Les systèmes d'imagerie médicale ultrasonore ont considérablement amélioré le diagnostic clinique par une meilleure qualité des images grâce à des systèmes plus sensibles et des post-traitements. La communauté scientifique de l'imagerie ultrasonore a consenti à un très grand effort de recherche sur les post-traitements et sur le codage de l'excitation sans s'intéresser, outre mesure, aux méthodes de commande optimale. Ce travail s'est donc légitimement tourné vers les méthodes optimales basées sur l'utilisation d'une rétroaction de la sortie sur l'entrée. Pour rendre applicable ces méthodes, ce problème complexe de commande optimale a été transformé en un problème d'optimisation paramétrique sous-optimal et plus simple. Nous avons appliqué ce principe au domaine de l'imagerie ultrasonore : l'échographie, l'imagerie harmonique native et l'imagerie harmonique de contraste avec ou sans codage de la commande. La simplicité de l'approche nous a permis, par une modification de la fonction de coût, de l'adapter à l'imagerie harmonique. Cette adaptation montre que la méthode peut être appliquée à l'imagerie ultrasonore en générale. Aujourd'hui, les enjeux de l'imagerie ultrasonore portent non seulement sur les traitements des excitations ou des images mais aussi sur les capteurs. Ce point nous a conduit naturellement à rechercher la commande optimale des transducteurs capacitifs (cMUT) afin de les adapter à une utilisation plus large en imagerie ultrasonore codée. Nos méthodes de compensation et de codage par commande optimale procurent des résultats très prometteurs qui vont au delà de nos espérances. Le champ d'applications de nos méthodes de codage optimal est large et nous n'en voyons pas forcément encore toutes les limites. L'atout majeur de nos approches est leur simplicité d'utilisation et d'implémentation. En effet, elles ne nécessitent pas d'informations a priori difficilement accessibles sur les outils utilisés ou milieux explorés. Notre système s'adapte automatiquement aux variations qui peuvent être liées au vieillissement du capteur ou à la modification du milieu exploré.

Le thermo-photovoltaïque (TPV), conversion du rayonnement thermique par des cellules photovoltaïques (PV), est un dispositif qui a suscité un intérêt croissant depuis deux décennies, notamment pour son efficacité supérieure à celle de la conversion photovoltaïque classique. Ceci est essentiellement dû à l'accord entre le spectre du rayonnement de la source thermique et le spectre de conversion de la cellule PV. Les rendements maximaux sont obtenus pour des sources thermiques cohérentes, émettant dans une gamme spectrale étroite, énergétiquement au-dessus de l'énergie de la bande interdite de la cellule PV. On propose dans ce travail d'appliquer une méthode d'optimisation stochastique, en l'occurrence l'optimisation par essaims de particules, pour concevoir et optimiser de telles sources. On aboutit alors à des structures unidimensionnelles simples, à base de films minces de diélectriques, métaux et de semi-conducteurs. Les propriétés radiatives de ces sources, stables pour des températures allant jusqu'à 1000 K, sont aisément contrôlables à l'aide de paramètres simples comme les épaisseurs des films ou la concentration de dopage. Finalement, on propose une étude d'optimisation paramétrique des propriétés optiques des matériaux susceptibles de maximiser l'échange radiatif en champ proche entre deux milieux plans semi-infinis. Cette étude aboutit à un outil pratique, sous forme d'abaques, permettant de guider le choix des matériaux pertinents afin de maximiser les puissances au même temps que l'efficacité des systèmes TPV nanométriques.

Mes travaux de recherche concernent les méthodes pour la conception optimale en mécanique des fluides numérique. Il s'agit d'un contexte difficile, dans la mesure où l'évaluation de la fonctionnelle coût pour l'optimisation s'appuie sur la résolution des équations aux dérivées partielles régissant l'écoulement, caractérisées par de fortes non- linéarités, anisotropies et éventuellement discontinuités. Plus spécifiquement, mes travaux ont porté sur le développement de méthodes de conception hiérarchiques, pour la modélisation et la paramétrisation, dans le but d'améliorer les propriétés de convergence; sur des méthodes de conception isogéométriques, permettant l'emploi d'une base unique d'ordre élevé pour la représentation géométrique et la simulation; sur des méthodes de conception robuste, pour prendre en compte les incertitudes et les erreurs durant la procédure de conception. Ces développements ont été appliqués à divers problèmes de conception optimale, principalement en aérodynamique compressible, mais aussi en hydrodynamique, pour des modélisations allant des équations d'Euler stationnaires aux équations de Navier-Stokes instationnaires avec fermeture turbulente. Les résultats obtenus ont notamment montré l'intérêt d'introduire un niveau de modélisation supplémentaire : l'utilisation de méta-modèles de type Processus Gaussiens, associés à une recherche des paramètres de conception maximisant l'amélioration probable, conduit à une optimisation globale pour un nombre de simulations significativement réduit (de l'ordre de quelques dizaines). De plus, cette approche peut permettre de prendre en compte les incertitudes et erreurs, en introduisant la notion d'observation bruitée. Le second résultat important concerne l'emploi des méthodes d'analyse isogéométrique, qui offrent un cadre conceptuel intégrant la géométrie et l'analyse. J'ai montré que cette approche permet le développement de schémas d'ordre élevé, de méthodes hiérarchiques pour la modélisation et l'optimisation, et facilite l'analyse de sensibilité et les couplages multidisciplinaires.

