Rsum : La mesure des profils transitoires et de la vitesse de solidification sont deux donnes importantes pour le contrle de procds industriels impliquant un changement de phase. Dans le cas de llectrolyse de laluminium, ce processus de solidification assure la protection du systme et influe sur la performance nergtique du procd de fabrication. Malheureusement, ces donnes se rvlent, dans la plupart des cas, difficilement accessibles. Ce travail de thse porte sur le dveloppement de nouveaux outils permettant ltude et la caractrisation de la solidification de matriaux changement de phase et haute temprature. Lobjectif est de dvelopper un systme de mesure du front de solidification de matriaux changement de phase non destructif et ne perturbant pas le milieu de mesure, tout en assurant une prcision et une rponse suffisamment rapide pour exploiter de nouvelles stratgies de contrle dans les cuves dlectrolyse. Ce travail couple une tude exprimentale fondamentale de la solidification de la cryolithe avec une modlisation numrique de phnomne de changement de phase solide-liquide dans des conditions proches du fonctionnement de cuves dlectrolyse. // Abstract : Measurement of transient solidification fronts and of solidification rate are two important data for controlling industrial processes involving a solid-liquid phase change. In the case of aluminium electrolysis, this solidification process protects the system and affects the energy performance of the manufacturing process. Unfortunately, these data are not easy to obtain in most cases. This thesis focuses on the development of new tools for the study and on the solidification characterization of phase change materials at high temperature. The goal is to develop a nondestructive solidification front measurement system for phase change materials without disturbing the measurement medium, while ensuring accuracy and a fast enough response time to exploit new control strategies in electrolysis cells. This work couples a fundamental experimental study of the cryolite solidification with numerical modeling of solid-liquid phase change phenomenon under conditions close to those during normal operation of electrolytic cells.

Les tortues marines, espèces emblématiques des écosystèmes marins, sont de plus en plus menacées par les effets directs et indirects des activités humaines. Leur cycle de vie est complexe, partagé entre divers habitats, souvent très éloignés les uns des autres. Leur conservation nécessite donc d'identifier les habitats occupés à chaque stade de vie et les routes migratoires empruntées entre ces différents habitats. Si l'écologie spatiale des tortues adultes est relativement bien connue, notamment grâce au suivi par satellite, il n'en va pas de même pour les juvéniles qui se développent plusieurs années en milieu pélagique sans pouvoir être suivis. Dans ce contexte, les simulations numériques constituent un outil adapté pour explorer la dispersion des tortues juvéniles à partir de leurs plages de naissance. Jusqu'à présent il a le plus souvent été supposé dans ces simulations que les juvéniles dérivaient passivement avec les courants marins. Dans ce travail de thèse nous présentons STAMM (Sea Turtle Active Movement Model), un nouveau modèle de dispersion active des tortues juvéniles qui s'attache à dépasser l'hypothèse initiale d'une dérive purement passive. Dans STAMM, les juvéniles simulés se déplacent sous l'influence de la circulation océanique et d'une nage motivée par la recherche d'habitats favorables. Ce modèle est appliqué ici à l'étude de la dispersion des juvéniles de trois populations de tortues marines : les tortues luths (Dermochelys coriacea) du Pacifique Ouest et de l'Atlantique Nord-Ouest puis les tortues caouannes (Caretta caretta) de l'ouest de l'océan Indien. Nos résultats montrent que, même si la circulation océanique détermine, à grande échelle, les zones de dispersion, la prise en compte des mouvements motivés par l'habitat augmente considérablement le réalisme des simulations et impacte profondément la distribution spatiale et temporelle des individus simulés à l'intérieur de leur zone de dispersion. Les mouvements motivés par l'habitat induisent notamment des migrations saisonnières en latitude qui réduisent la mortalité par hypothermie. Ces mouvements induisent également une concentration des individus simulés dans des zones productives (comme les upwellings de bord Est) inaccessibles en dérive passive. Ces résultats questionnent la vision classique des juvéniles circulant passivement autour des gyres océaniques et devraient rapidement être pris en compte pour la mise en place de mesures de conservation ciblées visant les tortues marines juvéniles. / Sea turtles are increasingly threatened by the direct and indirect effects of human activities. Their life cycle is complex, shared between various, and often very distant, habitats. Their conservation therefore requires identifying the habitats occupied at each stage of life and the migration routes between these different habitats. While the spatial ecology of adult