida para manipular imágenes primales de dimensión 2 y 3, representando no solamente las relaciones topológicas, sino también las relaciones geométricas.

Les ailes d’avion sont composées d’une part croissante de pièces composites. Afin de réduire les coûts de production et de certification des assemblages, une nouvelle architecture en caissons creux, en fabrication ‘one shot’, est proposée. Cette structure contient des liaisons en T entre des sections sandwichs. Le comportement et les modes de dégradation de cette structure sont méconnus. Une méthodologie multi-échelle est mise en place pour appréhender l’endommagement de la voilure et ainsi améliorer l’outil numérique de dimensionnement.Tout d’abord, des systèmes essai – éprouvette spécifiques sont conçus pour représenter les modes de sollicitation de la liaison dans la voilure. Une analyse fine des essais instrumentés permet d’appréhender les scénarios d’endommagement pour chaque mode. Les premiers stades sont principalement pilotés par le nid d’abeille (cisaillement, déchirement). Un modèle numérique 3D permet de représenter les premiers stades d’endommagement. Il est construit avec une représentation en coque du nid d’abeille intégrant les variabilités de la structure (collage, déformation de cellules). Egalement, une loi de comportement élasto-plastique endommageable des matériaux constitutifs de la voilure (plis unidirectionnels et tissés) est développée et implémentée pour les stratifiés multi-matériaux. Sur les bases de ce modèle, une modélisation simplifiée du comportement de la liaison est développée. Elle consiste à assembler des coques par des connecteurs avec des propriétés élasto-plastiques. La création d’un calcul prédictif de voilure intègre le modèle simplifié de comportement de la liaison. / Aircraft wings are composed of a growing composite part portion. To reduce production and assembly certification costs, a new hollow box architecture is proposed with a one shot manufacturing process. This structure includes T-connections between honeycomb sandwich panels. Mechanical behavior and degradation modes are unknown for this structure. A multiscale methodology is developed to deepen the wing damage knowledge and to improve the numerical sizing tool.Firstly, specimen-testing couples are designed to represent the loading modes of the T-connections. A detailed analysis of instrumented testing allows to understand the damage scenarios for each mode. The first damage stages are mainly driven by the honeycomb behavior (shear, tear). A 3D numerical model represents the first damage stages. It is built with a shell representation of the honeycomb which integrates the structure variability (bonding, deformation of cells). An elastic-plastic damage law (unidirectional and woven plies) is developed for the wing materials. Then, it is implemented for multi material laminate. Based on this model, a simplified modeling is realized for the connection behavior. It consists of assembling shells by connectors with elastic-plastic properties. Building a predictive wing simulation requires a simplified model integration of the T-bond behavior.

La propagation des incendies à l’échelle de locaux et de villes est un enjeu majeur. Elle est notamment conditionnée par l’inflammation des matériaux dans les locaux attenants au sinistre. Cette dernière résulte de l’allumage du mélange gazeux combustible issu de la décomposition thermique de la phase condensée.Deux types d’inflammation sont définis dans la littérature : l’inflammation pilotée par la présence d’une source d’allumage, et l’auto-inflammation, résultant de l’emballement de la réaction dans la phase gazeuse. L’auto-inflammation joue un rôle majeur dans le contexte d’une propagation de local à local. Toutefois, ce processus n’a été que très peu étudié expérimentalement du fait de sa complexité et seules des analyses théoriques sont aujourd’hui disponibles concernant les phénomènes en jeu.L’enjeu de la présente étude est de caractériser les régimes d’autoallumage en fonction de différentes typologies de solide (comportement thermique et cinétique), afin de mieux comprendre leurs processus et leurs conditions d’occurrence. Cette compréhension fine permet alors de développer des modèles plus globaux de propagation pour une considération déterministe du risque incendie à l’échelle urbaine.Le caractère bref et local de l’auto-inflammation impose le choix d’une méthode de résolution complète des écoulements, des transferts et de la chimie. La Simulation Numérique Directe (DNS) a donc été sélectionnée afin de capter ces phénomènes, avec l’introduction d’une cinétique fine et non infiniment rapide de la décomposition thermique et de la combustion. / Fire propagation on the scale of buildings and cities is a major stake. It is conditioned by the ignition of solid fuels in rooms adjacent to the one where the disaster originally takes place. The ignition is so piloted by the initiation of the combustion reaction of the gaseous mixture stemming from the thermal decomposition of the condensed phase induced by heat transfer.Two types of ignition are defined in the literature: piloted-ignition related to the presence of a hot spot and auto-ignition resulting from the thermal runaway within the gas phase. The auto-ignition plays a major role in the context of fire spread between rooms. However, this process has been very little experimentally studied, because of its complexity, and only theoretical analyses were lead concerning the phenomena which take place during solid fuels auto ignition.The aim of the present study is to characterize auto-ignition regimes according to various solid typologies (regarding to thermal and kinetic behaviour) in order to understand better their processes and their occurrence conditions. Thereby, this fine understanding allows to develop global models of fire spread for a deterministic consideration of the fire hazards at urban scale.The brief and local character of the auto-ignition requires the choice of a complete resolution for flows, transfers and chemistry. Thus, the Direct Numerical Simulation (DNS) was selected to capture the phenomena, with the introduction of a fine and non-infinitely fast chemistry of thermal decomposition and combustion.

