This thesis suggests the use of tools from the disciplines of Computational Linguistics and Knowledge Representation with the idea that such tools would enable the partial automation of two processes of Conceptual Design: the analysis of Requirements and the synthesis of concepts of solution. The viewpoint on Conceptual Design developed in this research is based on the systematic methodologies developed in the literature. The evolution of these methodologies provided precise description of the tasks to be achieved by the designing team in order to achieve successful design. Therefore, the argument of this thesis is that it is possible to create computer models of some of these tasks in order to partially automate the refinement of the design problem and the exploration of the design space. In Requirements Engineering, the definition of requirements consists in identifying the needs of various stakeholders and formalizing it into design speciႡcations. During this task, designers face the problem of having to deal with individuals from different expertise, expressing their needs with different levels of clarity. This research tackles this issue with requirements expressed in natural language (in this case in English). The analysis of needs is realised from different linguistic levels: lexical, syntactic and semantic. The lexical level deals with the meaning of words of a language. Syntactic analysis provides the construction of the sentence in language, i.e. the grammar of a language. The semantic level aims at Ⴁnding about the specific meaning of words in the context of a sentence. This research makes extensive use of a semantic atlas based on the concept of clique from graph theory. Such concept enables the computation of distances between a word and its synonyms. Additionally, a methodology and a metric of similarity was defined for clarifying requirements at syntactic, lexical and semantic levels. This methodology integrates tools from research collaborators. In the synthesis process, a Knowledge Representation of the necessary concepts for enabling computers to create concepts of solution was developed. Such, concepts are: function, input/output Ⴂow, generic organs, behaviour, components. The semantic atlas is also used at that stage to enable a mapping between functions and their solutions. It works as the interface between the concepts of this Knowledge Representation.

Les mécanismes d'érosion sont la principale cause de rupture des ouvrages hydrauliques en remblai, c'est pourquoi il est capital de pouvoir quantifier la résistance des sols à l'érosion. Divers appareillages permettent d'en obtenir une estimation, notamment le Jet Erosion Test (JET) dont le modèle d'interprétation est empirique. L'objectif de ce travail est de statuer sur la pertinence du modèle d'interprétation du JET. Pour cela, nous avons développé un modèle numérique 2D de type Navier-Stokes turbulent avec déplacement d'interface et remaillage, permettant de modéliser l'érosion d'un sol cohésif par un écoulement turbulent. En injectant dans notre modèle les paramètres d'érosion trouvés à la suite d'essais de JET, on retrouve numériquement l'évolution de la profondeur d'affouillement obtenue expérimentalement. Nous avons appliqué cette méthode à trois différents essais de JET, les résultats obtenus sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. En plus d'une importante étude paramétrique, ces résultats ont permis d'apporter d'importants éléments de validation au modèle d'interprétation du JET. Pour étendre le champ d'applicabilité du modèle, nous avons également appliqué cette méthode de modélisation à la configuration de l'érosion de conduit. Trois essais de Hole Erosion Test (HET) ont été modélisés et nous avons également obtenus des résultats en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une analyse de la loi d'érosion et des paramètres d'érosion obtenus à la suite d'essais de JET et de HET a ensuite été initiée. Les bases d'une étude portant sur l'influence de l'angle d'incidence de l'écoulement, sur l'efficacité de l'érosion, ont été posées.

Nous nous intéressons à la modélisation et à la simulation numérique d'écoulements gravitaires transitoires à surface libre, pour des fluides visqueux et incompressibles. La loi de comportement est de type viscoplastique avec transition fluide/solide. Plus précisément, nous considérons la loi rhéologique de Drucker--Prager. Nous nous intéressons tout d'abord le cas unidimensionnel d'un écoulement longitudinal cisaillé. Nous étudions un modèle simplifié, avec terme source empirique, pour lequel nous concevons une méthode numérique pour le suivi de la position de l'interface entre la couche solide et la couche fluide. Nous présentons des résultats numériques, avec divers termes sources, et nous comparons ces résultats, lorsque la viscosité est petite, à la solution analytique non visqueuse. Dans le cas visqueux, nous étudions les phases de démarrage et d'arrêt de l'écoulement. Dans un second temps, nous étudions le cas bidimensionnel d'écoulement de Drucker--Prager avec surface libre. La loi de comportement du fluide est traitée par régularisation, et nous utilisons la méthode ALE pour traiter le mouvement du domaine. Nous présentons des résultats numériques pour l'étude de la mise en mouvement d'un talus.

