Ce projet de recherche s’inscrit dans un partenariat entre l’ANDRA (Agence Nationale pour la gestion des Déchets Radioactifs) et le LOSI de l’Institut Charles Delaunay (STMR UMR CNRS), UTT.La thèse vise à dimensionner les ouvrages de stockage vis-à-vis des divers flux industriels. Les flux concernés sont de nature variée et cela constitue l’une des caractéristiques du stockage. Les ouvrages doivent en effet être conçus pour permettre un développement progressif, à l’origine d’une coexistence de flux nucléaires (les colis de déchets nucléaires et les flux associés, telle la ventilation nucléaire) et de flux de chantiers conventionnels. Le dimensionnement des flux et la conception des ouvrages pour autoriser ces flux se trouvent donc au cœur du processus de conception du stockage.La problématique de notre partenaire industriel porte sur la conception de réseau (appelé flow path design). Notre contribution est dédiée au développement de modèles de flow path design avec de nouvelles contraintes ainsi qu’au développement de méthodes. Les extensions au modèle de base prennent en compte une flotte hétérogène, des segments interdits d’accès à certains véhicules et des coûts de construction. Différentes méthodes d'optimisation approchées ont aussi été développées et testées. Il s’agit de métaheuristiques basées sur les recherches locales, l’algorithme de colonies de fourmis ainsi que l’algorithme des abeilles. L’efficacité des méthodes est prouvée grâce à des tests sur des instances de la littérature et l’application au cas réel est faite par simulation / This research project is part of a partnership between ANDRA (National Agency for Radioactive Waste Management) and the LOSI, Institut Charles Delaunay (TSR UMR CNRS), UTT.The thesis aims to design the storage structures for various industrial flows. Flows involved are varied in nature and it is one of the characteristics of the storage. The works must be designed to effect a gradual development, from a "coactivity", that is to say, a coexistence of nuclear flux (the nuclear waste packages and the associated flow, such nuclear ventilation) and conventional flow sites. The design flow and the design of structures to allow these flows are therefore at the heart of the design process of storage.The problem of our industrial partner focuses on flow path design. Our contribution is dedicated to the development of models of flow path design with new constraints and the development of methods. Extensions to the basic model takes into account different type of vehicle, not allowed some segments and taking into account construction costs. Different optimization methods have also been developed and tested. Metaheuristics are based on local search, the ant colony algorithm and the algorithm of bees. Efficiency of methods is demonstrated through tests on literature benchmarks and application to the real case is done by simulation

Ce mémoire traite de la modélisation et la simulation dynamique d'un système d'arrimage utilisé dans le transport d'équipements hors normes. L'arrimage des charges dans ce type de transport s'effectue à l'aide de chaînes que l'opérateur du véhicule appose de manière à ancrer la charge directement sur la semi-remorque. Ce projet nécessite la modélisation d'un véhicule dans le but d'effectuer des man?uvres prédéterminées. Le véhicule doit effectuer ces man?uvres dans le but d'induire des accélérations critiques au chargement. Ce projet de recherche vise à étudier la performance du système d'arrimage en terme de tension induite dans les chaînes lors de man?uvres. En effet, il est important d'assurer la sécurité de l'arrimage de telle sorte que la force engendrée dans les chaînes ne dépasse pas la limite de charge nominale prescrite par les fabricants de composantes d'arrimage. De plus, la recherche permet d'étudier différentes configurations d'arrimage dans le but d'étudier l'impact de la disposition des chaînes sur la qualité de l'arrimage.