Les taches de couleur au sol ont toujours existé dans l’atelier. Je ne sais comment, subitement, un jour, je lesai vues, non pas comme une saleté «pittoresque», mais comme de la peinture, une peinture sur le sol, desprolongations du tableau en dehors de ses limites. J’ai photographié ces taches de peinture comme d’autresphénomènes périphériques au tableau. La pratique photographique à l’atelier a généré des documents quiincarnaient un regard sur la peinture en train de se faire. Je pense aujourd’hui que cette activité photographiquea largement contribué à une prise de conscience de mon travail en peinture et de ce qu’il est devenu par lasuite. L’enregistrement photographique des oeuvres fait partie de ce que l’on pourrait appeler la production dedocuments pour l’archive. Ces images sont destinées à la préservation d’une mémoire, à la création de dossiersou bien à l’illustration de sites Internet ou de publications.J’ai constaté chez d’autres peintres de ma génération, que le passage au numérique a non seulement développéle travailde postproduction directement lié à l’enregistrement des oeuvres -le plus souvent assumé par l’artistelui-même-, mais qu’il a aussi facilité une activité photographique parallèle que certains artistes assimilent à dela notation ou du croquis. Photographier son propre travail implique de donner à voir, en même temps queles oeuvres, le regard que nous portons sur elles. Mais la plupart du temps, ces images sont des documents.Le devenir-oeuvre de l’archive tient à une opération par laquelle, d’après Olivier Corpet, l’archive évite à l’oeuvrede se renfermer sur elle-même, de se dégrader, voire de se perdre: l’archive peut alors lui sauver la mise, laremettre en mouvement / Stains of color on the floor have always existed in the studio. I do not know how, suddenly, one day, I saw them, not as“picturesque” mess but as painting; a painting on the floor; extensions of the painting beyond its edges. I photographedthese paint stains like other phenomena peripheral to the painting. Photographic practice in the studio generateddocuments that incarnated a way of looking at the painting being made. Today, I think that this photographicactivity greatly contributed to an emerging awareness of my work in painting and what it became thereafter.Recording artworks in photographs is part of what we could call the production of documents for archives.These images are destined to preserve a memory, create files or illustrate websites or publications.I have observed among other painters of my generation that the change to digital not only developed postproductionwork directly linked to recording artworks – most often done by the artist him/herself – but alsofacilitated a parallel photographic activity that certain artists see as similar to note taking or sketching.Photographing one’s own work involves showing both the artwork and the way we look at it. But most often,these images are documents. The archival image becomes artwork in an operation by which, according to OlivierCorpet, the archive prevents the artwork closing in on itself, from degrading itself, or even becoming lost:the archive can thus save it and put it back in motion

Cette thèse propose d’observer l’imaginaire des dispositifs numériques dans les musées d’ethnographie confrontés à la réalisation de dispositifs numériques pour la médiation tels que les tablettes tactiles ou les navigateurs de réalité augmentée. Ce travail s’intéresse au positionnement des professionnels de musée face à la présence croissante d’outils numériques dans l’espace d’exposition, sous-tendue par un discours promotionnel technophile de la part des sphères journalistique et politique qui décrivent ces technologies comme fortement souhaitables. Une enquête ethnographique réalisée dans deux musées soumis à une injonction technologique (le Museon Arlaten d’Arles et le musée McCord de Montréal) interroge les attentes et les imaginaires qu’ont les professionnels du musée de ces dispositifs. À l’aune du concept de trivialité d’Yves Jeanneret, il s’agit de comparer les discours d’escorte portant sur le numérique avec les discours des professionnels de deux musée d’ethnographie, afin de mettre à jour les modes de circulation de ces discours et les imaginaires qui les fondent. Répondre à ce questionnement a nécessité une démarche en trois temps. Il s’est agi dans un premier temps de relever les différents discours d’escorte portant sur les dispositifs numériques au musée et les injonctions qu’ils véhiculent afin de comprendre à quelles prescriptions les professionnels étaient exposés. D’autre part, interroger les professionnels de musée afin de relever leur imaginaire des dispositifs technologiques a permis de connaitre leurs attentes et craintes vis-à-vis de ces supports. Enfin, questionner les enquêtés sur leurs pratiques concrètes lors de la conception effective de ces dispositifs a permis d’observer des processus d’ajustement, prenant la forme de logiques d’opposition, d’adaptation et d’invention. Après avoir comparé le discours des professionnels avec les