Les écoulements vrillés, qui sont largement utilisés dans les turbines à gaz, sont connus pour être sujet à des bifurcations entre différentes topologies (grandes reconfigurations de l'écoulement) qui peuvent affecter les performances et la sécurité du moteur. Ce travail se concentre sur l'étude de ces bifurcations en utilisant la Simulation aux Grandes Echelles (SGE). Cette étude montre qu'un petit changement dans les conditions dynamique du fluide, induite par les différents modèles de sous-maille utilisés, peut provoquer une transition entre deux régimes d'écoulement distincts lorsque l'écoulement tourbillonnaire est proche des conditions critiques de transition. La sensibilité de la SGE aux modèles de sous-maille est également identifiée comme le résultat d'un manque de résolution à certains endroits critiques, un problème qui est analysé en utilisant une méthode d'adaptation de maillage. L'adaptation de maillage est testée sur des cas académiques et industriels. Ici, par ajustement de la résolution du maillage sur la base des caractéristiques de l'écoulement étudié (raffinement et grossissement de la grille en maintenant constant le coût numérique), des améliorations substantielles peuvent être obtenues, en terme de prédictions de la SGE. Ce travail peut être considéré comme une des premières étapes vers la mise en place d'une procédure standard (reproductible et indépendante de l'utilisateur) de maillage pour la SGE.

Ce mémoire présente une synthèse de mes travaux de recherche effectués depuis ma soutenance de thèse en septembre 2005. L'ensemble s'articule autour de problèmes touchant aux écoulements turbulents, tant monophasiques que multiphasiques abordés principalement d'un point de vue expérimental. Les problèmes traités sont tout autant d'ordre fondamental que plus appliqué. Cette présentation est organisée autour de 3 axes : 1. les instabilités et bifurcations en écoulements turbulents monophasiques ; 2. l'étude des écoulements dans les machines tournantes et leur conception ; 3. la dynamique et les instabilités en écoulements diphasiques. Ces 3 axes ont en commun un certain nombre de traits, comme la caractérisation au moyen d'outils expérimentaux conçus à dessein, l'analyse des données obtenues (signaux temporels ou champs de vitesse LDV/PIV) au moyen du développement d'outils de post-traitement (analyse d'image) et enfin l'intérêt porté aux phénomènes instationnaires et dynamiques.

Nous présenterons, dans une première partie, le fonctionnement d'une pile à combustible PCFC en nous attardant sur le phénomène de conduction protonique dans les matériaux céramiques. Dans un deuxième temps, nous présenterons les expériences qui nous ont permis de caractériser qualitativement le phénomène de courbure et nous formulerons des hypothèses pour en expliquer l'origine. Nous présenterons ensuite le modèle mécanique développé et implémenté dans le code de calcul "éléments finis" du centre (ZéBuLoN) pour simuler le frittage. Dans une dernière partie nous présenterons une série de simulations numériques qui valideront nos hypothèses. Ce travail permet de mieux comprendre les phénomènes qui entrent en jeu dans le cycle de frittage des membranes et contribue donc à l'amélioration du procédé industriel.

This study is devoted to the development of moderate-cost methodologies for the aerodynamic simulation of open rotors. The main goals are, on one side, to develop and validate these rapid methodologies, and, on the other side, to better understand the mechanisms behind propeller in-plane loads, also called the 1P loads. To reach the first goal, the HOST-MINT code, based on the lifting-line theory, has been adapted and improved for the unsteady simulation of propellers and open rotors. The code has been assessed by comparison with experimental data and more complex and precise CFD simulations. Finally, the first developments and tests of a Lagrangian/Eulerian coupling strategy between HOST-MINT and the elsA CFD code have been performed. These studies enable to endeavor a number of applications of this type of rapid methodologies in the aerodynamic design of future open rotors. Moreover, these methodologies may be adapted for other domains linked to aerodynamics, such as aeroelastic problems or preliminary aeroacoustic predictions.