In this dissertation, we are concerned with the numerical simulation for flows of electrically conducting fluids exposed to an external magnetic field (also known as magnetohydrodynamics or in short MHD). The aim of the present dissertation is twofold. First, the in-house CFD hydrodynamic solver SFELES is extended to MHD problems. Second, MHD turbulence is studied in the simple configuration of a MHD pipe flow within an external transverse magnetic field. Chapter 2 of this dissertation aims at reminding the physical equations that govern incompressible MHD problems. Two equivalent formulations are put forward in the particular case of quasi-static MHD. Chapter 3 is devoted to the detailed development of the hybrid spectral - stabilized finite element methods for quasi-static MHD problems. The extension of SFELES is made for both Cartesian and axisymmetric systems of coordinates. The short chapter 4 follows to provide the performances of SFELES executed by several processes in a parallel environment. The addition of a parallel direct solver is studied in regards with the memory and time requirements. The extension of SFELES is then validated in chapter 5 with test cases of increasing complexity. For this purpose, laminar flows with an existing analytical-asymptotic solution are considered. The subject of chapter 6 is the MHD turbulent pipe flow within an external transverse and uniform magnetic field. The results are partially compared with the corresponding hydrodynamic flow and with a few data available in the literature. / Le thème de cette thèse de doctorat est la simulation numérique d'écoulements de fluides conducteurs d'électricité qui sont exposés à un champ magnétique extérieur (également connu sous le nom de magnétohydrodynamique ou encore MHD). L'objectif de ce travail est double. Premièrement, le code CFD maison SFELES est étendu aux problèmes MHD. Deuxièmement, la turbulence MHD est étudiée dans la configuration de l'écoulement en conduite cylindrique à l'intérieur d'un champ magnétique transverse. Le chapitre 2 de cette thèse a pour but de rappeler les équations qui gouvernent les problèmes de MHD incompressible. Deux formulations équivalente sont mises en évidence dans le cas particulier de la MHD quasi-statique. Le chapitre 3 est dévoué au développement détaillé des méthodes spectrale - éléments finis pour la MHD quasi-statique. L'extension de SFELES est réalisée dans les systèmes de coordonnées cartésiennes et axisymétriques. Le court chapitre 4 suit pour fournir les performances de SFELES exécuté sur plusieurs processeurs dans un environnement parallèle. L'ajout d'un solveur parallèle direct est étudié en ce qui concerne les demandes en temps et mémoire. L'extension de SFELES est alors validée dans le chapitre 5 avec des cas d'étude de complexité croissante. Dans ce but, des écoulements laminaires avec solution théorique-asymptotique sont envisagés. Le sujet du chapitre 6 est l'écoulement MHD turbulent en conduite cylindrique à l'intérieur d'un champ magnétique transverse et uniforme. Les résultats sont partiellement comparés avec l'écoulement hydrodynamique correspondant et avec des données disponibles dans la littérature. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'objectif de cette thèse de doctorat est d'étudier expérimentalement et numériquement le comportement thermique des mousses d'aluminium et des matériaux à changement de phase (MCP), présentés sous la forme d’un composite, afin de connaître le phénomène de stockage d’énergie thermique dans ces matériaux. Le procédé de fabrication de la mousse d'aluminium à cellules ouvertes est d’abord analysé numériquement dans le but de réduire les défauts formés durant la fabrication. Les caractéristiques de transfert de chaleur du MCP dans les mousses d'aluminium comportant différentes porosités sont ensuite étudiées en analysant les processus de fusion et la variation de températures dans ces composites. Deux modèles numériques pour la mousse d'aluminium à faible et à haute porosité sont établis afin d’évaluer la performance de stockage d'énergie des composites. Les résultats montrent que la mousse d'aluminium peut améliorer considérablement la performance de transfert de chaleur du MCP en raison de sa conductivité thermique élevée. La performance de stockage d'énergie dépend fortement de la porosité des mousses d'aluminium. Une porosité optimisée met en évidence cette performance et l’amélioration du comportement thermique. La dernière partie de la thèse porte sur une structure améliorée de la mousse par rapport à la structure uniforme: Association de l’ailette métallique et du gradient de porosité de la mousse. Cette nouvelle structure donne ainsi une performance de stockage d'énergie encore meilleure surtout dans le cas d’une source de chaleur isotherme / The objective of this Ph.D. thesis is to study the thermal behavior of the aluminum foam and phase change material (PCM) composite by both experimental and numerical methods in order to know the phenomena of storage of thermal energy in these materials. The manufacturing process of open-cell aluminum foam is firstly analyzed numerically to reduce the manufacturing defects in the samples. The heat transfer characteristics of PCM embedded in aluminum foams with different porosities are then investigated by analyzing the melting processes and the temperature variations in the composites. Two numerical models for low and high porosity aluminum foam are established to evaluate the energy storage performance of the composites. The results show that the aluminum foam can greatly improve the heat transfer performance in PCM due to its high thermal conductivity. The energy storage performance depends strongly on the porosity of the aluminum foam/PCM composite. An optimized porosity highlights this performance and improves the thermal behavior. The last part of this thesis proposes an improved structure of aluminum foam with respect to the uniform structure: Association of the metal fin and the foam with graded porosity. This new structure possesses a better energy storage performance especially in the case of the isothermal heat source