discours d’escorte médiatiques et politiques, nous avons observé un décalage entre les discours d’escorte sur l’innovation technologique au musée et la façon dont les professionnels de ces institutions culturelles évoquaient ces questions. Le caractère révolutionnaire des discours décrivant les technologies n’est pas repris par les professionnels des musées mais il est fortement nuancé dans un imaginaire raisonné et pertinent des technologies, assorti d’un rapport ambigu à l’innovation qui interroge les enjeux symboliques du progrès technologique dans la médiation muséale. / This thesis observes and explores the imaginary of digital devices when the latter are introduced, in the form of tablets or augmented reality browsers, to support mediation work in ethnography museums. The thesis examines how museum professionals position themselves in relation to the growing presence of digital devices in the exhibition space, which is underpinned by a technophile promotional narrative spun by the media and politicians who present the introduction of these technologies as highly desirable. An ethnographic study in two museums faced with the imposition of such technological agendas – the Museon Arlaten in Arles and the McCord Museum in Montreal – allows for an analysis of the expectations towards and imaginary of these devices by museum professionals. The concept of triviality, as defined by Yves Jeanneret, is used to compare the accompanying discourses on digital technologies with the discourses of professionals in the two ethnography museums, in order to highlight how discourses circulate, as do the imaginaries underpinning them. There were three stages in this study. First, the various accompanying discourses on digital technologies in museums – from both inside and outside of the institutions – and the agendas they carry were identified, so as to understand what was dictated to the professionals. Besides, the museum professionals were interviewed in order to identify what their imaginaries of technological devices were, which allowed for an understanding of their expectations and fears regarding these devices. Finally, asking the interviewees about their concrete practices when effectively devising the devices made it possible to observe processes of adjustment, from opposition to adaptation to invention. The comparison between the professionals’ discourses and the accompanying discourses offered by the media and politicians revealed a discrepancy between the accompanying discourses on technological innovation in museums and the way in which the professionals from the cultural institutions talked about this issue. The narratives describing these technologies as revolutionary were not taken up by museum professionals; rather, they were significantly qualified by reasoned, adequate imaginary of technologies, alongside with an ambivalent perception of innovation, questioning the symbolic dimension of technological changes affecting mediation work in museums.

Ce projet doctoral porte sur le développement d'une plateforme informatique nommée CogEx pour permettre aux concepteurs de mieux organiser et partager l'information. L'objectif à long-terme est de remplacer le registre papier et d'exploiter la puissance de l'informatique pour supporter la réalisation des projets de conception complexes. Plusieurs théories et modèles reliés à l'activité de conception sont synthétisés dans un modèle conceptuel fondé sur la théorie de l'activité. Ce modèle a permis d'identi er et de développer un ensemble de mécanismes qui supportent les activités du concepteur. La plateforme innove particulièrement de trois façons : 1) toute l'information est structurée dans des schémas conceptuels étendus, qui sont une forme de schéma conceptuel récursif, 2) deux espaces séparent d'un côté les travaux du projet et de l'autre côté la base des connaissances du concepteur, 3) la collaboration o re un espace personnel de travail qui est attaché à un espace partagé avec des collaborateurs. La plateforme de conception est fondée sur une architecture qui permet de répondre aux attentes modernes des utilisateurs. La plateforme exploite une architecture modulaire qui s'adapte à un nombre croissant d'utilisateurs, qui o re un espace de stockage sur le nuage et une interface de travail collaboratif qui fonctionne sous plusieurs systèmes d'exploitation. En particulier, le logiciel permet de travailler et d'interagir entre un PC et une tablette Android. Le PC est idéal pour rédiger, programmer, travailler avec les outils de conception assistée par ordinateur (CAO) alors que la tablette est idéale pour produire des esquisses, écrire des notes et elle est facile à transporter partout. Le potentiel de la plateforme pour remplacer le registre papier est évalué à partir de trois projets pilotes avec des étudiants en génie mécanique. Les participants ont utilisé la plateforme pendant une session pour travailler sur leur projet majeur de conception. Les participants ont donné en entrevue individuelle leurs avis sur diverses facettes de l'outil, autant