L'identification des modes vibratoires est un sujet prioritaire dans le cadre de la surveillance des structures civiles. Certaines techniques d'identification, les méthodes sous espace, ont prouvé leur adéquation pour l'identification et la détection de changements dans les caractéristiques vibratoires, ceci sous des conditions opérationnelles. Le but de cette thèse est l'amélioration de l'efficacité et de la robustesse de ces approches pour l'identification vibratoire et pour la détection des pannes dans les structures de grande taille, équipées d'un grand nombre de capteurs et fonctionnant en conditions environnementales diverses et bruitées. Dans cette thèse, quatre verrous majeurs ont été levés. D'abord, à partir de mesures collectées à différents points de mesure et sous différentes conditions environnementales, un algorithme d'extraction des déformées est proposé, alliant simplicité, modularité et compacité. Ensuite, une reformulation d'un problème moindre carrés amène à une amélioration conséquente du temps de calcul, lors du calcul multi ordre utilisé pour séparer les vrais modes de structures des modes parasites. D'autre part, une approche statistique pour la détection de pannes est améliorée et modifiée par l'usage d'un résidu robuste aux variations dans l'excitation ambiante inconnue. Finalement est considéré le problème de localisation de fautes quand l'absence de modèle aux éléments finis doit être compensée par un calcul direct de sensibilités à partir des données mesurées. Les différentes méthodes sont validées sur simulations et sont appliquées avec succès pour l'identification et la détection de fautes sur plusieurs structures civiles de grande taille.

L'imagerie médicale ultrasonore est une modalité en perpétuelle évolution et notamment en post-traitement où il s'agit d'améliorer la résolution et le contraste des images. Ces améliorations devraient alors aider le médecin à mieux distinguer les tissus examinés améliorant ainsi le diagnostic médical. Il existe déjà une large palette de techniques "hardware" et "software". Dans ce travail nous nous sommes focalisés sur la mise en oeuvre de techniques dites de "déconvolution aveugle", ces techniques temporelles utilisant l'enveloppe du signal comme information de base. Elles sont capables de reconstruire des images parcimonieuses, c'est-à-dire des images de diffuseurs dépourvues de bruit spéculaire. Les principales étapes de ce type de méthodes consistent en i) l'estimation aveugle de la fonction d'étalement du point (PSF), ii) l'estimation des diffuseurs en supposant l'environnement exploré parcimonieux et iii) la reconstruction d'images par reconvolution avec une PSF "idéale". La méthode proposée a été comparée avec des techniques faisant référence dans le domaine de l'imagerie médicale en utilisant des signaux synthétiques, des séquences ultrasonores réelles (1D) et images ultrasonores (2D) ayant des statistiques différentes. La méthode, qui offre un temps d'exécution très réduit par rapport aux techniques concurrentes, est adaptée pour les images présentant une quantité réduite ou moyenne des diffuseurs.

Cette recherche tente de déterminer si, dans le cadre d’un cours de physique de cinquième secondaire, l’utilisation d’un laboratoire par enquête guidée (comme complément d’enseignement basé sur une approche conceptuelle) permet aux élèves de mieux comprendre des notions de cinématique, que le laboratoire traditionnel. Elle s’inscrit dans une série d’études, réalisées au collégial ou à l’université, qui portent sur des approches d’enseignement exploitant le laboratoire comme moyen de transmission des concepts mécaniques en physique (McDermott, 1996; Beichner, 1994). Le laboratoire par enquête est associé à une approche conceptuelle axée sur le raisonnement qualitatif alors que celui qui est traditionnel est associé à une approche traditionnelle de l’enseignement de la physique. Le test TUG-K, «Test of Understanding Graphs in Kinematics » (Beichner, 1994), ainsi que des entrevues individuelles ont été utilisés afin d’évaluer la compréhension des concepts de cinématique. Il semble d’abord que le laboratoire par enquête guidé soit efficace pour enseigner la plupart des notions de cinématique. De plus, en comparant deux groupes d’une trentaine d’élèves de 5e secondaire ayant suivi deux types de laboratoires différents, l’étude a permis d’entrevoir une piste concernant la compréhension du concept d’accélération. Les résultats suggèrent qu’un laboratoire associé à une approche conceptuelle permettrait aux étudiants, à long terme, de mieux s’approprier les notions d’accélération qu’un laboratoire traditionnel. / The goal of this study is to determine whether the use of a guided inquiry laboratory (as a teaching complement based on a conceptual approach) will allow secondary five students to better understand kinematics notions than by the use of an expository laboratory. It comes within a series of college and university studies about teaching approaches using laboratories to transmit physics’ concepts in mechanics (McDermott, 1996; Beichner, 1994). The guided inquiry laboratory approach is associated to a conceptual approach based on qualitative reasoning, whereas the expository laboratory is associated to traditional approach in teaching physics. The Test of Understanding Graphs in Kinematics (TUG-K) (Beichner, 1994) and individual interviews were used to evaluate understanding of kinematics concepts. First of all, the study shows that a guided inquiry approach is an effective method to teach most of kinematics notions. Comparing the results from two groups of 38 students, the study results indicate that a conceptual approach laboratory is better than an expository laboratory for students’ long-term understanding of acceleration notions.