turtles is relatively well known, particularly through satellite monitoring, the situation is not the same for juveniles which pelagic development phase remains largely unobserved. In that context, numerical simulation constitutes an appropriate tool to explore the dispersal of juvenile sea turtles from their natal beaches. Until now, simulations were mostly performed under the assumption that juveniles disperse passively with oceanic currents. In this PhD thesis we present STAMM (Sea Turtle Active Movement Model), a new model of active dispersal that aims to go beyond the initial hypothesis of passive drift. In STAMM, juvenile sea turtles move under the influence of ocean currents and swimming movements motivated by the search for favorable habitats. This model is applied here to the study of the dispersal of juveniles from three sea turtle populations: leatherback turtles (Dermochelys coriacea) of the Western Pacific and the Northwest Atlantic Oceans, and loggerhead turtles (Caretta caretta) of the Western Indian Ocean. Our results show that, although ocean currents broadly shape juvenile dispersal areas, simulations including habitat-driven movements provide more realistic results than passive drift simulations. Habitat-driven movements prove to deeply structure the spatial and temporal distribution of juveniles. In particular, they induce seasonal latitudinal migrations that reduce cold induce mortality. They also push simulated individuals to concentrate in productive areas that cannot be accessed through pure passive drift. These results challenge the classical view of juveniles circulating passively around oceanic gyres. They should rapidly be taken into account for the implementation of targeted conservation measures concerning juvenile sea turtles.

Cette thèse porte sur l'étude numérique des fluctuations extrêmes de la force de traînée exercée par un écoulement turbulent sur un corps immergé.Ce type d'évènement, très rare, est difficile à caractériser par le biais d'un échantillonnage direct, puisqu'il est alors nécessaire de simuler l'écoulement sur des durées extrêmement longues. Cette thèse propose une approche différente, basée sur l'application d'algorithmes d'échantillonnage d'événements rares. L'objectif de ces algorithmes, issus de la physique statistique, est de modifier la statistique d'échantillonnage des trajectoires d'un système dynamique, de manière à favoriser l'occurrence d'événements rares. Si ces techniques ont été appliquées avec succès dans le cas de dynamiques relativement simples, l'intérêt de ces algorithmes n'est à ce jour pas clair pour des dynamiques déterministes extrêmement complexes, comme c'est le cas pour les écoulement turbulents.Cette thèse présente tout d'abord une étude de la dynamique et de la statistique associée aux fluctuations extrêmes de la force de traînée sur un obstacle carré fixe immergé dans un écoulement turbulent à deux dimensions. Ce cadre simplifié permet de simuler la dynamique sur des durées très longues, permettant d'échantillonner un grand nombre de fluctuations dont l'amplitude est assez élevée pour être qualifiée d'extrême.Dans un second temps, l'application de deux algorithmes d’échantillonnage est présentée et discutée.Dans un premier cas, il est illustré qu'une réduction significative du temps de calcul d'extrêmes peut être obtenue. En outre, des difficultés liées à la dynamique de l'écoulement sont mises en lumière, ouvrant la voie au développement de nouveaux algorithmes spécifiques aux écoulements turbulents. / This thesis discusses the numerical simulation of extreme fluctuations of the drag force acting on an object immersed in a turbulent medium.Because such fluctuations are rare events, they are particularly difficult to investigate by means of direct sampling. Indeed, such approach requires to simulate the dynamics over extremely long durations.In this work an alternative route is introduced, based on rare events algorithms.The underlying idea of such algorithms is to modify the sampling statistics so as to favour rare trajectories of the dynamical system of interest.These techniques recently led to impressive results for relatively simple dynamics. However, it is not clear yet if such algorithms are useful for complex deterministic dynamics, such as turbulent flows.This thesis focuses on the study of both the dynamics and statistics of extreme fluctuations of the drag experienced by a square cylinder mounted in a two-dimensional channel flow.This simple framework allows for very long simulations of the dynamics, thus leading to the sampling of a large number of events with an amplitude large enough so as they can be considered extreme.Subsequently, the application of two different rare events algorithms is presented and discussed.In the first case, a drastic reduction of the computational cost required to sample configurations resulting in extreme fluctuations is achieved.Furthermore, several difficulties related to the flow dynamics are highlighted, paving the way to novel approaches specifically designed to turbulent flows.