au niveau conceptuel qu'au niveau des fonctionnalités la plateforme. Les résultats des entrevues démontrent que l'organisation dans un schéma conceptuel étendu permet d'organiser l'ensemble des informations d'un registre de conception. Les shémas conceptuels étendus permettent de produire une vue d'ensemble et sont plus ef- caces que la structure chronologique du registre papier pour retrouver de l'information et faire évoluer les concepts. Les participants ont aussi expliqué que la division des espaces de projet et de la base de connaissances a un bon potentiel, mais que cette division peut parfois ralentir le travail. La présentation visuelle et les interactions semblent appré- ciées. Par contre, l'écriture manuscrite et le sketch ne fonctionnent pas su sament bien et devront être améliorés. Les outils de collaboration n'ont pas été évalués lors des essais pilotes. Toutefois, les entrevues démontrent que c'est un aspect majeur pour l'acceptation de l'outil et pour centraliser l'information partagée.

Le contact unilatéral entre deux surfaces est un phénomène omniprésent en physique, en mécanique et en génie civil. Une surface nominalement lisse à l’échelle macroscopique est en réalité rugueuse à l’échelle microscopique. La présence de rugosités modifie considérablement la distribution des contraintes et le champ des déformations au voisinage des surfaces en contact. La prise en compte de rugosités surfaciques à l’échelle microscopique constitue souvent une clé pour appréhender et modéliser un grand nombre de phénomènes d’interface/surface observés à l’échelle macroscopique, tels que le frottement, l’adhésion, l’usure et la conductivité thermique ou électrique. Ce travail de thèse porte sur le contact unilatéral de deux demi-espaces dont les surfaces sont périodiquement rugueuses. Dans la première partie du travail où les deux demi-espaces sont constitués de deux matériaux linéairement élastiques, une approche numérique simple et efficace est proposée et élaborée en se basant sur la méthode des éléments de frontière et la méthode d’inversion matricielle et en exploitant la périodicité du problème en question. Cette approche numérique est d’abord comparée avec et validée par des résultats analytiques et ensuite appliquée à plusieurs cas d’intérêt pratique. Dans les deuxième et troisième parties du travail, l’approche numérique proposée dans le cas élastique est étendue aux cas où les demi-espaces sont formés de matériaux d’abord linéairement thermoélastiques et ensuite linéairement viscoélastiques. Des résultats analytiques existants dans ces deux cas sont utilisés comme benchmarks pour tester la précision et l’efficacité des approches résultantes. Des exemples numériques sont donnés pour mettre en évidence des phénomènes physiques / Unilateral contact between two surfaces is a phenomenon often present in physics, mechanics and civil engineering. A nominally smooth surface on a macroscopic scale is actually rough on the microscopic scale. The presence of surficial roughness considerably modifies the stress distribution and the strain field in the vicinity of the surfaces in contact. Consideration of surficial roughness at the microscopic scale is often a key to understanding and modeling a large number of macroscopic interface/surface phenomena such as friction, adhesion, wear and thermal or electrical conduction. This work focuses on the unilateral contact of two half-spaces whose surfaces are periodically rough. In the first part of the work where the two half-spaces consist of two linearly elastic materials, a simple and efficient numerical approach is proposed and elaborated on the basis of the boundary element method and the matrix inversion method and by exploiting the periodicity of the problem in question. This numerical approach is first compared with and validated by available analytical results and then applied to several cases of practical interest. In the second and third parts of the work, the numerical approach proposed in the elastic case is extended to cases where the half-spaces are formed of materials that are first linearly thermoelastic and then linearly viscoelastic. Some existing analytical results in these two cases are used as benchmarks to test the accuracy and efficiency of the resulting approaches. Numerical examples are given to bring out some physical phenomena