Une analyse du comportement thermomécanique du caoutchouc naturel est réalisée en combinant deux techniques d'imagerie quantitative. La corrélation d'images visibles sert à estimer les déformations puis l'énergie de déformation alors que des images infrarouges permettent d'estimer, via l'équation de diffusion, les quantités de chaleur mise en jeu. La construction de bilans d'énergie montre alors l'importance relative des mécanismes dissipatifs et de couplage thermomécanique. A basse fréquence pour de faibles déformations, les résultats permettent de retrouver le fameux effet d'inversion thermoélastique. A déformation plus importante, les résultats montrent une compétition sur le plan énergétique entre élasticité entropique et mécanismes de cristallisation/fusion sous contrainte. Aucun effet dissipatif significatif n'est détecté à basse comme en haute fréquence alors que dans chaque cas, sur le plan mécanique, une aire d'hystérésis caractérise la réponse cyclique du matériau.

Les solutions exactes autosemblables de l'hydrodynamique, avec conduction thermique non-linéaire, pour des gaz parfaits en milieu semi-infini, constituent une approche possible pour l'étude de la stabilité d'écoulements en fusion par confinement inertiel. Ces solutions et leurs perturbations linéaires, calculées 'a l'aide d'une méthode spectrale de Chebyshev multidomaine, permettent de rendre compte, sans autre approximation, du caractère compressible et instationnaire de ces écoulements. Suite aux résultats (Clarisse et al., 2008; Lombard, 2008) représentatifs de l'ablation précoce d'une cible par un flux laser non-uniforme (conduction électronique, front thermique subsonique précédé d'un choc quasi-parfait), nous explorons ici d'autres configurations. Pour cette même phase d'ablation, mais avec un rayonnement X incident non-uniforme (conduction radiative), nous traitons un écoulement compressible et un autre faiblement compressible. Dans les deux cas, nous retrouvons les comportements des écoulements compressibles obtenus en conduction électronique avec une instabilité maximale pour un nombre d'onde nul. D'autre part, la méthode spectrale est étendue au calcul de solutions autosemblables en tenant compte de l'onde thermique supersonique en amont du choc. Basée sur une analyse des singularités des équations réduites (front infiniment raide), cette méthode permet d'accéder au régime d'onde thermique supersonique propre à l'irradiation initiale d'une cible et de retrouver les solutions ablatives calculées antérieurement dans l'approximation de précurseur thermique négligeable.

Le but de cette thèse est le développement d'un algorithme adaptatif pour la résolution des équations aux dérivées partielles paraboliques en géométrie cartésienne pour des problèmes en dimension un, deux et trois et l'application aux instabilités de flamme dans l'approximation thermodiffusive. Partant d'un schéma de discrétisation de type volumes finis explicite, nous appliquons une décomposition adaptative multi-résolution pour représenter la solution sur un maillage localement raffiné. Les flux numériques sont calculés directement sur la grille adaptative. Afin de suivre l'évolution de la solution au cours du temps, nous utilisons une stratégie d'adaptation dynamique basée sur la représentation des données en multi-résolution. Cette dernière consiste à représenter la solution à l'aide des valeurs sur une grille grossière, plus l'ensemble des différences de prédiction entre les valeurs d'une grille donnée et celles d'une grille plus fine, l'ensemble constistuant une hiérarchie de grilles emboîtées. La compression des données s'obtient en supprimant les différences inférieures à une certaine tolérance fixée. Nous validons cette méthode par la résolution numérique d'équations de référence, comme l'équation de convection-diffusion ou l'équation de Burgers diffusive, afin de montrer la précision de la méthode et son efficacité par rapport au même schéma volumes finis sur grille fine. En particulier, pour l'équation linéaire de convection-diffusion, nous donnons une relation entre la tolérance et le nombre d'échelles qui permet de réduire le temps de calcul et la place mémoire nécessaires tout en maintenant l'ordre de précision du schéma volumes finis. Ce résultat est confirmé par le calcul numérique. Nous utilisons ensuite la méthode adaptative pour étudier les instabilités de flammes pré-mélangées dans l'approximation thermodiffusive. En particulier, pour les flammes planes, nous déterminons la limite d'apparition des flammes pulsantes, limite que nous comparons aux données de la littérature, tant numériques que théoriques. Nos calculs confirment la théorie pour les grandes valeurs de l'énergie d'activation. Nous montrons également numériquement l'existence de flammes planes non-pulsantes lorsque la conduction de la chaleur est très supérieure à la diffusion des réactants. Nous étudions également les ballons de flamme et montrons que, lorsqu'ils interagissent avec une paroi adiabatique, leur comportement présente une analogie avec la capillarité en mécanique des fluides. Le dernier résultat concerne l'interaction d'un ballon de flamme avec un tourbillon. Il ouvre des perspectives sur la simulation adaptative des ballons de flamme dans un fluide en mouvement.