Recently, a new kind of turbulence has been discovered in the flow of concentrated polymer melts and solutions. These flows, known as purely elastic flows, become unstable when the elastic forces are stronger than the viscous forces. This contrasts with Newtonian turbulence, a more familiar regime where the fluid inertia dominates. While there is little understanding of purely elastic turbulence, there is a well-established dynamical systems approach to the transition from laminar flow to Newtonian turbulence. In this project, I apply this approach to purely elastic flows. Laminar flows are characterised by ordered, locally-parallel streamlines of fluid, with only diffusive mixing perpendicular to the flow direction. In contrast, turbulent flows are in a state of continuous instability: tiny differences in the location of fluid elements upstream make a large difference to their later locations downstream. The emerging understanding of the transition from a laminar to turbulent flow is in terms of exact coherent structures (ECS) — patterns of the flow that occur near to the transition to turbulence. The problem I address in this thesis is how to predict when a purely elastic flow will become unstable and when it will transition to turbulence. I consider a variety of flows and examine the purely elastic instabilities that arise. This prepares the ground for the identification of a three-dimensional steady state solution to the equations, corresponding to an exact coherent structure. I have organised my research primarily around obtaining a purely elastic exact coherent structure, however, solving this problem requires a very accurate prediction of the exact solution to the equations of motion. In Chapter 2 I start from a Newtonian ECS (travelling wave solutions in two-dimensional flow) and attempt to connect it to the purely elastic regime. Although I found no such connection, the results corroborate other evidence on the effect of elasticity on travelling waves in Poiseuille flow. The Newtonian plane Couette ECS is sustained by the Kelvin-Helmholtz instability. I discover a purely elastic counterpart of this mechanism in Chapter 3, and explore the non-linear evolution of this instability in Chapter 4. In Chapter 5 I turn to a slightly different problem, a (previously unexplained) instability in a purely elastic oscillatory shear flow. My numerical analysis supports the experimental evidence for instability of this flow, and relates it to the instability described in Chapter 3. In Chapter 6 I discover a self-sustaining flow, and discuss how it may lead to a purely elastic 3D exact coherent structure.

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Les dispositifs thermoélectriques, légers et flexibles, peuvent être particulièrement intéressants aujourd’hui dans le contexte de l’émergence de l’informatique ubiquitaire, ainsi que de la crise environnementale liée à la consommation d’énergie électrique. Cependant, beaucoup de problèmes doivent encore être résolus pour rendre les dispositifs de récupération de chaleur commercialement viables. Dans cette thèse nous avons élaboré une méthode de conception et de fabrication par impression jet d’encre de générateurs flexibles à base de semi-conducteurs organiques et hybrides. En premier lieu, les travaux ont été consacrés au développement de matériaux thermoélectriques efficaces, stables et synthétisés par voie liquide. Les stratégies d’optimisation employées reposent sur la modulation de la concentration de porteurs de charge et le contrôle de la morphologie microscopique du matériau. En second lieu, nous avons effectué un travail de conception et de modélisation de dispositifs thermoélectriques ainsi que de leurs paramètres géométriques en utilisant des outils numériques. La modélisation numérique a été réalisée par la méthode des éléments finis 3D et par couplage d’effets physiques multidimensionnels. L’aboutissement de notre projet a été la formulation des matériaux en encres pour la fabrication de générateurs thermoélectriques par la technique de dépôt par impression jet