At the interface of physics, mathematics, and computer science, Uncertainty Quanti cation (UQ) aims at developing a more rigorous framework and more reliable methods to characterize the impact of uncertainties on the prediction of Quantities Of Interest (QOI). Despite signi cant improvements done in the last years in UQ methods for Fluid Mechanics, there is nonetheless a long way to go before there can be talk of an accurate prediction when considering all the numerous sources of uncertainties of the physical problem (boundary conditions, physical models, geometric tolerances, etc), in particular for shock-dominated problems. This manuscript illustrates my main contributions for improving the reliability of the numerical simulation in Fluid Mechanics: i) the development of e cient and exible schemes for solving at low-cost stochastic partial di erential equations for compressible ows, ii) various works concerning variancebased and high-order analysis, iii) the design of some low-cost techniques for the optimization under uncertainty. The application of interest is the robust design of turbines for Organic Rankine Cycles (ORC). Some contributions to the numerical ow prediction of the thermodynamically complex gases involved in ORC will be presented. This manuscript is divided in two parts. In the rst part, some intrusive algorithms are introduced that feature an innovative formulation allowing the treatment of discontinuities propagating in the coupled physical/stochastic space for shock-dominated compressible ows. Then, variance and higher-order based decompositions are described, that could alleviate problems with large number of uncertainties by performing a dimension reduction with an improved control. Some ANOVAbased analyses are also applied to several ows displaying various types of modeling uncertainties, be it cavitation, thermodynamic or turbulence modeling. Two algorithms for handling stochastic inverse problems are then introduced for improving input uncertainty characterization by directly using experimental data. Finally, robust-optimization algorithms are introduced, that are e cient when dealing with a large number of uncertainties, relying on di erent formulations, i.e. with decoupled/ coupled approaches between the stochastic and the optimization solvers. The second part is devoted to the study of dense gas ow in ORC-cycles, which represent a highly demanding eld of application as far as ow simulation reliability is concerned. The numerical ingredients necessary for this kind of simulation are described. Then, some recent results are illustrated : i) high- delity turbine computations; ii) a feasibility study concerning the appearance and the occurrence of a Rarefaction Shock Wave, using experimental data and di erent operating conditions (in monophasic and two-phase ows); iii) a stochastic study concerning the thermodynamic model uncertainties. This set of research works has produced several papers in international journals and peer-reviewed conferences.

Le collagène est une protéine de structure majeure qui forme diverses organisations macromoléculaires dans les tissus, et est responsable des propriétés biomécaniques de la plupart des organes. La génération de seconde harmonique (SHG) est une technique d'imagerie adaptée pour sonder l'organisation fibrillaire du collagène. Ce travail vise à implémenter et à caractériser la SHG résolue en polarisation (PSHG), et à coupler cette technique à des essais biomécaniques pour obtenir des informations structurelles multi échelles sur les tissus collagéniques. Nous avons d'abord étudié les effets optiques linéaires qui influencent l'imagerie P-SHG dans les tissus anisotropes denses tels que les tissus collagéniques. Nous avons développé un modèle théorique qui prend en compte la biréfringence, la di-atténuation et le mélange de polarisation, et nous avons obtenu un excellent accord avec nos mesures P-SHG dans le tendon de queue de rat. De plus, nous avons effectué des simulations numériques de la propagation du faisceau d'excitation et de la formation du signal SHG dans le tendon et la cornée. Ces simulations ont confirmé le rôle crucial de la biréfringence en P-SHG. Nous avons ensuite mis en place un dispositif expérimental combinant des essais mécaniques avec l'imagerie SHG. Cela a permis de visualiser la morphologie du tendon à l'échelle micrométrique pendant les essais mécaniques macroscopiques. Nos résultats ont montré que l'imagerie SHG sous traction permet d'élucider le lien entre la réponse macroscopique des tissus et leur structure microscopique. Enfin, nous avons développé un modèle théorique pour relier l'anisotropie du signal P-SHG à l'ordre orientationnel submicrométrique des harmonophores dans le tissu. Nous avons testé ce modèle par des mesures P-SHG sur un tendon soumis à une élongation croissante. Nous avons alors caractérisé avec succès les variations d'organisation des fibrilles dans le tendon en fonction de l'élongation.