Smart materials is an active research area devoted to the design of structured materials showingphysical properties that can be modified in response to an external stimulus.This study focuses on the analysis and design of adaptive system for vibroacoustic control. Theresearch investigates the design of a active interface made of piezoelectric transducers arranged ina two-dimensional lattice. Each transducer is individually shunted to an external electric circuitsynthesizing a negative capacitance effect. It allows to control waves propagating inside a structuretaking advantage of the multi-field coupling between the structural plate and the electrical circuitsshunting the piezoelectric patches.The performance of the metacomposite has been evaluated through numerous numerical andexperimental tests. The smart wave-guide has been analyzed by using the Bloch theorem appliedto two-dimensional piezo-elastic systems. Subsequently an optimization procedure has been usedwith the purpose to select the most appropriate set of circuit's parameters.A prototype of the smart waveguide has been manufactured and tested. The results results clearlyshow the filtering and attenuating capabilities of this device.Finally a finite element model of the finite extent smart plate has been considered in order toasses the robustness of the proposed control strategy respect to a modification of the circuit'sparameters, the topology of the active interface and the properties of the controlled plate.A brief review conclude the work delineating which aspects of the design should be modified inorder to obtain a device suitable for industrial applications.

L'imagerie échographique en trois dimensions (3D) est une modalité d'imagerie médicale en plein développement. En plus de ses nombreux avantages (faible cout, absence de rayonnement ionisant, portabilité) elle permet de représenter les structures anatomiques dans leur forme réelle qui est toujours 3D. Les sondes à balayage mécaniques, relativement lentes, tendent à être remplacées par des sondes bidimensionnelles ou matricielles qui sont un prolongement dans les deux directions, latérale et azimutale, de la sonde classique 1D. Cet agencement 2D permet un dépointage du faisceau ultrasonore et donc un balayage 3D de l'espace. Habituellement, les éléments piézoélectriques d'une sonde 2D sont alignés sur une grille et régulièrement espacés d'une distance (en anglais le " pitch ") soumise à la loi de l'échantillonnage spatial (distance inter-élément inférieure à la demi-longueur d'onde) pour limiter l'impact des lobes de réseau. Cette contrainte physique conduit à une multitude d'éléments de petite taille. L'équivalent en 2D d'une sonde 1D de 128 éléments contient 128x128=16 384 éléments. La connexion d'un nombre d'éléments aussi élevé constitue un véritable défi technique puisque le nombre de canaux dans un échographe actuel n'excède que rarement les 256. Les solutions proposées pour contrôler ce type de sonde mettent en oeuvre du multiplexage ou des techniques de réduction du nombre d'éléments, généralement basées sur une sélection aléatoire de ces éléments (" sparse array "). Ces méthodes souffrent du faible rapport signal à bruit du à la perte d'énergie qui leur est inhérente. Pour limiter ces pertes de performances, l'optimisation reste la solution la plus adaptée. La première contribution de cette thèse est une extension du " sparse array " combinée avec une méthode d'optimisation basée sur l'algorithme de recuit simulé. Cette optimisation permet de réduire le nombre nécessaire d'éléments à connecter en fonction des caractéristiques attendues du faisceau ultrasonore et de limiter la perte d'énergie comparée à la sonde complète de base. La deuxième contribution est une approche complètement nouvelle consistant à adopter un positionnement hors grille des éléments de la sonde matricielle permettant de supprimer les lobes de réseau et de s'affranchir de la condition d'échantillonnage spatial. Cette nouvelle stratégie permet d'utiliser des éléments de taille plus grande conduisant ainsi à un nombre d'éléments nécessaires beaucoup plus faible pour une même surface de sonde. La surface active de la sonde est maximisée, ce qui se traduit par une énergie plus importante et donc une meilleure sensibilité. Elle permet également de balayer un angle de vue plus important, les lobes de réseau étant très faibles par rapport au lobe principal. Le choix aléatoire de la position des éléments et de leur apodization (ou pondération) reste optimisé par le recuit simulé. Les méthodes proposées sont systématiquement comparées avec la sonde complète dans le cadre de simulations numériques dans des conditions réalistes. Ces simulations démontrent un réel potentiel pour l'imagerie 3D des techniques développées. Une sonde 2D de 8x24=192 éléments a été construite par Vermon (Vermon SA, Tours France) pour tester les méthodes de sélection des éléments développées dans un cadre expérimental. La comparaison entre les simulations et les résultats expérimentaux permettent de valider les méthodes proposées et de prouver leur faisabilité.

La réduction de la consommation de carburant et des émissions de dioxyde de carbone par les transports, notamment automobiles, conduit au développement de groupes motopropulseurs (GMP) plus économes. Parmi les technologies existantes, l'hybridation électrique des moteurs à combustion interne s'est fortement développée ces dernières années. La minimisation de la consommation d'un GMP de type hybride électrique requiert notamment la connaissance de l'impact des différents transferts thermiques y ayant lieu, notamment après un démarrage à température ambiante. Dans ce contexte, la thèse présentée dans ce mémoire a pour objet l'étude par simulation des transferts thermiques au sein des différents organes du GMP (moteur à combustion interne, moteur électrique, batteries). Elle repose tout d'abord sur un examen bibliographique détaillé des différentes architectures hybrides électriques, des transferts thermiques et les modèles associés, et des différentes stratégies de fonctionnement. Le développement d'un modèle zéro-dimensionnel d'un GMP hybride prenant en compte les différents transferts thermiques est ensuite présenté. Les choix des différents modèles de transferts thermiques sont présentés et justifiés, en termes de précision et de temps de calcul. Pas la suite, l'impact des transferts thermiques est étudié grâce au simulateur, notamment en termes de consommation instantanée et cumulée sur différents cycles de conduite. L'impact des transferts thermiques pour différents niveaux d'hybridation est également quantifié. Finalement, plusieurs études paramétriques et prospectives sont réalisées à la fin de ce mémoire, permettant d'envisager des moyens de réduction de la consommation de carburant.

Le transport de particules solides dans un matériau poreux saturé, sujet à l'écoulement de fluide se produit dans les milieux naturels et dans diverses applications liées au génie civil. Ces particules solides peuvent colmater les interstices du matériau poreux et par conséquent réduire sa perméabilité ou au contraire se détacher du matériau poreux et provoquer son érosion. Ainsi, cette thèse s'attache à étudier à l'échelle des grains du matériau poreux les mécanismes du transport de particules en présence d'écoulement de fluide incompressible et de calculer les interactions fluide-solide pour contribuer à la connaissance des phénomènes de colmatage ou d'érosion. Le travail est réalisé principalement par la voie numérique utilisant un couplage original entre deux codes de calcul : PFC3D pour la matrice granulaire - CFD FINAS pour l'écoulement du fluide, validé par des expériences de visualisation menées sur des modèles de laboratoire.<br/> Les études numérique et expérimentale de la filtration dans un milieu poreux bidimensionnel montrent l'influence des particules sur le champ de vitesse du fluide qui se met à son tour en mouvement et accélère la filtration. L'étude des interactions particules-fluide par l'approche couplée DEM-CFD (Distinct Element Method-Computational Fluid Dynamics) a abouti à proposer une formulation de la traînée en fonction de la porosité du milieu poreux. Le couplage avec la loi de Darcy conduit à une relation pratique qui prédit la perméabilité en fonction de la porosité. L'étude est étendue à la filtration de particules solides dans un milieu poreux constitué d'un empilement désordonné de sphères dans lequel un fluide s'écoule en permanence. L'analyse à l'échelle des grains montre des zones de colmatage qui se développent dans le milieu poreux. L'étendue du colmatage est analysée en fonction de combinaisons des forces prédominantes que sont les forces de gravité et de viscosité. Des courbes de distribution des particules selon la profondeur sont trouvées.