L'objectif de cette thèse est d'étudier et d'optimiser le processus de fabrication des mousses métalliques et le comportement thermique du matériau de la mousse d'aluminium/matériau de changement de phase (MCP) par des méthodes expérimentales et numériques. Le processus d’élaboration de la mousse d’aluminium à pore ouvert est développé et optimisé pour contrôler précisément les paramètres de fabrication. Deux modèles de mousse d'aluminium à haute porosité (MAHP)/MCP composite et à faible porosité (MALP)/MCP composite sont établis pour la simulation numérique. En simulant le processus de fusion d'un système de stockage d'énergie, les composites MAHP/MCP et MALP/MCP sont comparés numériquement afin d'évaluer la performance de stockage d'énergie thermique. Les résultats montrent que la mousse d'aluminium améliore nettement le processus de transfert de chaleur dans MCP en raison de sa haute conductivité thermique. La porosité des mousses d'aluminium influence non seulement le processus de fusion du composite mais aussi la performance de stockage d'énergie thermique. Grâce à la collaboration avec EPF, une nouvelle méthode d’élaboration des mousses périodiques d'aluminium à pore ouvert est développée dans cette thèse sur la base d’impression 3D. Le comportement thermique des mousses d'aluminium périodiques à pore ouvert/MCP est analysé expérimentalement et numériquement / The objective of this thesis is to study and optimize the manufacturing process of metal foams and the thermal behavior of the aluminum foam/phase change material (PCM) composite by experimental and numerical methods. The manufacturing process of open-cell aluminum foam is developed and optimized to precisely control the parameters of mufacturing. Two pore-scale models of high porosity aluminum foams (HPAF)/PCM composite and low porosity aluminum foams (LPAF)/PCM composite are established for numerical simulation. By simulating the melting process of a layer energy storage system, the HPAF/PCM and LPAFS/PCM composite are compared numerically in order to evaluate the energy storage performance. The results show that aluminum foam improves greatly the heat transfer process in PCM due to its high thermal conductivity. The porosity of aluminum foams could not only influence the melting process of composite but also the energy storage performance. Thanks to the collaboration with EPF, a new manufacturing method of periodic open-cell aluminum foams is developed based on 3D rapid tooling. The thermal behavior of the periodic open-cell aluminum foams/PCM composite is experimentally and numerically analyzed

Ce travail présente une méthode de calcul rapide de déformations et de forces mécaniques destinée à la simulation d'applications chirurgicales. La simulation de chirurgie vise à offrir aux praticiens des outils leur permettant de pratiquer des entraînements intensifs et de pouvoir planifier avec précision certaines interventions. La conception de tels simulateurs nécessite de disposer de modèles géométriques et mécaniques précis des organes du corps humain, et d'algorithmes de calcul suffisamment rapides pour être capable d'utiliser ces modèles dans des conditions de temps réel. La plupart des simulateurs existants utilisent des modèles mécaniques extrêmement simples, basés sur les lois de l'élasticité linéaire. Or de nombreux résultats de biomécanique indiquent que les tissus biologiques se comportent selon des lois beaucoup plus complexes, incluant des effets non-linéaires et visco-élastiques importants. Pour cette raison, nous avons développé une méthode permettant le calcul rapide de déformations et de forces incluant des effets mécaniques non-linéaires et visco-élastiques. Cette méthode utilise la théorie des éléments finis et a été conçue comme une extension de l'algorithme dit des masses-tenseurs pour l'élasticité linéaire. Son principe consiste à pré-calculer un certain nombre de tenseurs dépendant des caractéristiques géométriques et mécaniques de chaque élément fini, qui sont ensuite combinés dans la phase de simulation proprement dite. Notre modèle non-linéaire ne présage d'aucune forme particulière de loi mécanique, de sorte que la méthode proposée est suffisamment générique pour s'appliquer à une grande variété de comportements et d'objets. Après la description de l'algorithme, de ses performances en terme de temps de calcul et de ses conditions de stabilité numérique, nous démontrons que cette méthode est capable de reproduire avec précision le comportement mécanique d'un tissu biologique mou. Ce travail s'inscrivant plus spécifiquement dans le cadre du développement d'un système de simulation de la cryochirurgie du foie, nous avons étudié expérimentalement les propriétés du foie lors de sa perforation par une aiguille à biopsie. Le modèle de masses-tenseurs non-linéaire et visco-élastique construit à l'aide des paramètres expérimentaux a pu reproduire avec une bonne précision les propriétés observées. / This work presents a method for the fast computation of mechanical deformations and forces for the simulation of surgical applications. Surgery simulation aims at providing physicians with tools allowing extensive training and precise planning of given interventions. The design of such simulation systems requires accurate geometrical and mechanical models of the organs of the human body, as well as fast computation algorithms suitable for real-time conditions. Most existing simulation systems use very simple mechanical models, based on the laws of linear elasticity. Numerous biomechanical results yet indicate that biological tissues exhibit much more complex behaviour, including important non-linear and visco-elastic effects. For this reason, we developed a method allowing the fast computation of mechanical deformations and forces including non-linear and visco-elastic effects. This method uses finite element theory and has been constructed as an extension of the so-called tensor-mass algorithm for linear elasticity. It consists in pre-computing a set of tensors depending on the geometrical and mechanical properties of each finite element, which are later combined in the simulation part itself. Our non-linear model does not assume any particular form of mechanical law, so that the proposed method is generic enough to be applied to a wide variety of behaviours and objects. Following the description of the algorithm, of its performances in terms of computation time, and of its numerical stability conditions, we show that this method allows to reproduce the mechanical behaviour of a biological soft tissue with good precision. As this project is part of a broader effort aiming more specifically at developing a simulation system for liver cryosurgery, we experimentally characterized the properties of liver in perforation by a biopsy needle. The non-linear and visco-elastic tensor-mass model constructed from experimental parameters succeeded in accurately reproducing the observed properties.