Le terme de robustesse structurale donne lieu à diverses définitions et domaines d’application. Dans le domaine de l’ingénierie structurale, le cadre réglementaire des Eurocodes définit la robustesse structurale comme 'l’aptitude d'une structure à résister à des événements tels que les incendies, les explosions, les chocs ou les conséquences d'une erreur humaine, sans présenter de dégâts disproportionnés par rapport à la cause d'origine'. Cette définition fait clairement ressortir les notions de dommage initial (défaillance locale) et de dommage disproportionné (défaillance globale). Cette thèse propose une approche de la quantification de la robustesse structurale en contexte probabiliste pour mesurer l’impact d’une défaillance localisée sur la défaillance globale de la structure. L'objectif majeur de la thèse est de quantifier l’écart entre une défaillance locale et une défaillance globale, en introduisant différents indices de robustesse selon que la structure soit intègre ou initialement endommagée. Pour cela, dans le but de caractériser et quantifier les liens existant entre la performance des différents éléments d’une structure et la performance globale de la structure, il est nécessaire d'introduire une étude en système qui intègre de manière concomitante des notions de défaillance locale (modes de défaillance) et des notions de défaillance globale. Une recherche 'par l’intérieur' des chemins de défaillance dominants est présentée. Le terme 'par l’intérieur' est utilisé car c’est le cheminement interne de la défaillance dans la structure qui est recherché. Des méthodes de parcours d’arbre d’évènements sont introduites telles que la méthode des ' branches et bornes', du β-unzipping, ou encore du β-unzipping avec bornage. Ces méthodes permettent d’identifier les chemins de défaillance dominants avec des temps de calcul raisonnables. En particulier, il est possible de déterminer le chemin de défaillance associé à la plus grande probabilité de défaillance, appelé encore chemin de référence. Une approche 'par l’extérieur' est également proposée, qui consiste à identifier la défaillance globale sans parcourir un arbre d’évènement (et donc sans s’intéresser à l’ordre avec lequel la défaillance survient). Le terme 'par l’extérieur' correspond donc à regarder la défaillance de manière globale sans chercher à déterminer la chronologie de la défaillance. Dans les deux cas, l'enjeu est au final de développer une démarche globale permettant d’apprécier et de quantifier la robustesse des structures neuves ou existantes au travers de méthodes et d'indices pouvant s'appliquer à une large variété de problèmes.

Analyse de la marche des personnes amputées de membre inférieur en situations contraignantes de la vie couranteRESUME : Le projet se situe dans le contexte du handicap moteur et plus spécifiquement concerne les personnes amputées de membre inférieur. Une autonomie de déplacement est redonnée aux patients grâce à l'appareillage et la rééducation qui restituent une partie des fonctions locomotrices. Cependant, l'autonomie des personnes amputées de membre inférieur est limitée par des situations plus contraignantes que la marche sur sol plat (plans inclinés, escaliers, dévers) et rencontrées quotidiennement. Le développement de nouveaux composants prothétiques et protocoles de rééducation peut permettre de réduire les difficultés des patients dans ces situations. Au préalable, il est nécessaire de comprendre le comportement du système ostéo-articulaire et des composants prothétiques lors de la locomotion en situations contraignantes de la vie courante. L'analyse quantifiée de la marche a été utilisée dans cet objectif de caractérisation de la locomotion. Les travaux de thèse s'inscrivent dans un projet de trois ans financé par l'ANR en partenariat avec deux centres d'appareillage et de recherche clinique, le INI-CERAH (Centre d'Études et de Recherche Appareillage des Handicapés) et l'IRR (Institut Régional de Médecine Physique et de Réadaptation), et un industriel, l'entreprise Proteor fabricant de composants prothétiques. Un protocole permettant d'étudier la locomotion et les adaptations de la locomotion entre cinq situations différentes de la vie courante a été mis en place. Une base de données unique et d'envergure, au vue de la littérature, a été créée. Elle regroupe les paramètres de la marche de 22 sujets amputés transtibiaux, de 21 sujets amputés transfémoraux et 30 sujets contrôles, ayant suivi le même protocole. Des paramètres biomécaniques ont été identifiés pour caractériser les adaptations de la locomotion des sujets amputés entre le plat et le dévers et la pente par comparaison aux adaptations des sujets contrôles entre le plat et ces situations. Cette méthode d'analyse novatrice permet d'appréhender la locomotion d'un groupe de sujet en tenant compte de la marche propre à chaque individu du groupe. Ces travaux de thèse apportent un protocole, une base de données et un complément de connaissances sur les mécanismes mis en jeu lors de la locomotion en pente et en dévers.Mots clés : Amputation, Appareillage, Biomécanique, Locomotion, Dévers, Pentes

