Le domaine de la simulation interactive ou computational steering a pour but d'améliorer le processus de simulation numérique (modélisation, calcul, analyse) en le rendant plus interactif. Dans cette approche, le scientifique n'attend plus passivement les résultats de la simulation ; il peut visualiser en ligne l'évolution des données calculées et peut interagir à tout moment en modifiant certains paramètres à la volée ou plus généralement en pilotant le déroulement des calculs. Un tel outil peut s'avérer très utile pour la compréhension des phénomènes physiques modélisés et la détection d'erreurs dans le cas de simulations longues.<br /><br />L'objectif de cette thèse est de concevoir et de développer une plate-forme logicielle, appelée EPSN (Environnement pour le Pilotage des Simulations Numériques), permettant de piloter une application numérique parallèle en s'appuyant sur des outils de visualisation eux-mêmes parallèles. En d'autres termes, il s'agit de mettre au service des scientifiques les capacités de la visualisation parallèle et plus largement de la réalité virtuelle (environnement immersif, murs d'images), une étape aujourd'hui cruciale pour la conception et l'exploitation de simulations numériques complexes en vraie grandeur. La mise en oeuvre d'un couplage efficace entre simulation et visualisation soulève deux problèmes majeurs, que nous étudions<br />dans cette thèse et pour lesquels nous souhaitons apporter une contribution : le problème de la coordination efficace des opérations de pilotages en parallèle et le problème de la redistribution pour des données complexes (grilles structurées, ensembles de particules, maillages non structurés).

Ce travail est consacré à la simulation numérique des écoulements inertes et réactifs stabilisés en aval d'un élargissement brusque symétrique, alimenté par deux écoulements de canal pleinement développés d'air ou air+propane.<br />L'objectif est, d'une part, de tester sur une géométrie "simple", une modélisation de la combustion en écoulements turbulents et en régime de prémélange et, d'autre part, d'estimer le niveau de précision obtenue afin de pouvoir quantifier une éventuelle amélioration liée à l'utilisation de modèles plus sophistiqués. Le modèle de turbulence k-epsilon sous sa forme standard avec la loi de paroi, et le modèle de combustion du type PDF présumé, modèle CLE, ont été retenus pour nos simulations.<br />Une étude préliminaire du type KPP nous a permis de déduire les caractéristiques propagatives des zones de réactions moyennes à richesse constante, calculées sur la base du modèle de combustion retenu.<br />Dans ce travail, ont été simulés : trois écoulements inertes et trois écoulements réactifs à richesse constante pour nombres de Reynolds égaux à 25000, 50000 et 75000 et deux écoulements réactifs à richesse variable pour nombre de Reynolds 25000.<br />Concernant les écoulements inertes, on retrouve bien la dissymétrie observée expérimentalement des deux zones de recirculation moyennes. Pour les écoulements réactifs à richesse constante, on retrouve également la resymétrisation de l'écoulement moyen observée expérimentalement.<br />En revanche, la longueur des zones de recirculation moyenne est fortement sous-estimée par le calcul.<br />Un comportement auto-semblable dans la zone proche de l'élargissement est également retrouvé. Pour les écoulements à richesse variable, la perte de symétrie de l'écoulement moyen est bien retrouvée, mais les longueurs des zones de recirculation moyennes sont toujours sous-estimées par le calcul. Des indicateurs quantitatifs d'écart entre les résultats numériques et expérimentaux sont fournis pour les écoulements inertes et réactifs considérés, permettant à l'avenir, d'estimer le gain apporté par le recours à des simulations basées sur une évolution ou sur une amélioration de modèles physiques retenus de le cadre de cette étude.

Les sols gonflants compactés sont largement utilisés dans de nombreuses applications, notamment en géotechnique et en géotechnique de l'environnement. Après leur mise en place, ces matériaux risquent d'être soumis à des sollicitations hydriques et/ou mécaniques complexes qui peuvent entraîner de fortes modifications de leurs propriétés hydromécaniques susceptibles de mettre en cause leur fonctionnement initial. Il est donc important de prévoir le comportement hydromécanique de ces matériaux compte tenu des applications sensibles auxquelles ils sont destinés.<br />L'équipe de Barcelone a développé un code de calcul aux éléments finis (Code_Bright) pour l'analyse des problèmes couplés (THM) dans des géomatériaux, avec l'intégration du modèle élastoplastique (BBM) pour les sols non saturés non gonflants. Ce modèle est capable de décrire correctement le comportement hydromécanique des sols non saturés mais ne tient pas compte de quelques aspects particuliers observés sur des sols gonflants. Un deuxième modèle (BExM) a été alors proposé pour prendre en considération ces aspects. <br />L'objectif principal du travail présenté ici est : (i) d'implanter le modèle élastoplastique BExM pour les sols gonflants non saturés dans le code de calcul aux éléments finis Code_Bright ; (ii) de valider le modèle numérique à partir d'essais réalisés au laboratoire sur des sols gonflants ; et (iii) d'appliquer ce modèle aux simulations des problèmes pratiques. Pour atteindre cet objectif, une nouvelle famille de procédures numériques adaptées au modèle BExM a été introduite dans le code. L'équation de la fonction de charge de ce modèle pour un état donné de contrainte déviatorique a été déterminée de manière à faciliter les calculs de ses dérivées. La validation numérique du modèle a été vérifiée par des simulations numériques d'essais œdométriques à succion contrôlée, réalisées sur trois sols gonflants différents. Les résultats des simulations numériques de ces essais ont montré les aptitudes du modèle numérique implanté à reproduire correctement les résultats expérimentaux. Enfin, le modèle a été appliqué à deux problèmes pratiques : le stockage de déchets radioactifs dans les couches géologiques profondes et l'effet du retrait-gonflement du sol sur une fondation superficielle. Les résultats obtenus ont montré la capacité du modèle implanté à modéliser des problèmes couplés hydromécaniques.

Au sein du département RFS (Radio Frequency Solutions) de Thales Systèmes Aéroportés sont conçus des modules d'émission-réception utilisés dans des applications radar et guerre électronique. Les fonctions hyperfréquences élémentaires (amplification, atténuation, mélange,...), réalisées en technologie MMIC, sont mises en boîtier et interconnectées. Ceci constitue l'architecture du module et doit assurer une protection (vis-à-vis de l'atmosphère et de la CEM) ainsi qu'une souplesse de montage mécanique et au final une réduction des coûts de fabrication. L'architecture des modules devient ainsi la clé de voûte de systèmes complexes tels que les antennes à balayage électronique développée au sein de ce département. <br /><br />Les outils de simulation doivent évoluer dans le but de prévenir les effets parasites, dus aux boîtiers et interconnexions, susceptibles d'apparaître. Les logiciels de simulation EM sont recommandés de par les géométries complexes des architectures des modules. Malheureusement, les simulateurs EM sont limités par leur incapacité à traiter simultanément les boîtiers et circuits actifs qu'ils protègent. C'est pour cette raison qu'un outil de simulation EM global adapté à ce type de simulation et aux besoins industriels a été proposé, validé et exploité au cours de cette thèse. <br /><br />La méthode choisie est une implémentation de l'approche de compression, qui associe deux logiciels commerciaux de façon séquentielle. Ceci est permis par une procédure de calibrage numérique des ports internes qui fait l'interface entre les environnements de simulation EM et circuit. Cette approche modulable est rapide car elle ne requiert qu'une seule simulation EM pour de nombreuses simulations. La modification des circuits actifs ou des études de dispersion sont aisément envisageables. Cette approche est basée sur l'hypothèse de localisation. Une validation approfondie de cette hypothèse permet de conclure à la nécessité d'indépendance intrinsèque des éléments localisés vis-à-vis de l'environnement pour un bon fonctionnement de l'approche de compression. Cette hypothèse est confirmée grâce à l'application de l'approche de compression à des niveaux d'échelle différents (à l'échelle du boîtier ou du MMIC). <br /><br />L'approche de compression proposée a été validée sur des structures complexes de boîtiers intégrant des amplificateurs MMIC, en régime linéaire ainsi que non-linéaire. L'influence des transitions, éléments d'interconnexion et du couplage EM, est parfaitement prise en compte par cet outil de simulation. Des règles de conception sur les dimensions des boîtiers (hauteur, largeur, positionnement des puces, ...), des transitions et interconnexions sont déduites des simulations.