L'optimisation du dimensionnement des structures passe par une meilleure connaissance de leur mode d'endommagement. Cette étude se focalise donc sur la caractérisation de l'endommagement du contact aube/disque des moteurs aéronautique. Cet assemblage mécanique est soumis a une combinaison d'un effort normal (force centrifuge) et tangentiel (dynamique de l'aube). La portée du disque en Ti-6Al-4V subi donc un chargement complexe de type fretting fatigue. Ce type de sollicitation entraine, entre autre dégradation, de la fissuration dont la modélisation expérimentale et numérique est rendue difficile par les limitations des moyens et des connaissances actuelles. Le premier objectif de ce travail de thèse est de développer un moyen d'essai et une instrumentation associée afin d'étudier de façon qualitative et quantitative la fissuration d'un contact Ti-6Al-4V/Ti-6Al-4V. Le second but est d'utiliser les données issues de ce moyen expérimental afin de proposer un modèle de prédiction des durées de vie de cet assemblage. Un montage inédit de fretting fatigue double vérin mono-contact a été mis en place avec une instrumentation nouvelle pour ce type d'essai : suivi de fissuration par suivi de potentiel et par émission acoustique. Une attention particulière a été apportée aux calibrations et aux méthodologies expérimentales. Ce banc d'essai permet notamment de simuler des efforts de fretting applique en phase ou alors de telle manière a simuler un vrai cycle de vol. Cet outil a permis de décrire quantitativement les premières courbes de Wohler en fretting à amorçage (Effort de fretting vs Nombre de cycles à amorçage) pour deux configurations de contact (cylindre/plan et plan/plan). Les impacts des différents paramètres de fretting sur l'amorcage ont pu être quantifies. Les paramètres influant sont : la configuration du contact, les niveaux des efforts appliques et leur mode de combinaison (cycles en phase ou cycles de type vol). De plus des courbes de cinétique de propagation des fissures ont pu être extraites des différents essais, montrant un fort impact du fretting sur les vitesses de propagation des fissures. Une analyse qualitative via l'émission acoustique a montré un mécanisme d'amorçage et de propagation en 3 étapes suivant la perte d'influence du contact. Un modèle de prédiction de l'amorçage et de simulation de la propagation des fissures a été mis en place. Bien que limite dans la prise en compte des effets gradients (approches non locales), ce modèle se montre très performant surtout dans sa capacité à utiliser les données expérimentales dans l'identification des lois d'amorçage ou de propagation. Ce travail a donc permis d'importantes avancées dans la compréhension des mécanismes de fissuration et dans leur modélisation ouvrant ainsi la porte vers une prédiction fiable de l'endommagement des contacts aube/disque.

Dans cette thèse, nous abordons les problemes longtemps etudiés de la séparation et de la localisation binaurale (deux microphones) de sources sonores par l'apprentissage supervisé. Dans ce but, nous développons un nouveau paradigme dénommé projection d'espaces acoustiques, à la croisée des chemins de la perception binaurale, de l'écoute robotisée, du traitement du signal audio, et de l'apprentissage automatise. L'approche proposée consiste à apprendre un lien entre les indices auditifs perçus par le système et la position de la source sonore dans une autre modalité du système, comme l'espace visuel ou l'espace moteur. Nous proposons de nouveaux protocoles expérimentaux permettant d'acquérir automatiquement de grands ensembles d'entraînement qui associent de telles données. Les jeux de données obtenus sont ensuite utilisés pour révéler certaines propriétés intrinsèques des espaces acoustiques, et conduisent au développement d'une famille générale de modèles probabilistes permettant la projection localement linéaire d'un espace de haute dimension vers un espace de basse dimension. Nous montrons que ces modèles unifient plusieurs méthodes de régression et de réduction de dimension existantes, tout en incluant un grand nombre de nouveaux modèles qui généralisent les précédents. Les popriétés et l'inférence de ces modèles sont d'etaillées en profondeur, et le net avantage des méthodes proposées par rapport à des techniques de l'etat de l'art est établit sur différentes applications de projection d'espace, au delà du champs de l'analyse de scènes auditives. Nous montrons ensuite comment les méthodes proposées peuvent être étendues probabilistiquement pour s'attaquer au fameux problème de la soirée cocktail, c'est à dire, localiser une ou plusieurs sources sonores émettant simultanément dans un environnement réel, et reséparer les signaux mélangés. Nous montrons que les techniques qui en découlent accomplissent cette tâche avec une précision inégalée. Ceci démontre le rôle important de l'apprentissage et met en avant le paradigme de la projection d'espaces acoustiques comme un outil prometteur pour aborder de façon robuste les problèmes les plus difficiles de l'audition binaurale computationnelle.