Les vibrations de plaques minces présentent des dynamiques très riches et variées, allant de comportements linéaire à fortement non linéaire en fonction de leur amplitude par rapport à l'épaisseur. Cette thèse présente le développement d'un code numérique capable de simuler sans restriction cette dynamique complexe, décrite par les équations de Von Karman, dans le cas de plaques homogènes et présentant une géométrie rectangulaire. L'application principale de ce code est de produire des sons de cymbales et de gongs: cette partie du travail s'inscrit donc dans le contexte de la synthèse sonore par modélisation physique. Pour cela, une approche modale est utilisée, afin de réduire les équations aux dérivées partielles à un ensemble d'équations différentielles ordinaires couplées. Un schéma d'intégration temporelle est proposé, pour lequel la conservation de l'énergie produit une condition de stabilité. Les caractéristiques les plus intéressantes du schéma modal sont sa précision et la possibilité de mettre en place des lois d'amortissements complexes à moindre coût. Le son produit par le code numérique est systématiquement comparée à celui calculé par une autre méthode fondée sur les techniques de différences finies . Les aspects fondamentaux de la physique des vibrations non linéaires sont également pris en compte au cours de ce travail. Lorsqu'une plaque vibre dans un régime faiblement non linéaire, les couplages modaux produisent des vibrations qui dépendent de l'amplitude, des résonances internes, des instabilités, des sauts et des bifurcations. Le schéma modal est utilisée pour construire et analyser la réponse non linéaire de la plaque au voisinage de ses premières fréquences propres, dans un cas conservatif, puis en prenant en compte les effets de l'amortissement et du forçage, montrant ainsi leurs effets sur les modes normaux non linéaires du système hamiltonien. Lorsque les plaques vibrent dans un régime fortement non linéaire, la description la plus appropriée de la dynamique est donnée en termes des propriétés statistiques du système, en raison de la multitude de degrés de liberté activés. Théoriquement, ce cadre est offert par la théorie de turbulence d'ondes. À cause de la grande quantité de modes activés dans de telles vibrations, le code en différence finie conservatif est préféré au schéma modal. Lorsque la plaque est excitée avec un forçage sinusoïdal autour d'un de ses modes propres de basse fréquence, une cascade d'énergie se produit, activant des milliers de modes à plus hautes fréquences. Une interprétation statistique des résultats des simulations est proposée, ainsi qu'une comparaison avec des données expérimentales et des autres résultats numériques trouvés dans la littérature. En particulier, les effets du forçage ponctuel ainsi que des imperfections géométriques des plaques sont analysées.

Dans le bâtiment, de nouvelles réglementations thermiques sont mises en place afin de répondre à des problématiques d'économie d'énergie, et font apparaître de nouveaux types de matériaux. Cela ne doit pas se faire au détriment des propriétés acoustiques. Les matériaux à base de particules et fibres végétales, tels que le béton de chanvre et les laines chanvre/lin, sont caractérisés par des propriétés multifonctionnelles de haut niveau et constituent des solutions parfaitement adaptées à ce contexte. L'objectif de ce travail de thèse est d'explorer les propriétés acoustiques de ces matériaux, et plus particulièrement de mettre en évidence la contribution de leurs différentes échelles de porosité à la dissipation acoustique. A cette fin, les propriétés physiques et acoustiques de laines végétales, de chènevottes et de bétons de chanvre ont été caractérisées, et analysées en s'appuyant sur la théorie des matériaux poreux à simple et multiple échelle, développée dans la littérature. La campagne expérimentale a permis de souligner les performances acoustiques élevées de ces matériaux, pouvant être contrôlées par des leviers d'action relatifs au choix de leurs constituants et de leur mise en oeuvre. Il est de plus montré qu'étant donné le gradient de perméabilité existant entre les micropores (pores intrafibres, intraparticules et intraliants) et les mésopores (pores interfibres et interparticules), seuls les mésopores participent à la dissipation acoustique. Dans ce cadre, des modèles semi-phénoménologiques sont utilisés afin de prédire les propriétés acoustiques à partir des paramètres de base des constituants. Cette modélisation est finalement exploitée à travers une optimisation des propriétés acoustiques des matériaux à partir de leur formulation, leur structure multicouche et leur géométrie de surface. Des méthodes de caractérisation des matériaux par mesures acoustiques sont également proposées afin de réaliser un contrôle de qualité des granulats de chanvre.