Ce travail concerne l'utilisation d'un nouveau procédé TSA (Temperature Swing Adsorption) pour le traitement d'effluents gazeux. Ce nouveau procédé fait appel à un adsorbeur équipé d'un échangeur interne. La phase de chauffage (désorption), est assurée par condensation de vapeur d'eau tandis que lors du refroidissement (adsorption), de l'eau du réseau circule dans l'échangeur. Une étude expérimentale en mono et multiconstituants (CO2 et/ou C2H6) a permis de mettre en évidence l'intérêt d'un chauffage rapide de l'adsorbeur pour obtenir un enrichissement important des produits désorbés. Le comportement local de ce nouvel adsorbeur a été comparé à celui d'un adsorbeur TSA conventionnel au moyen d'un modèle numérique préalablement validé à partir d'expériences. En phase d'adsorption, la température d'alimentation et de la température initiale du lit n'ont que peu d'influence sur les performances du nouvel adsorbeur. En phase de désorption, une température de chauffage élevée aboutit à une diminution de la durée de l'étape, contrairement au cas d'un adsorbeur conventionnel. Grâce à une étude paramétrique effectuée pour des cycles, une plage de conditions opératoires (température de désorption, débits de purge) a été déterminée pour une application spécifique. Enfin, une pré-étude sur la capture de toluène a été réalisée en vue d'évaluer l'utilité de ce procédé pour la capture de composés organiques volatils (COV). Le fort enrichissement (160) obtenu en désorption permet d'augmenter la température de rosée et ainsi de faciliter sa récupération.

Nous avons étudié à l'aide d'un modèle quasi-géostrophique la convection dans une sphère en rotation rapide en chauffage interne uniforme. Nous avons montré que dans la limite des petits nombres d'Ekman, l'action du vent zonal est de rendre l'énergie cinétique des solutions dépendante du temps dès le seuil convectif franchi (oscillations de relaxation). Nous avons aussi identifié le rôle du pompage d'Ekman pour la formation de structures en bandes dans le profil radial du vent zonal dès le seuil. La taille de ces bandes résulte d'un équilibre entre la dissipation de volume et le pompage d'Ekman.<br />Nous avons ensuite étudié le voisinage du seuil de la bifurcation dynamo. Nous avons déterminé que pour un nombre d'Ekman (respectivement Roberts) fixé, il est possible de passer d'une bifurcation super-critique à une bifurcation sous-critique puis à un îlot en décroissant (augmentant) le nombre de Roberts (Ekman). Nous avons également mis en évidence que pour certains régimes de paramètres il peut exister des dynamos métastables. Nous avons constaté que pour un même régime de paramètres, il peut aussi exister des solutions hydrodynamiques multiples dont certaines sont dynamo et d'autres non.

On aborde des questions liées à l'étude de quelques aspects de la modélisation mathématique en mécanique des fluides et des structures. Cette étude s'articule principalement autour de deux thèmes : le couplage fluid-structure, l'analyse de problèmes d'écoulements peu profonds à surface libre.

Cette étude traite de la modélisation du comportement mécanique et de la rupture de<br />milieux granulaires de type solide.<br />Un milieu modèle constitué de cylindres d'aluminium et de joints de colle jouant le<br />rôle de liens cohésifs permet de mener à bout cette modélisation. Le comportement du lien est<br />étudié expérimentalement et permet d'établir une loi de cohésion et un critère de rupture. Ces<br />résultats sont introduits dans un code de calcul basé sur une méthode en éléments discrets<br />étendue au cas cohésif. Le code est validé en comparant le comportement mécanique et les<br />faciès de rupture d'échantillons macroscopiques réels et numériques.<br />Le modèle est ensuite testé dans le cadre d'applications : déformation et rupture de<br />poutres, fractionnement d'échantillons, détermination de la courbe intrinsèque. Enfin,<br />l'association entre le modèle et une approche phénoménologique, décrivant les transferts de<br />matière, permet d'aborder la fissuration de milieux subissant un retrait ou un gonflement.