Une approche combinant simulation numérique et expérimentation est développée pour modéliser la microfissuration complexe dans des matériaux hétérogènes cimentaires. Le modèle numérique proposé a permis de prévoir précisément en 3D l'initiation et la propagation des microfissures à l'échelle de la microstructure réelle d'un échantillon soumis à un chargement de compression. Ses prévisions ont été validées par une comparaison directe avec le réseau de fissures réel caractérisé par des techniques d'imagerie 3D. Dans une première partie, nous développons et testons les outils de simulation numérique. Plus précisément, la méthode de champ de phase est appliquée pour simuler la microfissuration dans des milieux fortement hétérogènes et ses avantages pour ce type de modélisation sont discutés. Ensuite, une extension de cette méthode est proposée pour tenir compte d'un endommagement interfacial, notamment aux interfaces inclusion/matrice. Dans une deuxième partie, les méthodes expérimentales utilisées et développées au cours de cette thèse sont décrites. Les procédures utilisées pour obtenir l'évolution du réseau de fissures 3D dans les échantillons à l'aide de microtomographie aux rayons X et d'essais mécaniques in-situ sont présentées. Ensuite, les outils de traitement d'image utilisant la corrélation d'images volumiques, pour extraire les fissures des images en niveaux de gris avec une bonne précision, sont détaillés. Dans une troisième partie, les prévisions du modèle numérique sons comparées avec les données expérimentales d'un matériau modèle en billes de polystyrène expansé intégrées dans une matrice de plâtre dans un premier temps, et, dans un second temps, d'un béton léger plus complexe. Plus précisément, nous utilisons les données expérimentales pour identifier les paramètres microscopiques inconnus par une approche inverse, et utilisons les déplacements expérimentaux déterminés par corrélation d'images volumiques pour définir des conditions limites à appliquer sur les bords de sous-domaines dans l'échantillon pour les simulations. Les comparaisons directes de réseaux de microfissures 3D et de leur évolution montrent une très bonne capacité prédictive du modèle numérique / An approach combining numerical simulations and experimental techniques is developed to model complex microcracking in heterogeneous cementitious materials. The proposed numerical model allowed us to predict accurately in 3D the initiation and the propagation of microcracks at the scale of the actual microstructure of a real sample subjected to compression. Its predictions have been validated by a direct comparison with the actual crack network characterized by 3D imaging techniques. In a first part, the numerical simulation tools are developed and tested. More specifically, the phase-field method is applied to microcracking simulations in highly heterogeneous microstructures and its advantages for such simulations are discussed. Then, the technique is extended to account for interfacial cracking, possibly occurring at inclusion/matrix interfaces. In a second part, the experimental methods used and developed in this work are described. The procedures to obtain the evolution of the 3D crack network within the samples by means of X-rays computed microtomography and in-situ mechanical testing are presented. Then, we focus on the developed image processing tools based on digital volume correlation to extract with good accuracy the cracks from the grey level images. In a third part, we compare the predictions of the numerical model with experimental results obtained, first, with a model material made of expanded polystyrene beads embedded in a plaster matrix, and second, to a more complex lightweight concrete. More precisely, we use the experimental data to identify by inverse approaches the local microstructural parameters, and use the experimental displacements measured by digital volume correlation to define boundary conditions to be applied on sub-domains within the sample for the simulations. The obtained direct comparisons of 3D microcrack networks and their evolutions demonstrate the very good predictive capability of the numerical model

Ce rapport présente et analyse les différentes possibilités de modélisation directe et de grande envergure de la forme du fond des voies naviguables. Cette étude est motivée par le fait que dans la modélisation de rivière, les incertitudes quant à la prédiction de la profondeur et du mouvement du lit, peuvent souvent être affectées par sa forme. La forme du fond constitue le facteur dominant dans le transport solide de nombreux cours d´eau qui nécessitent donc d´être entretenus par les autorités compétantes.Des expériences hydrodynamiques et morphodynamiques ont été menées au sein de l´institut fédéral allemand de la recherche et de l´ingénieurie des cours d´eau (BAW). Des mesures en haute résolution ont été effectuées et ont révélé la formation naturelle de dunes tridimensionelles à l´équilibre avec le champ d´écoulement environnant. Le modèle hydrodynamique est calibré sur cette base de données pour modéliser le régime d´écoulement complexe à travers une suite de dunes tridimensionelles. Les résultats de la simulation montrent qu´il est possible de reproduire le champ d´écoulement turbulent mesuré dans la configuration précédemment citée et que le niveau d´eau mesuré et simulé est également en accord avec cette même configuration. La résolution verticale et horizontale du maillage, le coefficient de friction, la forme du lit à petite échelle et la modélisation turbulente sont identifiés comme paramètres sensibles durant le calibrage.La seconde partie de cette thèse se concentre sur les simulations morphodynamiques de ce même canal expérimental mais cette fois avec un lit mobile. La