d’encre. Différentes structures et architectures ont été expérimentalement caractérisées et systématiquement comparées aux évaluations numériques. Ainsi, nous présentons une approche intégrale de conception et de fabrication de dispositifs thermoélectriques opérant à des températures proches de l’ambiant. / Flexible lightweight printed thermoelectric devices can become particularly interesting with the advent of ubiquitous sensing and within the context of current energy and environmental issues. However, major drawbacks of state of the art thermoelectric materials must be addressed to make waste heat recovery devices commercially feasible. In this PhD thesis, we’ve elaborated and described a method to fabricate optimized, fully inkjetprinted flexible thermoelectric generators based on organic and hybrid semiconductors. This research project can be divided into three stages: First is the development of effective, stable and solution-processed p-type and n-type thermoelectric materials. Our effort in optimizing thermoelectric materials were based on modulation of charge carrier concentration and on control of morphology. Second, design and modeling of thermoelectric devices and their geometric parameters using numerical simulation methods. Numerical simulations were based on a 3D-finite element analysis and simulation software for coupled physical problems to model and design thermoelectric devices. Finally, formulation of materials into ink in order to produce thermoelectric generators by inkjet printing deposition. Various structures and architectures were experimentally characterized and systematically compared to numerical evaluations. Hence, we produced an extensive study on designing and producing thermoelectric devices operating at near ambient temperature and conditions.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s’inscrivent dans le cadre des études liées aux dégâts sur les structures et les blessures subies par les personnes à la suite d’explosions de charges explosives en milieu confiné et semi-confiné. Afin de mener cette étude, des expériences sont réalisées à petite échelle en laboratoire et sont complétées par des simulations numériques. Les ondes de choc sont obtenues grâce à la détonation d’une charge explosive gazeuse composée de propane-oxygène en proportion stoechiométrique. L’étude consiste donc à réaliser des expériences à petite échelle en laboratoire afin d’apprécier les champs de pression obtenus à la suite de la détonation d’une charge explosive au sein de deux configurations différentes. La première représente un atelier pyrotechnique et la seconde met en jeu un entrepôt de stockage de bouteilles de gaz. Les résultats expérimentaux sont ensuite confrontés à des résultats obtenus par simulations numériques réalisées grâce au logiciel AUTODYN. En complément de ces deux configuration principales, une étude est menée sur l’identification des pics de surpressions réfléchis grâce à une approche expérimentale appelée paroi par paroi. Une étude est également menée sur la détermination d’une équivalence massique entre le TNT et le mélange gazeux utilisé pour les expériences. / The goal of this study is to investigate shock waves propagation, in a geometrically complex confined and semi-confined environment, consecutive to the detonation of a spherical explosive charge. In this objective, small scale experiments are conducted in laboratory and are completed with numerical analysis. Shock waves are generated thanks to spherical detonation of a gas mixture composed of propane-oxygen in stoechiometric proportion. Two main configurations are studied: the first represents a pyrotechnic workshop and the second is a warehouse containing gas cylinder. Experimental and numerical results are then compared. Complementary studies are realised to describe blast wave propagation inside a semi-confined volume thanks to a new experimental approach named wall by wall. Finally, in order to simulate TNT charges detonation by computational means, an important study is conducted to determine a mass equivalent between TNT and gas mixture.

Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire s’inscrivent dans le cadre du projet ANR BARPPRO. Ce programme de recherche vise à étudier l’influence d’une barrière de protection face à une explosion en régime de détonation. L’objectif est d’établir des méthodes de calcul rapides de classement des zones d’effets pour aider les industriels au dimensionnement des barrières de protection. L’une à partir d’abaques, valable pour des configurations en géométrie 2D, sur des plages spécifiées de paramètres importants retenus, avec une précision de +/- 5%. L’autre à partir d’une méthode d’estimation rapide basée notamment sur les chemins déployés, valable en géométrie 2D et en géométrie 3D, mais dont la précision estimée est de +/- 30%. Afin d’y parvenir, l’étude s’appuie sur trois volets : expérimental, simulation numérique et analytique. La partie expérimentale étudie plusieurs géométries de barrière de protection à petites échelles pour la détonation d’une charge gazeuse (propane-oxygène à la stoechiométrie). Les configurations expérimentées servent à la validation de l’outil de simulation numérique constitué du solveur HERA et de la plateforme de calcul TERA 100. Des abaques d’aide au dimensionnement ont pu être réalisés à partir de résultats fournis par l’outil de simulation (3125 configurations de barrière de protection, TNT). L’étude des différents phénomènes physiques présents a également permis de mettre en place une méthode d’estimation rapide basée sur des relations géométriques, analytiques et empiriques. L’analyse de ces résultats a permis d’établir quelques recommandations dans le dimensionnement d’une barrière de protection. Les abaques et le programme d’estimation rapide permettent à un ingénieur de dimensionner rapidement une barrière de protection en fonction de la configuration du terrain et de la position de la zone à protéger en aval du merlon. / This thesis is a part of the ANR BARPPRO project. This research program studies this influence of the protection barrier during an explosion detonation. The goal of this project is to establish fast-computation methods of area classification effects to help the industrial to design the protection barrier on the SEVESO sites. One from abacus, for configurations in 2D geometry on specified parameters used, with an accuracy of +/- 5%. The other from a fast-running method based on broken lines for configurations in 2D and 3D geometries, but the accuracy is +/- 30%. This study includes three approaches: experimental, numerical simulation and analytical approaches. The experimental part studies several geometries of the protection barrier for a gaseous explosion (stoichiometric propane-oxygen mixture) at small scales. The experimental configurations used to validate the numerical simulation tool constituted of the HERA software and the TERA 100 supercomputer. The overpressure charts were able to generate from the numerical results (3125 configurations of the barrier for a TNT charge). The analysis of these results allows to establish different recommendations in the design of the protection barrier. The study of the different physical phenomena present has also helped to set up a fast-running method based on the geometrical, empirical and analytical relations. All these tools will enable an engineer to analyze and estimate the evolution of overpressure around the barrier as a function of the site’s dimensions.

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work some classical methods for constrained nonlinear optimization are studied. The mathematical formulations for the optimization problem with equality and inequality constrained, convergence properties and algorithms are presented. Furthermore, optimality conditions of rst order (Karush-Kuhn-Tucker conditions) and of second order. These conditions are essential for the demonstration of many results. Among the methods studied, some techniques transform the original problem into an unconstrained problem (Penalty Methods, Augmented Lagrange Multipliers Method). In others methods, the original problem is modeled as one or as a sequence of quadratic subproblems subject to linear constraints (Quadratic Programming Method, Sequential Quadratic Programming Method). In order to illustrate and compare the performance of the methods studied, two nonlinear optimization problems are considered: a bi-dimensional problem and a problem of mass minimization of a coil spring. The obtained results are analyzed and confronted with each other. / Neste trabalho são estudados alguns métodos clássicos de otimização restrita não linear. São abordadas a formulação matemática para o problema de otimização com restrições de igualdade e desigualdade, propriedades de convergência e algoritmos. Além disso, são relatadas as condições de otimalidade de primeira ordem (condições de Karush-Kuhn-Tucker) e de segunda ordem. Estas condições são essenciais para a demonstração de muitos resultados. Dentre os métodos estudados, algumas técnicas transformam o problema original em um problema irrestrito (Métodos de Penalidade, Método dos Multiplicadores de Lagrange Aumentado). Em outros métodos, o problema original é modelado como um ou uma seqüência de subproblemas quadráticos sujeito _a restrições lineares (Método de Programação Quadrática, Método de Programação Quadrática Seqüencial). A fim de ilustrar e comparar o desempenho dos métodos estudados são considerados dois problemas de otimização não linear: um problema bidimensional e o problema de minimização da massa de uma mola helicoidal. Os resultados obtidos são examinados e confrontados entre si. / Mestre em Matemática