En microélectronique, certains dispositifs (MEMS) nécessitent une couche de protection appelée encapsulation pour assurer un fonctionnement optimal. Ce procédé met en jeu une couche structurée de polymère BCB (benzocyclobutène). Celle-ci est en contact avec unsubstrat de silicium d'un côté et une couche de nickel de l'autre. Une compréhension du comportement de ces interfaces et primordiale. L'objectif de cette thèse est la caractérisation de l'énergie d'adhérence des interfaces discontinues Ni/BCB et BCB/Si. Deux essaismécaniques (test de flexion 4-points et insertion de lame) ont été mis en œuvre. Les modèles analytiques mis au point dans le cas d'une interface continue ont servi à l'exploitation de ces essais mais ont aussi montré leur limite. La structuration de l'interface induit des effets géométriques et des effets d'échelle qui ne sont pas bien pris en compte par les modèles classiques. Pour pallier à cette difficulté, un modèle analytique modifié est proposé pour le test d'insertion de lame, ainsi que des calculs de simulation numérique. Ils mettent en avant l'influence des paramètres de la structuration : taille des motifs, espacement.

Nous proposons de développer une méthode expérimentale et numérique qui soit capable d'évaluer simultanément les propriétés acoustiques et géométriques de plaques viscoélastiques homogènes. Au cours de cette étude, nous ne négligeons pas le fait que l'atténuation des ondes ultrasonores dans ce type de matériaux présente généralement un caractère dispersif au même titre que la vitesse de propagation. Afin de réaliser cette démarche, nous avons choisi d'étudier le coefficient de transmission d'une plaque immergée dans un fluide (eau ou air), en prenant en compte les effets dispersifs (modèle de Szabo) et dissipatifs (loi de puissance) des ondes dans la plaque et en intégrant ceux-ci au sein du modèle théorique. Nous avons inclus une correction de la diffraction sous forme d'une approximation pour tenir compte de la dimension finie de la source. Le modèle théorique ainsi choisi représente un des éléments clés nécessaires à la création d'une méthode d'identification des propriétés élastiques et dissipatives de matériaux viscoélastiques. Les autres points fondamentaux de cette méthode sont la mesure, en incidence normale, du coefficient de transmission de la plaque, ainsi que la routine d'optimisation. Nous avons mis au point deux techniques de mesure par immersion ou par air-coupling afin d'extraire la fonction de transmission en fréquence de la plaque. La routine d'optimisation développée sous Matlab® permet ensuite de faire évoluer les paramètres ajustables du modèle numérique jusqu'à obtenir une réponse identifiée proche de la réponse expérimentale, en recourant à un algorithme de minimisation de moindres carrés non-linéaire. Les propriétés extraites simultanément sont : l'épaisseur et la masse volumique de la plaque, ainsi que la vitesse et l'atténuation des ondes longitudinales dans la plaque. La procédure ainsi mise au point a été appliquée à plusieurs matériaux polymères, puis à des plaques composites (vieillies ou non). Nous avons vérifié que pour l'ensemble de ces plaques, l'épaisseur et la vitesse s'identifient correctement. La masse volumique est identifiée avec une précision moindre. En ce qui concerne l'atténuation, nous avons pu mettre en évidence son estimation plus délicate, en particulier pour le coefficient d'atténuation. Cependant, nous obtenons des résultats concluants pour l'identification de l'exposant de l'atténuation. Nous avons pu observer que les erreurs résiduelles entre les courbes expérimentales et identifiées étaient de l'ordre de 0,5% et 5% pour les mesures dans l'eau et dans l'air, respectivement.