numérisation du fond mesuré en haute résolution montrant la formation et le développement des dunes au fil du temps, est mis à disposition pour la comparaison. La hauteur et la largeur des dunes tout comme le moment de distribution, l´inclinaison et l´aplatissement sont utilisés pour comparer les dimensions des dunes ainsi que leur forme et leur distribution spatiale. Les formules du transport solide, de l´inclinaison, de l´aplatissement, les conditions aux limites et la considération des éléments de rugosité de sous échelle sont les paramètres qui influencent le plus la qualité des résultats. Durant cette étude, une attention toute particulière a été portée sur l´intégration des fluctuations turbulentes dans le calcul de la contrainte de cisaillement du fond. Un nouveau calcul total de cette contrainte est proposé et incorpore les vitesses d´écoulement principales et l´énergie cinétique turbulente fournit par le modèle turbulent. Grâce à cette approche, le modèle numérique est capable de reproduire quantitativement et qualitativement les dimensions de la forme du lit principal mesurée et les moments de forme des dunes physiques. Cela s´avère être la seule façon de reproduire le bon moment de distribution (aplatissement) du champ de dunes.Finalement, le modèle est appliqué à l´échelle du projet et testé sur une portion de l´Elbe (Allemagne). Les simulations morphodynamiques en haute résolution couplées à l´hydrodynamique-3D sont menées durant plusieurs jours sur la portion de rivière choisit d´une longueur de 4 kilomètres. Les formes des dunes préservent les paramètres de forme et la vitesse des dunes est en accord avec celle mesurée. La simulation montre des résultats prométeurs concernant la possibilité d´un usage opérationel du modèle dans l´avenir. Des problèmes locaux et communs comme les stratégies d´entretien tel que les changements dans les sections transversales d´écoulement, les brises lames et le revêtement sont des missions possibles qui peuvent être examinées / In this work the possibilities of direct modelling of large scale bed forms in waterways are highlighted and analysed. It is motivated by the fact that in river modelling, uncertainties in predicting water depth and bed movement can often be attributed to bed forms. Those bed forms are the dominating factor for bed load transport in many river stretches, which need to be maintained by the responsible waterways authorities.Hydrodynamic and morphodynamic experiments have been conducted at the Federal Waterways Engineering and Research Institute of Germany (BAW). High-resolution measurements have been performed over fixed, naturally formed three-dimensional sand dunes, which are at equilibrium with the surrounding flow field.Using these measured data sets, the hydrodynamic model is calibrated to simulate the complex flow situation over a train of several three-dimensional dunes. Simulation results show that it is possible to reproduce the measured turbulent flow field in the wake of the fixed dunes and that the measured and simulated water levels agree for the chosen configuration. Vertical and horizontal mesh resolution, friction coefficient, small scale bed forms and turbulence modelling are identified as most sensitive parameters during the calibration.The second part of this thesis focuses on morphodynamic simulations of the same experimental flume but with a mobile bed. High resolution measured bottom scans of the dune forms, developing over time, are available for comparison. Dune height and length, as well as the distribution moments, skewness and kurtosis are used to compare the dimensions of the dunes and also their shape and spatial distribution.Bed load transport formulation, skewness and kurtosis formulae, boundary conditions and the consideration of sub-grid scale roughness elements are the parameters which influence the quality of the results the most. A particular focus during the study is the inclusion of turbulent fluctuations in bed shear stress calculation. A new, total bed shear stress calculation is proposed, which incorporates mean flow velocities and turbulent kinetic energy provided by the turbulence model. With this approach, the numerical model is able to reproduce both qualitatively and quantitatively the measured mean bed forms dimensions and the shape moments of the physical dunes. It proves to be the only way to also produce the right distribution moment (kurtosis) of the dune field.Finally, the model is applied to project scale and tested on a stretch of the riverElbe, Germany. High resolution morphodynamic simulations coupled to 3D-hydrodynamics are conducted over several days for the chosen river stretch which is 4km in length. The dune forms preserve form and shape parameters and the dune speed agrees with the measured one. The simulations show promising results concerning the possibility of operational use of the model in the future. Local problems and statements, e.g. maintenance strategies such as changes in flow cross section, groynes and revetments, are possible tasks that can be examined