Cette étude s?inscrit dans le cadre d?une collaboration entre le Centre de Mise en Forme des Matériaux, l?Agence de l?Environnement et de la Maîtrise de l?Energie et la société Photowatt et concerne l?une des étapes de la fabrication des modules photovoltaïques : la découpe de plaques minces de silicium multicristallin par sciage à fil.<br />Une étude bibliographique associée à l?observation des plaques brutes montre que le sciage à fil produit de l?abrasion trois corps et que l?enlèvement de matière se fait de manière ductile par formation de micro-copeaux. La profondeur d?indentation à laquelle se produit la transition ductile-fragile mise en évidence par l?étude bibliographique n?est donc pas franchie. L?abrasion produite peut être décrite par la loi classique d?Archard. La profondeur de la zone endommagée par la découpe a été estimée à 2,5 µm.<br />Une étude thermique a montré que la température de la découpe ne dépasse pas 50°C environ et qu?elle dépend de la capacité d?évacuation de la chaleur par le fil. L?analyse des défauts des plaques a permis d?identifier leur origine et de dégager des solutions. La mesure de l?usure du fil a montré que la réduction de son diamètre n?est envisageable que si son régime de défilement est rendu continu. Le gain de silicium, d?énergie sur plusieurs plans et l?amélioration de l?état de surface des plaques plaident également pour la suppression du régime alternatif (back & forth). Le recyclage de l?abrasif est envisageable, nous avons montré que son efficacité n?est en effet pas affectée par la découpe.<br />Un dispositif de simulation tribologique a été mis en place, il permet d?étudier l?abrasion du silicium dans les mêmes conditions que dans le sciage à fil. Un modèle mécanique reliant la courbure du fil aux paramètres issus du sciage et de la tribologie permet de prédire la hauteur de la nappe de fil, sa flèche en régime transitoire et permanent, la pression de contact et l?usure du fil.<br />Une simulation numérique de l?enlèvement de matière par des essais de rayure bidimensionnels a été réalisée. La concordance des ordres de grandeurs des constantes de vitesse d?usure obtenues par ce biais, par la simulation tribologique et par la déduction des mesures effectuées sur le procédé valide cette démarche. Elle a permis de dégager des orientations qui permettront de rendre la découpe plus performante en modifiant les abrasifs et le fluide.

Ce travail de thèse porte sur le développement d'un modèle pour la turbulence anisotrope et inhomogène au moyen d'une approche statistique spectrale. La variable de base de ce nouveau modèle est le spectre du tenseur de Reynolds, quantité qui dépend des variables d'espace et du temps, mais aussi du module du vecteur d'onde. Ce travail s'appuie sur les fondements théoriques posés par A. Laporta (1995) pour le développement autour de l'homogénéité des<br />équations des corrélations en deux points et sur les travaux de S. Parpais (1996) pour la modélisation des termes les plus complexes mis à jour dans ce type de démarche.<br />Dans cette thèse, un modèle exploitable numériquement dans des géométries complexes a été proposé. Il faut noter que ce modèle repose sur des hypothèses quasi-normales amorties pour représenter les flux d'énergie vers les petites échelles et ne nécessite donc pas, comme les modèles de turbulence usuels, l'utilisation d'une équation de transport pour la dissipation de l'énergie cinétique turbulente. Les informations spectrales fournies par le modèle ont été utilisées pour analyser finement la turbulence. Nous avons ainsi pu caractériser dans des écoulements tels que celui autour d'un profil d'aile en incidence certaines situations de déséquilibre de la turbulence. Ce déséquilibre s'exprime en particulier au niveau des spectres de l'énergie cinétique turbulente par un écart à la théorie de Kolmogorov (1941) et à une distribution d'énergie selon les nombres d'onde k proportionnelle à k^?5/3 (dans la zone inertielle). L'analyse spectrale permet aussi de proposer des quantités en un point pertinentes pour mettre en évidence ces états de déséquilibre, ouvrant ainsi de nouvelles voies de modélisation.