En agriculture, la météo est le principal facteur de variabilité d’une année sur l’autre. Cette thèse vise à construire des modèles statistiques à grande échelle qui estiment l’impact des conditions météorologiques sur les rendements agricoles. Le peu de données agricoles disponibles impose de construire des modèles simples avec peu de prédicteurs, et d’adapter les méthodes de sélection de modèles pour éviter le sur-apprentissage. Une grande attention a été portée sur la validation des modèles statistiques. Des réseaux de neurones et modèles à effets mixtes (montrant l’importance des spécificités locales) ont été comparés. Les estimations du rendement de maïs aux États-Unis en fin d’année ont montré que les informations de températures et de précipitations expliquent en moyenne 28% de la variabilité du rendement. Dans plusieurs états davantage météo-sensibles, ce score passe à près de 70%. Ces résultats sont cohérents avec de récentes études sur le sujet. Les prévisions du rendement au milieu de la saison de croissance du maïs sont possibles à partir de juillet : dès juillet, les informations météorologiques utilisées expliquent en moyenne 25% de la variabilité du rendement final aux États-Unis et près de 60% dans les états plus météo-sensibles comme la Virginie. Les régions du nord et du sud-est des États-Unis sont les moins bien prédites. Le rendements extrêmement faibles ont nécessité une méthode particulière de classification : avec seulement 4 prédicteurs météorologiques, 71% des rendements très faibles sont bien détectés en moyenne. L’impact du changement climatique sur les rendements jusqu’en 2060 a aussi été étudié : le modèle construit nous informe sur la rapidité d’évolution des rendements dans les différents cantons des États-Unis et localisent ceux qui seront le plus impactés. Pour les états les plus touchés (au sud et sur la côte Est), et à pratique agricole constante, le modèle prévoit des rendements près de deux fois plus faibles que ceux habituels, en 2060 sous le scénario RCP 4.5 du GIEC. Les états du nord seraient peu touchés. Les modèles statistiques construits peuvent aider à la gestion sur le cours terme (prévisions saisonnières) ou servent à quantifier la qualité des récoltes avant que ne soient faits les sondages post-récolte comme une aide à la surveillance (estimation en fin d’année). Les estimations pour les 50 prochaines années participent à anticiper les conséquences du changement climatique sur les rendements agricoles, pour définir des stratégies d’adaptation ou d’atténuation. La méthodologie utilisée dans cette thèse se généralise aisément à d’autres cultures et à d’autres régions du monde. / In agriculture, weather is the main factor of variability between two consecutive years. This thesis aims to build large-scale statistical models that estimate the impact of weather conditions on agricultural yields. The scarcity of available agricultural data makes it necessary to construct simple models with few predictors, and to adapt model selection methods to avoid overfitting. Careful validation of statistical models is a major concern of this thesis. Neural networks and mixed effects models are compared, showing the importance of local specificities. Estimates of US corn yield at the end of the year show that temperature and precipitation information account for an average of 28% of yield variability. In several more weather-sensitive states, this score increases to nearly 70%. These results are consistent with recent studies on the subject. Mid-season maize crop yield forecasts are possible from July: as of July, the meteorological information available accounts for an average of 25% of the variability in final yield in the United States and close to 60% in more weather-sensitive states like Virginia. The northern and southeastern regions of the United States are the least well predicted. Predicting years for which extremely low yields are encountered is an important task. We use a specific method of classification, and show that with only 4 weather predictors, 71% of the very low yields are well detected on average. The impact of climate change on yields up to 2060 is also studied: the model we build provides information on the speed of evolution of yields in different counties of the United States. This highlights areas that will be most affected. For the most affected states (south and east coast), and with constant agricultural practice, the model predicts yields nearly divided by two in 2060, under the IPCC RCP 4.5 scenario. The northern states would be less affected. The statistical models we build can help for management on the short-term (seasonal forecasts) or to quantify the quality of the harvests before post-harvest surveys, as an aid to the monitoring (estimate at the end of the year). Estimations for the next 50 years help to anticipate the consequences of climate change on agricultural yields, and to define adaptation or mitigation strategies. The methodology used in this thesis is easily generalized to other cultures and other regions of the world.

L’intégration des énergies renouvelables sur le réseau électrique entraîne de nouveaux besoins chez les exploitants de centrales hydroélectriques. Ainsi, les fabricants de turbines hydrauliques doivent garantir des plages de fonctionnement de plus en plus étendues, afin d’assurer une plus grande flexibilité d’utilisation des machines. Pour les turbines Francis, un fonctionnement en-dehors des conditions nominales implique potentiellement une augmentation des sollicitations mécaniques, notamment à faible débit (charge partielle). Cette hausse est due à l’apparition de phénomènes hydrauliques dans l’écoulement, dont notamment les vortex inter-aubes. Pour garantir des plages de fonctionnement étendues à leurs clients, les fabricants se doivent de maîtriser l’impact de telles conditions d’opération sur la durée de vie de leurs machines. Il est donc nécessaire de mieux comprendre l’écoulement complexe dans la turbine et son impact mécanique à charge partielle. Dans ce contexte, cette thèse a une double approche expérimentale et numérique. L’analyse se base sur des mesures et des observations réalisées lors d’essais sur modèles réduits. Elles ont permis de corréler les phénomènes hydrauliques observés et l’évolution des fluctuations de pression et des déformations dynamiques mesurées, pour différents points de fonctionnement. Ces résultats ont notamment été utilisés pour estimer le phénomène de fatigue lors du fonctionnement continu d’une turbine à très faible charge. La simulation numérique des fluides (CFD) a également été utilisée pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans la formation des vortex inter-aubes, et pour prédire le chargement dynamique qui s’exerce sur la roue à charge partielle. La validation des résultats numériques est basée sur la comparaison avec les données expérimentales issues des précédents essais sur modèles réduits. / The integration of renewable energies into the electricity grid brings new needs for hydro power plant operators in terms of how they are operated. Consequently, hydraulic turbine manufacturers are required to extend their machine’s operating range in order to increase their flexibility. In the case of Francis turbines, dynamic stresses could increase in off-design conditions due to several hydraulic phenomena that appear in the flow, especially at partial load. One of them is the development of inter-blade vortices in the runner. In order to guarantee an extended operating range manufacturers have to control the impact of such operating conditions on their turbines lifetime. Therefore, a better understanding of complex partial load flows and their mechanical impact on the turbines is needed. In this context, this thesis uses both experimental and numerical approaches. Reduced scale model turbines were tested in order to correlate hydraulic phenomena observed in the flow and the evolution of pressure and strain fluctuations for different operating points. The results were then used to estimate the turbine fatigue in partial load conditions. Computational Fluid Dynamics was also used to better understand the formation of inter-blade vortices and to predict the dynamic loading on the runner at partial load. These numerical results were validated by comparison with the experimental data from the previous test rig measurements and observation campaigns.

O estudo do fenômeno de vibrações induzidas pela emissão de vórtices, ou VIV, em risers é um tópico de grande relevância para a engenharia oceânica. Nos últimos anos, diversos resultados vêm sendo apresentados, numéricos e/ou experimentais, buscando o entendimento dos fundamentos deste fenômeno de interação fluido-estrutural, no entanto, sem um entendimento conclusivo e abrangente. Neste contexto, risers também estão sujeitos à ação de correntezas oceânicas e, consequentemente, ao fenômeno de VIV. Neste sentido, o presente estudo traz resultados de uma abordagem experimental para o entendimento do fenômeno de VIV em risers lançados em catenária, configuração que representa grande parte das geometrias adotadas em lançamentos atuais. No entanto, a realização de experimentos com risers em tanque de provas pressupõe a utilização de modelos reduzidos, o que, por si só, representa um grande desafio de pesquisa. Para tanto, desenvolveu-se uma metodologia para a modelagem de risers em escala reduzida, com foco na similaridade entre parâmetros importantes que garantam um comportamento dinâmico equivalente àquele em escala real. Foram, então, realizados experimentos de VIV com catenárias concebidas e construídas com base nesta metodologia, posteriormente ensaiadas em tanque de reboque. Para análise dos resultados, foram utilizadas técnicas como a decomposição modal, que possibilitou a comparação desses com alguns resultados da literatura, mostrando que o fenômeno de VIV na catenária se processa de maneira bastante semelhante ao identificado nos cilindros flexíveis. Além disso, a extensa base de dados experimentais apresentada e discutida nesta tese contribui para futura validação de diversos modelos matemáticos e códigos numéricos de predição do VIV em catenárias, descrevendo com detalhes inúmeros comportamentos imersos neste problema importante de engenharia. / The study of Vortex-induced vibrations in risers is a topic of great relevance in the context of ocean engineering. In recent years, several numerical and experimental results have been presented, addressing the understanding of the fundamentals of this fluid-structure interaction phenomenon, however without a conclusive and comprehensive understanding. In this context, risers are exposed to the action of ocean currents and consequently to the phenomenon of VIV. In this sense, the present study provides results of an experimental approach to understanding the VIV phenomenon on risers launched in catenary configuration, which represents much of the geometries adopted today. However, performing risers experiments in towing-tanks presupposes the use of small-scale models, which represents a major research challenge. Therefore, a methodology for modeling reduced scale risers was developed. The focus of this methodology was on the similarity between certain important parameters that guarantee an equivalent full-scale dynamic behavior. VIV experiments were then performed in the towing tank, with the designed and constructed catenary, based on this methodology. Techniques such as modal decomposition were used for the analysis of the results. This allows the comparison of the results with classical literature paradigms showing that VIV response in the catenary is close to results obtained with flexible cylinders. Furthermore, the large experimental database presented and discussed in the study may contribute to future validation of several mathematical models and numerical codes of VIV prediction in catenary risers, describing in detail several immersed behaviors in this important engineering problem.

Esta dissertação de mestrado tem como objetivo fundamental a apresentação de análises e comparações, que visam fazer parte do processo de aprimoramento constante do método numérico de simulação de unidades flutuantes produtoras de petróleo, chamado TPN Tanque de Provas Numérico. Para tanto, foram executados ensaios com modelo em escala reduzida, cujos resultados foram comparados com o modelo numérico do TPN. A unidade padrão utilizada nos ensaios foi a plataforma semi-submersível ITTC-SR192, escala 1:105, ensaios estes realizados no tanque de provas do IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo. Por meio de comparação com os resultados dos ensaios, foram verificadas as habilidades do TPN em reproduzir os movimentos do casco, a tração no topo das linhas de produção e o amortecimento induzido pelas mesmas. Importante destacar que os parâmetros verificados tiveram a finalidade adicional de confrontar os resultados numérico-experimentais com foco na investigação da influência das linhas de produção na própria dinâmica do sistema flutuante. Tendo em vista esse objetivo complementar, todos os ensaios foram realizados com e sem a presença de linhas de produção, no texto referenciadas apenas por risers, modeladas como um grupo de estruturas bastante flexíveis e de grande diâmetro, a fim de prover um aumento significativo no amortecimento do sistema. Sendo assim, o comportamento dinâmico dos casos com e sem risers foram comparados buscando observar as diferenças nos movimentos do sistema em ondas e correnteza. Além disso, utilizando o método recomendado pela API, referência [3] , doravante denominado apenas por método Near and Far, a tração de topo de um dos risers foi simulada numericamente com a imposição de movimentos obtidos nos experimentos, dando assim meios para comparação dos critérios de projeto, considerando a influência das linhas conectadas nas plataformas de petróleo. / This research aims to present analysis and comparisons, intended to make part of the constant improvement of the oil platform analysis software, called Numerical Offshore Tank (Tanque de Provas Numérico - TPN). For this purpose, small-scale model tests were performed, and the results compared with the numerical model in TPN. The standard unit used in these model tests was the semisubmersible ITTC-SR192, at scale 1:105, and the tests were performed at IPT (State of São Paulo Institute for Technological Research) towing tank. By means of the model tests results comparisons, the ability of the TPN in reproduce the hull motions, the risers top tensions and damping induced by these lines was evaluated. Importantly, these parameters were verified with the further purpose of comparing the numerical and the experimental results, focusing on the influence of the production lines in the dynamics of the floating system. Taking into account this additional objective, all the model tests were performed with and without production lines, i.e. risers, modeled as a group of highly flexible and large diameter structures, in order to provide a significant increment in the damping of the system. Thus, the dynamic behaviors of the cases with and without risers were compared, giving means to observe motion differences in waves and current. Moreover, using the method recommend by API, reference [3], hereinafter called Near and Far, the top tension of one riser was numerically simulated with the imposition of the motions obtained in the experiments, giving means to compare the riser design criteria, considering the influence of lines attached to the oil platforms.

Le bruit dû aux infrastructures de transports terrestres fait partie des premières préoccupations environnementales de ce début de 21e siècle. Un moyen utilisé pour réduire ce bruit est de placer des protections acoustiques le long des grands axes routiers et ferroviaires. Actuellement, les choix de ces protections antibruit se portent généralement sur des solutions traditionnelles : écran droit, merlon, écran incliné, écran avec un couronnement. Le but de ce travail est de proposer des protections acoustiques innovantes utilisant des moyens naturels et d’en étudier la performance acoustique en utilisant des approches numériques et expérimentales. L’approche numérique peut être couplée en outre à un outil d’optimisation, développé dans cette thèse, pour chercher des formes améliorées de tels dispositifs antibruit novateurs. Après une présentation des principaux phénomènes mis en jeu dans la propagation des ondes acoustiques en milieu extérieur complexe, un état de l’art des principaux écrans acoustiques dédiés aux transports terrestres a été établi, permettant de choisir trois protections antibruit innovantes pour en étudier la performance acoustique. Une analyse des principales méthodes de simulation numérique, de mesure et d’optimisation des protections antibruit a permis de choisir les méthodes adaptées à notre problématique des écrans acoustiques utilisant des moyens naturels. Les méthodes choisies ont été utilisées dans ce travail pour évaluer la performance acoustique de ces écrans innovants. Pour le premier écran choisi, dit écran en gabions, nous avons effectué des mesures in-situ et sur modèles réduits, ainsi que des simulations numériques montrant une efficacité satisfaisante. Pour le deuxième écran, utilisant des cristaux soniques, et pour le troisième écran, de type merlon acoustique de forme complexe, nous avons réalisé une étude numérique paramétrique suivie d’une étude d’optimisation. Les résultats des calculs ont montré l’intérêt de tels dispositifs antibruit pour réduire le bruit de circulation routière et ferroviaire en milieu urbain et ils ont abouti à des formes améliorées des protections acoustiques utilisant des moyens naturels. / Noise due to ground transportation infrastructures is among the first environmental concerns of this beginning of 21th century. Building noise protections along motorways and railways is usually the chosen solution to reduce this noise. Currently, noise abatement systems used are mainly conventional ones: straight barriers, earth berms, tilted barriers, capped barriers. The purpose of this work is to propose innovative noise barriers using natural means and to study their acoustic performance by using numerical and experimental approaches. The numerical approach can also be coupled with an optimization tool, developed in this thesis, to obtain improved shapes of such devices using natural means. First, the main phenomena that appear during acoustic wave propagation in a complex outdoor medium are described. Then, a state of the art of the main noise barriers dedicated to ground transportation noise is achieved. It drives the choice of three innovative noise barriers using natural means. An analysis of the main numerical, experimental and optimization methods is carried out which allows to choose the methods adapted to our problem of noise barriers using natural means. The chosen methods are used in this work to assess the acoustic performance of the three innovative noise barriers. For the first chosen noise barrier called “gabions barrier”, we perform in-situ and scale model measurements and numerical simulations. The results show a satisfactory efficiency of such noise devices. For the second and the third chosen noise barriers called respectively “sonic crystal assisted barrier” and “complex shaped earth berm”, we perform a parametric numerical and an optimization studies. The results show the capacity of such noise devices to reduce motorways and railways noises in urban areas and they lead to improved shapes of innovative noise barriers using natural means.

Le dimensionnement en fatigue à grand nombre de cycles d'un contact roulant entre des éléments ayant subi un traitement thermochimique de cémentation s'avère rapidement complexe.D'une part le traitement de cémentation apporte une hétérogénéité de propriété dans les couches supérieures de la pièce qui dépend du protocole utilisé. D'autre part le chargement de contact roulant est un chargement complexe dont le mode de défaillance en fatigue s'initie en sous-couche.Afin de limiter le temps de la caractérisation des champs de propriétés en fatigue, l'utilisation des mesures d'auto-échauffement sous sollicitation cyclique ainsi que leur interprétation par un modèle probabiliste à deux échelles est proposé. Néanmoins de par l'hétérogénéité du matériau et de par la particularité du chargement il peut s'avérer délicat d'appliquer une telle méthode d'évaluation. ll est alors proposé d'explorer ces deux difficultés de manière séparé.Pour prendre en compte l'hétérogénéité matériaux, un protocole d'analyse de courbe d'auto-échauffement basé sur une variante d'un modèle probabiliste à deux échelles et sur les mesures de taux de carbone a été proposé. Les paramètres du modèle ont été identifiés sur une classe d'acier via des mesures d'auto-échauffement réalisées sur des éprouvettes représentatives de l'hétérogénéité du au traitement de cémentation. Enfin le modèle a été validé par comparaison avec des points de fatigue expérimentaux.En ce qui concerne le chargement de contact roulant, les difficultés pour réaliser une mesure d'auto-échauffement ont mené à effectuer une première campagne de mesure sur le cas intermédiaire du contact répété. A l'aide d'un modèle analytique simple, l'évolution du champ de température a pu être reliée à un terme source de chaleur moyen dont le lien avec les mécanismes de fatigue reste à démontrer. Finalement, des prototypes de machine de contact roulant dédiés aux mesures d'auto-échauffement ont été proposés. Les mesures réalisées sur ces dernières et leur interprétation laissent à penser qu'il sera possible d'identifier des propriétés de fatigue à partir de mesure d'auto-échauffement. / The rolling contact fatigue prediction between two carburizing part quickly becomes complex.On one hand, the carburizing treatment give heterogeneous properties in surface layer depending on the treatment protocol. On the other hand, the rolling contact load is a complex load with a fatigue initiation in the sub-layer. To limit the duration of the field fatigue properties characterization, self-heating measurements under cycle load are used and their interpretation by a probabilistic two scales model is proposed. Nevertheless applying this fatigue evaluation method on heterogeneous material and for rolling contact load can be difficult. ln first approach those difficulties are split.To take into account the material heterogeneity, an analysis based on a variation of one probabilistic two scales model and on carbon rate measurement is proposed. Model parameters are identified on one steel class with self-heating measurement made on specimens representative of carburizing material heterogeneity. Finally the model is validated by comparison with experimental fatigue point.Making self-heating measurement for rolling contact load is complex. Consequently a first self-heating measurement campaign is made on the intermediary case of repeated contact. With a simple analytic model, the temperature field evolution can be linked to a mean heat source whose link with fatigue mechanism must be proven. Finally, rolling contact machine prototypes are proposed. Self-heating measurement made on those prototypes and their interpretation suggest that it will be possible to identify fatigue properties with self-heating measurement.

Le virus de l’hépatite E (HEV) est un agent zoonotique dont les porcs représentent le principal réservoir dans les pays industrialisés. Le présent projet de recherche a combiné études épidémiologiques, modélisation mathématique et sciences sociales pour proposer des leviers de réduction du risque d’exposition humaine au HEV par consommation de produits à base de porc. Deux essais expérimentaux et une étude en conditions naturelles ont mis en évidence le rôle majeur des co-infections immunomodulatrices dans la dynamique de l’infection par le HEV chez le porc, ces pathogènes intercurrents conduisant à une infection chronique par le HEV et à un risque augmenté de présence du virus dans le foie, le sang et les muscles des animaux abattus. Le développement d’un modèle intra-élevage, stochastique, individu-centré et multi-pathogènes, a permis de dégager des pistes de maîtrise à la fois zootechniques et sanitaires pour réduire la prévalence du virus en élevage. En complément, la conception d’un modèle inter-troupeaux a rendu possible l’analyse des facteurs de diffusion du virus dans un réseau d’élevages français. L’ensemble de ces mesures de gestion du HEV a été soumis à l’avis des organisations publiques et privées et des acteurs individuels de la filière porcine (éleveurs, conseillers, vétérinaires) par des approches de sciences humaines et sociales. Finalement, ce projet transversal et multi-disciplinaire a permis de définir des axes d’action tangibles et réalisables de gestion du HEV dans la filière porcine tout en apportant des contributions méthodologiques significatives en épidémiologie et en modélisation. / Hepatitis E virus (HEV) is a zoonotic pathogen whose main reservoir in industrialised countries is pigs. This research project combined epidemiological studies, mathematical modelling and social sciences to propose levers for reducing the risk of human exposure to HEV through the consumption of pork products. Two experimental trials and one study under natural conditions highlighted the major role of immunomodulating co-infections on the dynamics of HEV infection in pigs, as these intercurrent pathogens led to chronic HEV infection and an increased risk of the virus in the liver, blood and muscles of slaughtered animals. The development of a within-herd, stochastic, individual-based and multi-pathogen model has made it possible to identify both zootechnical and sanitary control measures to reduce the prevalence of the virus on farms. In addition, the design of a between-herd model has enabled to analyse the factors responsible for the spread of the virus in a network of French farms. All these HEV control measures have been submitted for the opinion of public and private organisations and individual players in the pig sector (farmers, farming advisors, veterinarians) through social science approaches. Finally, this transversal and multidisciplinary project made it possible to define tangible and achievable lines of action for the management of HEV in the pig sector while making significant methodological contributions in epidemiology and modelling.

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本研究では，油圧ショベルの効率の良い自動掘削を目的として，提案した自動掘削アルゴリズムを，個別要素法を用いた土壌モデルと油圧ショベルの動力学モデルを組みわせたシミュレーションモデルによって検証する．さらに，シミュレーションの実機検証を目的として，油圧で駆動する模型を用いて，縮小モデル実験機を構築し，提案した自動掘削アルゴリズムの実機検証実験を行う． / In this study, for the purpose of efficiency automatic digging of hydraulic excavators, the proposed automatic digging algorithm is verified by the simulation model that combines a soil model using the Distinct Element Method and a dynamic model of the hydraulic excavator. Furthermore, for the purpose of verifying by the actual excavator, a scale model experimental machine is constructed using a hydraulically operated model excavator, and the actual machine verification experiments of the proposed automatic digging algorithm are conducted. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University