L’imagerie du sous-sol par équations d’onde est une application de l’ingénierie pétrolière qui mobilise des ressources de calcul très importantes. On dispose aujourd’hui de calculateurs puissants qui rendent accessible l’imagerie de régions complexes mais des progrès sont encore nécessaires pour réduire les coûts de calcul et améliorer la qualité des simulations. Les méthodes utilisées aujourd’hui ne permettent toujours pas d’imager correctement des régions très hétérogènes 3D parce qu’elles sont trop coûteuses et /ou pas assez précises. Les méthodes d’éléments finis sont reconnues pour leur efficacité à produire des simulations de qualité dans des milieux hétérogènes. Dans cette thèse, on a fait le choix d’utiliser une méthode de Galerkine discontinue (DG) d’ordre élevé à flux centrés pour résoudre l’équation des ondes acoustiques et on développe un schéma d’ordre élevé pour l’intégration en temps qui peut se coupler avec la technique de discrétisation en espace, sans générer des coûts de calcul plus élevés qu’avec le schéma d’ordre deux Leap-Frog qui est le plus couramment employé. Le nouveau schéma est comparé au schéma d’ordre élevé ADER qui s’avère plus coûteux car il requiert un plus grand nombre d’opérations pour un niveau de précision fixé. De plus, le schéma ADER utilise plus de mémoire, ce qui joue aussi en faveur du nouveau schéma car la production d’images du sous-sol consomme beaucoup de mémoire et justifie de développer des méthodes numériques qui utilisent la mémoire au minimum. On analyse également la précision des deux schémas intégrés dans un code industriel et appliqués à des cas test réalistes. On met en évidence des phénomènes de pollution numériques liés à la mise en oeuvre d'une source ponctuelle dans le schéma DG et on montre qu'on peut éliminer ces ondes parasites en introduisant un terme de pénalisation non dissipatif dans la formulation DG. On finit cette thèse en discutant les difficultés engendrées par l'utilisation de schémas numériques dans un contexte industriel, et en particulier l'effet des calculs en simple précision. / Oil engineering uses a wide variety of technologies including imaging wave equation which involves very large computing resources. Very powerful computers are now available that make imaging of complex areas possible, but further progress is needed both to reduce the computational cost and improve the simulation accuracy. The current methods still do not allow to image properly heterogeneous 3D regions because they are too expensive and / or not accurate enough. Finite element methods turn out to be efficient for producing good simulations in heterogeneous media. In this thesis, we thus chose to use a high order Discontinuous Galerkin (DG) method based upon centered fluxes to solve the acoustic wave equation and developed a high-order scheme for time integration which can be coupled with the space discretization technique, without generating higher computational cost than the second-order Leap Frog scheme which is the most widely used . The new scheme is compared to the high order ADER scheme which is more expensive because it requires a larger number of computations for a fixed level of accuracy. In addition, the ADER scheme uses more memory, which also works in favor of the new scheme since producing subsurface images consumes lots of memory and justifies the development of low-memory numerical methods. The accuracy of both schemes is then analyzed when they are included in an industrial code and applied to realistic problems. The comparison highlights the phenomena of numerical pollution that occur when injecting a point source in the DG scheme and shows that spurious waves can be eliminated by introducing a non-dissipative penalty term in the DG formulation. This work ends by discussing the difficulties induced by using numerical methods in an industrial framework, and in particular the effect of single precision calculations.

Les systèmes publics de santé nécessitent des capteurs miniaturisés pour l'amélioration des diagnostics médicaux. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse était de simuler, réaliser et caractériser des résonateurs à ondes acoustiques de volume à base de couches minces, vibrant en mode de cisaillement à 800 MHz et montés sur miroir acoustique (SMR), et de démontrer leur capacité à fonctionner comme capteurs gravimétriques en milieu liquide.<br /><br />Trois procédés de dépôt par pulvérisation de couches de ZnO à axe c incliné ont été développés. De telles couches sont nécessaires pour l'excitation d'ondes de cisaillement et essentielles pour un fonctionnement en milieu liquide. Des inclinaisons jusqu'à 16° ont été obtenues avec une incidence oblique des particules en utilisant des caches additionnels. Des couches homogènes ont été déposées sur la surface entière d'un wafer 4“. Des outils de simulation et de caractérisation ont permis d'optimiser les SMRs, améliorant le coefficient de couplage de 0.012 à 0.149 et le facteur de qualité de 3.5 à 230. Leur application dans des solutions de glycérol a montré qu'ils se prêtent à la détection gravimétrique et comme viscosimètres. Des mesures de liaisons anticorps-antigènes en milieu liquide ont été réalisées avec succès. Comparées à des microbalances à quartz vibrant à 10 MHz, la sensibilité est 1000 fois plus grande et la résolution est 4 fois meilleure.<br /><br />Les SMRs sont hautement sensibles, peuvent être intégrés à des systèmes électroniques, et permettent des mesures quantitatives avec de bonnes résolutions. Ces nanobalances à couche piézoélectrique pourront former le noyau de systèmes portables et bon marché pour le diagnostic médical.