Dans le cadre de la thèse portant sur l’optimisation et simulation de la chaîne logistique agricole, c'est l'activité de collecte qui est concernée, la période de moisson étant primordiale en matière de quantité et qualité de production, i.e. des revenus pour les agri-culteurs et des richesses pour le territoire. Plus spécifiquement, celle-ci implique les opérations de récolte, transport et stockage des céréales, réalisées par plusieurs exploitations agricoles, dispersées géographiquement. En vue d'aborder la complexité et la nature dyna-mique de la chaîne logistique d’une coopérative agricole française dans son intégralité, nous avons développé un système d'aide à la décision, qui s'inscrit dans la cadre de la recherche opérationnelle (RO) et plus précisément se réfère à l'optimisation linéaire, robuste et stochastique; la simulation de flux à évènements discrets; ainsi qu'à leur couplage. De plus, la synergie créée entre les outils de la RO, le système d’information géographique, la statistique inférentielle et prédictive rend le système d'aide à la décision compétitif et performant, capable de répondre convenablement au besoin de l’industriel / To overcome the new challenges facing agricultural sector, imposed by globalisation, changing market demands and price instability, the crop production supply chain must particularly be very reactive, flexible, with a high yield and at low cost. Its improving and eventual re-configuration can lead to an upgrade in efficiency, responsiveness, business integration and make it able to confront the market competitiveness. The thesis is thus placed in this particular context and aims to support decision making in crop harvesting activity, which is considered the pivotal stage in the cereal production circuit owing to its high cost and impact on the returns earned. Managing the harvest activity involves gathering, transportation and storage operations, performed by a collection of agricultural holdings geographically dispersed. Besides its practical relevance, this thesis forms part of the Operational Research (OR) and more specifically, refers to the linear and stochastic programming, discrete event simulation, and their coupling. In addition, the synergy created between OR, inferential and predictive statistics, geographical information system tools makes the decision support system competitive, efficient and responsive

This thesis presents the author's contribution <p>to the design and implementation of COOLFluiD,<p>an object oriented software platform for <p>the high performance simulation of multi-physics phenomena on unstructured grids. In this context, the final goal has been to provide a reliable tool for handling high speed aerothermodynamic <p>applications. To this end, we introduce a number of design techniques that have been developed in order to provide the framework with flexibility<p>and reusability, allowing developers to easily integrate new functionalities such as arbitrary mesh-based data structures, numerical algorithms (space discretizations, time stepping schemes, linear system solvers, ),and physical models. <p>Furthermore, we describe the parallel algorithms <p>that we have implemented in order to efficiently <p>read/write generic computational meshes involving <p>millions of degrees of freedom and partition them <p>in a scalable way: benchmarks on HPC clusters with <p>up to 512 processors show their effective suitability for large scale computing. <p>Several systems of partial differential equations, <p>characterizing flows in conditions of thermal and <p>chemical equilibrium (with fixed and variable elemental fractions)and, particularly, nonequilibrium (multi-temperature models) <p>have been integrated in the framework. <p>In order to simulate such flows, we have developed <p>two state-of-the-art flow solvers: <p>1- a parallel implicit 2D/3D steady and unsteady cell-centered Finite Volume (FV) solver for arbitrary systems of PDE's on hybrid unstructured meshes; <p>2- a parallel implicit 2D/3D steady vertex-centered Residual Distribution (RD) solver for arbitrary systems of PDE's on meshes with simplex elements (triangles and tetrahedra). <p>The FV~code has been extended to handle all <p>the available physical models, in regimes ranging from incompressible to hypersonic. <p>As far as the RD code is concerned, the strictly conservative variant of the RD method, denominated CRD, has been applied for the first time in literature to solve high speed viscous flows in thermochemical nonequilibrium, yielding some preliminary outstanding results on a challenging double cone flow simulation. <p>All the developments have been validated on real-life testcases of current interest in the aerospace community. A quantitative comparison with experimental measurements and/or literature has been performed whenever possible. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Il est actuellement bien connu que les molécules non sphériques peuvent former des mésophases (ou cristaux liquides), c'est-à-dire des phases dont les propriétés sont intermédiaires entre celles des liquides et celles des cristaux. La mésophase la plus connue est la phase nématique. Il s'agit d'une phase caractérisée par une distribution aléatoire des centres de masse des molécules, mais dans laquelle l'orientation des molécules présente une direction préférentielle, désignée par un vecteur unité appelé le directeur du nématique. Une telle phase possède donc la fluidité d'un liquide tout en présentant, tel un cristal, une biréfringence. C'est cette dernière propriété qui est exploitée dans les applications technologiques, principalement dans les dispositifs d'affichage.<p>Dans un tel dispositif, le liquide nématique est contenu dans une cellule (il y a une cellule par pixel), et son directeur est manipulé à l'aide d'un champ extérieur, électrique ou magnétique. Pour une bonne compréhension du fonctionnement de ce dispositif, il est essentiel de connaître le profil du directeur à travers la cellule en l'absence de champ extérieur. Dans le cadre de ce travail, nous avons étudié un nématique torsadé, c'est-à-dire dont le directeur décrit une hélice à travers la cellule. <p>Ce profil est déterminé principalement par les propriétés d'ancrage du liquide nématique sur les parois solides de la cellule. En effet, celles-ci peuvent posséder une direction d'ancrage privilégiée, qui favorise l'alignement du directeur dans une direction particulière. Nous avons considéré ici le cas de directions d'ancrage planaires, c'est-à-dire que le directeur est dans le plan des parois. Alors que l'ajout de parois identiques dans le système induit toujours une non-uniformité spatiale dans la densité du nématique (en comparaison avec un nématique en coeur de phase), l'utilisation de directions d'ancrage différentes induit une non-uniformité orientationnelle dans le directeur du nématique; dans notre cas une torsion. C'est principalement ce profil de directeur torsadé qui nous intéresse ici. <p>L'objectif général de ce travail consiste donc à étudier les propriétés d'ancrage d'une phase nématique confinée et torsadée, d'une part par une théorie microscopique (théorie de la fonctionnelle de la densité), et d'autre part sur le plan de simulations de Monte Carlo, en particulier dans le cas où les molécules ont la forme de disques (discotiques).<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In this thesis, an approach is presented for the generation of grids suitable for the simulation of high Reynolds number viscous flows in complex three-dimensional geometries. The automatic and reliable generation of such grids is today on the biggest bottlenecks in the industrial CFD simulation environment.<p><p>In the proposed approach, unstructured tetrahedral grids are employed for the regions far from the viscous boundaries of the domain, while semi-structured layers of high aspect ratio prismatic and hexahedral elements are used to provide the necessary grid resolution inside the boundary layers and normal to the viscous walls. The definition of the domain model is based on the STEP ISO standard and the topological information contained in the model is used for applying the hierarchical grid generation parameters defined by the user. An efficient, high-quality and robust algorithm is presented for the generation of the unstructured simplicial (triangular of tetrahedral) part of the grid. The algorithm is based on the Delaunay triangulation and the internal grid points are created following a centroid or frontal approach. For the surface grid generation, a hybrid approach is also proposed similar to the volume.<p>Semi-structured grids are generated on the surface grid (both on the edges and faces of the domain) to improve the grid resolution around convex and concave ridges and corners, by aligning the grid elements in the directions of high solution gradients along the surface. A method is also developed for automatically setting the grid generation parameters related to the surface grid generation based on the curvature of the surface in order to obtain an accurate and smooth surface grid. Finally, a semi-structured prismatic/hexahedral grid generation algorithm is presented for the generation of the part of grid close to the viscous walls of the domain. The algorithm is further extended with improvements meant to increase the grid quality around concave and convex ridges of the domain, where the semi-structured grids are known to be inadequate.<p><p>The combined methodology is demonstrated on a variety of complex examples mainly from the automotive and aeronautical industry. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished