Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3829. Publications en anglais reproduites en annexe. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 134-144.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique des fluides et Aérodynamique : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 3945. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 255-258. Liste des publications et rapports.

Thèse (Sc.A.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2003. / Bibliogr.: f. [81]-84. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Les ondes de choc de cisaillement dans les solides quasi-incompressibles sont un type d'onde peu exploré car accessible à la mesure seulement depuis une douzaine d'années. Elles se distinguent des ondes de choc de compression par leur non-linéarité cubique au lieu de quadratique. Les faibles vitesses des ondes de cisaillement, de l'ordre du mètre par seconde, permettent notamment d'atteindre des régimes assez fortement non linéaires sur de faibles distances, et de contrebalancer l'absorption relativement importante dans ces milieux. A notre connaissance, ces ondes ont été étudiées presque exclusivement en ondes planes. Or, la focalisation est un phénomène fondamental dans la physique des ondes et ses applications. C'est cette focalisation que l'on s'est attaché à étudier spécifiquement ici, tant du point de vue théorique et numérique, qu'expérimental. L'objectif était de mettre en évidence la focalisation des ondes de choc de cisaillement. Ce travail est en particulier motivé par son application potentielle en biomécanique. On a ici fait l'hypothèse que les ondes de choc de cisaillement pourraient jouer un rôle dans la formation de certaines lésions cérébrales suite à un traumatisme crânien, la géométrie du crâne induisant leur focalisation. Ces considérations nous ont conduits à dimensionner les phénomènes étudiés en conséquence, en termes de fréquence, d'amplitude et de géométrie. La focalisation a ainsi été montrée dans le cas d'un gel simulant un tissu biologique. Les comparaisons avec le modèle théorique et numérique se sont avérées favorables. Pour approfondir l'analyse de l'hypothèse, il resterait à prouver que ces ondes de choc peuvent induire des lésions. / Shear shock waves in quasi-incompressible soft solids have been observed experimentally only twelve years ago. They differ from compression shock waves because their nonlinearity is cubic instead of quadratic. Velocities of shear waves are small, of the order of the meter per second, and thus induce a strong nonlinear behavior over small distances. This allows to counter-balance the quite strong absorption in such media. To our knowledge, these shear shock waves have been studied only for plane waves. However, focusing is a fundamental phenomenon in the wave physics and its applications. This is why our objective is to investigate the focusing of shear waves theoretically, numerically, and experimentally. This work was in particular motivated by a potential application in biomechanics. We have hypothesized that shear shock waves could play a role in the formation of some traumatic brain injuries, the geometry of the skull producing the focusing effect. These hypotheses have governed our studies for the choice of the different parameters such as the frequency, the amplitude and the geometry. The focusing has been demonstrated in a biological tissue-mimicking gel. Comparisons with the theoretical and numerical model have shown a good agreement. Further studies should concern the possible formation of lesions by shear shock waves.

L'objectif de ces travaux est de déterminer l'atténuation des effets d'une explosion sous-marine par un rideau de bulles. Dans ce cadre, une modélisation de la propagation d'un chocdans les liquides à bulles a été développée, basée sur une technique de transition d'échelles.Cette méthode permet la formulation de modèles continus de liquides aérés, dont la mise enoeuvre est aisée et rapide. Nous avons d'abord développé une modélisation pour des liquidesdiphasiques au sein desquels les bulles sont régulièrement réparties dans l'espace, avant deproposer une extension de ce modèle au cas des liquides à bulles présentant des hétérogénéitésde porosité sous la forme d'amas sphériques de bulles. Un modèle de fragmentation des bulleslors du passage du choc a également été développé, basé sur une analyse linéaire de stabilitédes bulles. L'étude a permis d'établir un critère prédictif de fission et de déterminer le nombrede fragments associés. L'ensemble des modélisations proposées a fait l'objet de comparaisonsavec des résultats expérimentaux issus de la littérature. La concordance entre résultats d'essaiset résultats issus de la modélisation démontre les capacités prédictives de l'approche proposée.Cette modélisation a enfin été appliquée au cas de rideaux de bulles soumis à une explosionsous-marine. Une étude de sensibilité sur les paramètres physiques du rideau a été menée, eta permis de confirmer les tendances expérimentales : sous certaines conditions, la dispositiond'un rideau de bulles sous l'eau permet de diminuer de façon très conséquente l'énergie duchoc transmis en aval du rideau. / The present work deals with the modelling of shock wave propagation in bubbly liquids, inorder to assess the damping of underwater explosion by bubble curtains. The modelling is basedon a scale transition technique, which allows to formulate efficient continuum models of bubblyliquids. A modelling of homogeneous bubbly liquids has first been proposed, then extended tothe case of liquids with spherical bubble clusters. A modelling of bubble fragmentation duringshock propagation has also been developed, based on a stability analysis of the bubbles. Thisstudy enables us to establish a criterion for bubble fission and to determine the numberof fragments. The accuracy of the proposed models has been assessed through comparisonwith experimental data of the literature. The agreement between numerical and experimentalresults proves the predictive capabilities of the whole approach. The modelling has then beenapplied to the mitigation of UNDEX-induced shock wave by bubble curtain. A sensitive studyabout physical parameters of the curtain has been performed, and confirms the experimentaltendencies : the use of a bubble curtain can dissipate a significant part of the shock energy.

Cette thèse étudie des modèles mésoscopiques adaptés à la simulation d'ondes de choc et de détonation dans des fluides. Ces phénomènes mettent en jeu des processus complexes et nécessitent des systèmes de taille suffisante pour les observer. L'enjeu est ainsi de gagner en échelle par rapport aux méthodes microscopiques, précises mais coûteuses, tout en conservant les propriétés essentielles. Dans cette optique, le développement de méthodes multi-échelles couplant différentes résolutions au sein d'une même simulation permet d'adopter une description plus fine dans certaines régions. Nous étudions plus particulièrement la SDPD (Smoothed Dissipative Particle Dynamics) qui couple une discrétisation particulaire des équations de Navier-Stokes et des fluctuations thermiques variant avec la résolution. La reformulation de la SDPD en termes d'énergie interne, en plus de la position et de la quantité de mouvement, permet de rapprocher structurellement la SDPD et la DPDE (Dissipative Particle Dynamics with Energy conservation). Des schémas numériques conçus pour la DPDE sont adaptés à la SDPD afin d'assurer la conservation de l'énergie et la stabilité de la dynamique. Nous étudions également les propriétés statistiques de la SDPD et établissons des estimateurs de la température et de la pression. La cohérence multi-échelle de laSDPD est démontrée par des simulations à l’équilibre et pour des ondes de choc et nous proposons un couplage entre la SDPD à différentes résolutions. Enfin, la pertinence physique de la méthode est illustrée par la simulation d’ondes de détonation et d’éjection de matière / This thesis studies mesoscopic models adapted to the simulation of shock and detonation waves in fluids. These phenomena require systems sufficiently large to observe the complex processes occurring in this context. The aim is thus to increase the accessible time and length scales of microscopic methods, accurate but expensive, while preserving their essential properties. To this end, the multiscale coupling of methods at different resolutions allows to finely describe a specific region, limiting the computational cost. In particular, we study Smoothed Dissipative Particle Dynamics (SDPD) which couples a particle discretization of the Navier-Stokes equations and thermal fluctuations that scale consistently with the resolution. The SDPD equations are reformulated in terms of internal energies, which increases the structural similarity with Dissipative Particle Dynamics with Energy conservation (DPDE). We adapt numerical schemes for DPDE to the context of SDPD in order to ensure energy conservation and stability. We study the statistical properties of SDPD and determine estimators for temperature and pressure. The size consistency in SDPD is established for equilibrium and shock waves, which leads us to propose a multiscale coupling of SDPD at different resolutions. Finally, its physical relevance is illustrated by simulating micro-jetting and detonation waves

Des observations récentes montrent que les jeunes étoiles en cours de formation éjectent de la matière à des dizaines de kilomètres par seconde, sous la forme de jets et flots impactant le milieu ambient dont l'effondrement est a l'origine de la formation stellaire. L'impact supersonique entre le jet et le nuage moléculaire parent de l'étoile génère un front de choc sous la forme d'un “bow-shock” se propageant dans le gaz interstellaire, et qui s'accompagne d'un choc en retour qui se propage le long du jet.<br /><br />La structure de ces chocs dépend de leur vitesse ainsi que des propriétés physiques du gaz dans lequel ils se propagent, et notamment de la valeur du champ magnétique local. Les simulations numériques de type magnétohydrodynamique de propagation de tels chocs permettent de contraindre les propriétés physiques et chimiques du gaz dans lequel est générée l'émission moléculaire. Les chocs interstellaires, stationnaires et non stationnaires sont ainsi modélisés, et des grilles de modèles sont construites, pour différentes plages de valeurs des paramètres préchocs qui sont aussi les paramètres d'entrée du code de choc, parmi lesquels la vitesse de choc, la densité préchoc, le champ magnétique, et l'âge des chocs dans le cas des chocs non stationnaires.<br /><br />L'émission de la molécule de dihydrogène est d'abord étudiée. En raison de son importance particulière (due à son importante densité ainsi qu'au rôle crucial joué en tant que refroidisseur du gaz et de partenaire de collision pour les espèces moléculaires), la population de ses niveaux est résolue à l'intérieur du code de choc, ainsi que son transfert de rayonnement. L'onde de choc modifie la composition chimique du gaz, dissociant partiellement ou totalement l'hydrogène moléculaire, qui est le principal agent refroidissant du gaz. Dans les régions où le dihydrogène subsiste, il est excité collisionnellement , générant ainsi de l'émission dans ses transitions rovibrationnelles et purement rotationnelles. Cette émission est en effet observée dans l'infrarouge par les satellites ISO (Infrared Space Observatory) et Spitzer. Les diagrammes d'excitation correspondants sont ensuite utilisés pour comparer les modèles aux observations existantes pour le flot bipolaire L1157, détecté autour d'une jeune protoétoile de Classe 0. Ces comparaisons confirment la nécessité d'un recours aux modèles de chocs non stationnaires pour interpréter les densités de colonne observées pour les niveaux de H2.<br /><br />De telles régions de chocs génèrent des conditions physiques et chimiques elles mêmes à l'origine d'une chimie particulière favorisant la formation de molécules caractéristiques telles que SiO, dont l'émission est alors observée dans les fenêtres infrarouge et submillimétrique (IRAM, CSO, JCMT). Le transfert de rayonnement de la molécule de SiO est simulée à l'aide d'un programme numérique reposant sur l'approximation LVG (Large Velocity Gradient). Ce programme est écrit, testé dans des conditions basiques, comparé à d'autres modèles de référence, puis utilisé en sortie du code de choc pour les modèles des grilles mentionnées plus haut. Les mécanismes d'émission des raies moléculaires sont ainsi étudiés, des digrammes d'intensité intégrée et des profils de raie sont alors produits. Des comparaisons avec les observations de la région L1157 sont effectuées indépendamment des résultats relatifs au dihydrogène, avec un bon accord pour des modèles de choc stationnaires et sous diverses hypothèses de répartition initiale du silicium dans les grains de poussière, et de l'oxygène dans la phase gazeuse. Enfin, l'émission de SiO est aussi étudiée dans le cadre de ces mêmes hypothèses dans les chocs non stationnaires. La comparaison simultanée des observations SiO et H2 est alors réalisée, c'est à dire leur ajustement par un même modèle de choc, avec des résultats encourageants.<br /><br />Pour compléter cette étude, l'émission de CO est aussi envisagée dans les modèles de chocs stationnaires et non stationnaires, et le monoxyde de carbone est ajouté à la liste des molécules dont la production et l'émission peuvent être modélisées par le même choc que H2 et SiO avec un accord satisfaisant, même si cet ajout ne génère pas de contrainte supplémentaire par rapport à ces deux molécules.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des plasmas générés par interaction laser-matière en régime confiné, et plus particulièrement à leur application au traitement des matériaux par choc laser. <br />Afin de mieux comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans ce régime d'interaction particulier, une modélisation originale du procédé a été développée. Un code numérique traitant les processus de claquage dans l'eau de confinement permet dans un premier temps de déterminer les caractéristiques (intensité crête et durée à mi-hauteur) de l'impulsion laser transmise à travers la fenêtre de confinement. Un modèle hydrodynamique auto-consistant traitant les plasmas confinés (plasmas froids et denses, corrélés et partiellement dégénérés) utilise ensuite ces paramètres pour calculer les chargements mécaniques et thermiques induits à la surface de la cible traitée. Pour terminer, ces chargements sont utilisés en entrée du code aux éléments finis ABAQUS afin de simuler les contraintes résiduelles d'origine mécanique et thermique induites par le traitement. <br />Les résultats de ces simulations ont été validés par comparaison avec différentes mesures expérimentales réalisées pour des conditions d'irradiation laser (longueurs d'ondes de 1064 nm et de 532 nm, durées d'impulsion de 3 ns et 10 ns) typiques des conditions opératoires réelles utilisées au niveau industriel. <br />Ces résultats montrent que les petites taches focales permettent de limiter fortement le chauffage de la cible par le plasma confiné, et donc de s'affranchir des effets thermiques induits par le traitement. Ils ouvrent donc de nouvelles perspectives quant à la réalisation du traitement par choc laser sans utiliser de revêtement thermo-protecteur. Par ailleurs, ils permettant d'expliquer les résultats obtenus avec la configuration de traitement développée par Toshiba (très petites taches focales, haute cadence, pas de revêtement protecteur), qui demeuraient incompris jusqu'alors.

Dans l'optique de développer à terme des modèles pertinents et in fine améliorer le design de véhicules supersoniques, cette étude propose une analyse détaillée de l'influence d'un choc et d'un transfert de chaleur sur la structure de la turbulence au sein d'une couche limite supersonique. La stratégie numérique utilisée repose sur des simulations numériques directes des équations de Navier-Stokes à l'aide de schémas WENO et compact d'ordre élevé. Le développement complet de la couche limite est simulé à l'aide d'un forçage amont à la paroi afin de s'assurer du plus haut degré de réalisme dans la zone d'étude. Des conditions de séparation naissante et deux conditions thermiques de paroi (adiabatique et refroidie) sont considérées. L'analyse se concentre sur l'altération des caractéristiques moyennes et turbulentes à travers la zone d'interaction et au sein de la zone de relaxation, sur la base de profils moyens et de paramètres intégraux. L'amplification anisotrope des variables turbulentes est quantifiée tandis que les évènements turbulents associés à la modification de la structure globale sont identifiés. La forte modification des champs thermiques moyens et turbulents par le refroidissement est mise en exergue, notamment la diminution significative des quantités turbulentes à travers la couche. Par ailleurs, la réduction à la fois des longueurs d'influence amont, de séparation et de relaxation est mise en évidence.

Dans des milieux hétérogènes d'aérosols de gouttelettes de carburants liquides, on a étudié l'influence des propriétés physicochimiques de la phase liquide et de l'oxydant gazeux sur les conditions d'initiation d'une détonation, ses caractéristiques de propagation et l'existence d'une structure cellulaire analogue à celle des mélanges gazeux. Les expériences ont été effectuées dans un tube de section carrée (53x53mm) et de longueur 4m, avec des gouttelettes de 30 μm. Dans l'air, avec des carburants volatils (heptane, isooctane) 3 régimes de détonation ont été observés, lorsque la richesse croît : régime hélicoïdal ; marginal avec structure à demi-cellule ; régime normal avec structure multicellulaire. Lorsque le rapport de dilution diminue, on n'observe que le régime à structure multicellulaire et la taille des cellules diminue. Dans des carburants moins volatils (octane), on retrouve les mêmes régimes de détonation, mais les tailles de cellule sont plus grandes que celles de l'isooctane. Dans le cas de carburants peu volatils (décane ou dodécane), la détonation n'a pas été initiée, quelle que soit la richesse et la dilution. Avec le nitrométhane (cas d'un monergol) on a observé la formation et la propagation d'une détonation et mis en évidence la structure cellulaire. Un modèle numérique a été développé. Seul le facteur préexponentiel de la loi de cinétique chimique est ajusté en fonction de la nature du carburant. Les résultats des simulations effectuées, en configurations bi- et tri-dimensionnelles, en fonction de la richesse et de la dilution conduisent à des régimes de propagation et à des tailles de la structure cellulaire en accord raisonnable avec les expériences.