The development of techniques targeting the manipulation of particles of different<p>sizes - mostly in the nano to millimeter scale - when dispersed in a carrier medium, is an increasingly important topic in many fields such as biotechnology,nanotechnology, medicine, biophysics and environmental monitoring and remediation. The underlying rationale for using such techniques stands in the sometimes compelling requirements of avoiding clogging as in micro/nano channel flows, of limiting sedimentation and wall interactions in particle/cell counting, of enhancing particle-surface interaction as in bio-sensing or of facilitating characterization and sorting as in bio-physical applications. Being developed in the frame of a Belgian national project devoted to the characterization and counting of pollutant in water media by digital holographic microscopy, this thesis tackles a peculiar class of particle manipulation techniques, commonly known as Focusing. The main goal of focusing is to avoid at best wall particle interactions and sedimentation, prevalent issues for dispersions owing in micro/mini-channels especially for applications such as optical characterization and counting.<p><p>The main attention was given to two flow focusing techniques - Hydrodynamic and Acoustic Focusing - for their wide range applicability and cost effectiveness. Hydrodynamic Focusing consists in controlling the position and spreading of the sample under investigation by means of a so-called sheath flow. A low-cost, nevertheless effective, prototype has been conceived, designed, manufactured and tested. It allowed for controlling the spreading of the sample stream and achieving a focusing ratio accounting for only 4% of the original stream width.<p><p>Acoustic Focusing takes advantage of the time-averaged pressure fields induced by the creation of standing waves in channels to manipulate and focus the dispersed particles. In the frame of this thesis, several devices have been developed using square cross section glass mini-channels. Aside from the cost-effectiveness, particles where focused in a somehow unexpected but high reproducible 3D matrix-like structure. A novel numerical model has also been implemented in order to study the conditions leading to the 3D structure formation. A good agreement between experimental and numerical results was found./Ce projet de thèse portant sur la manipulation de micro-particules dans des minicanaux s'inscrit dans le développement de cellules de flux pour des applications biologiques, qui est l'une des problématiques du projet HOLOFLOW, soutenu par<p>la région de Bruxelles Capitale. Les cellules de flux doivent permettre l'observation et la reconnaissance des micro-organismes vivants dans une large gamme de dimensions (de quelques microns à 1mm) avec la microscopie holographie digitale.<p>La problématique d'observation et de manipulation des microorganismes en flux est liée au clogging (bouchage) et à la sédimentation qui limitent la durée de vie des cellules d'observation. Ce projet de thèse s'inscrit dans cette problématique et propose deux axes d'étude pour limiter l'interaction entre organismes et canaux, la focalisation hydrodynamique, basée sur le guidage de flux, et la focalisation acoustique, basée sur la manipulation des particules.<p><p>La focalisation hydrodynamique est une technique basée sur l'injection différentiée de l'échantillon à observer et d'un fluide support. La différence des vitesses d'injection des flux permet de contrôler la dispersion des particules afin d'optimiser leur observation. Dans le cadre de cette thèse, un prototype à bas-coût a été développé et construit, permettant de focaliser les particules dans un faisceau jusqu'à 4% de leur faisceau incident.<p><p>La focalisation acoustique utilise la création d'une onde acoustique stationnaire afin de regrouper les particules en suspension au centre du canal. Au cours de cette thèse, plusieurs prototypes ont été réalisés, mettant en évidence la formation de motifs tridimensionnaux. Un model numérique a été spécialement développé afin d'étudier les conditions de génération de ces motifs, et de nombreuses expériences ont été menées afin de s'assurer de leur reproductibilité. Une bonne adéquation entre la position des particules mesurée et calculée numériquement a été démontrée. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished