Le procédé de tournage galetage (CoTuB) est un traitement d'usinage innovant réalisant les procédés de tournage et de galetage à billes simultanément et sur la même machine-outil. L'objectif du procédé combiné est d'améliorer l'intégrité de surface et en même temps d'augmenter la productivité par rapport aux traitements conventionnels de surface et les procédés d'usinage. En adoptant un plan d’expérience, il a été démontré qu'une amélioration considérable de l’intégrité de surface pourrait être obtenue en utilisant le nouveau procédé combiné et en sélectionnant les paramètres appropriés. Pour effectuer une étude paramétrique, un ensemble d'expériences basées sur un plan d’expérience de type Taguchi complété par une analyse de la variance (ANOVA) a été réalisée. Le but de cette étude expérimentale est d'identifier les paramètres optimaux du tournage / galetage lors du traitement de l'acier 42 Cr Mo 4 permettant de donner une intégrité de surface optimale.Pour une meilleure compréhension des phénomènes impliqués lors du procédé combiné d'usinage / galetage, des approches et méthodologies numériques ont été développées afin de reproduire le procédé combiné. Une nouvelle approche numérique, appelée «Approche Mixte», est développée et utilisée afin de simplifier la simulation du procédé combiné. Cette approche combine des données expérimentales et numériques afin de déterminer la forme et de quantifier les chargements thermiques et mécaniques exercés par l'outil de coupe sur la surface usinée sur chaque zone de cisaillement. Cette nouvelle méthode a permis d'effectuer une simulation 3D du procédé de tournage-galetage combiné et permet de simuler plusieurs passages des outils autour de la surface usinée. La simulation permet de prédire les contraintes résiduelles induites par le procédé combiné et la comparaison révèle un bon accord entre les résultats numériques et expérimentaux. / The Combined Turning-Burnishing (CoTuB) process is an innovative machining treatment that performs turning and ball-burnishing processes simultaneously and on the same machine tool. The aim of performing the combined process is to enhance surface integrity and increase productivity at the same time when compare to conventional surface treatment and machining processes. Based on adopting design of experiments, it has been depicted that a considerable improvement in surface quality could be obtained meaning the new combined process by using the suitable process parameters. In order to carry out a parametric study, a set of experiments based on Taguchi method completed with a statistical analysis of variance (ANOVA) were performed. The aim of this experimental investigation is to identify the optimal turning/burnishing parameters when treating AISI 4140 steel. This helps to get an optimal surface integrity. For a better understanding of the phenomena involved during combined machining / burnishing processes, numerical approaches and methodologies for reproducing the combined turning-burnishing process have been performed. A new approach, called the "Mixed Approach", is developed and used in order to simplify the simulation of the combined process. This approach combines experimental and numerical data in order to determine shape and to quantify thermal and mechanical loadings exerted by the cutting tool on the machined surface on each shear zone. This new method allowed to perform a 3D simulation of combined turning-burnishing and allows to model several tool passages on the machined surface. The simulation allows to predict residual stresses induced by the combined process and the comparison reveals good agreements between numerical and experimental results.

Les échangeurs multifluides à plaques brasées (EPB) sont d’une technologie complexe qui permet de très fortes intégrations énergétiques, mais rend leur conception très délicate. Ces travaux ont pour objectif la modélisation et la simulation en 3D des EPB. Ils intègrent la maldistribution des fluides sur la largeur des passages qui peut dégrader fortement les performances thermiques de l’échangeur. La carte 3D des températures obtenue permettra le calcul des contraintes mécaniques. Le parcours d’un fluide est assimilé à un réseau hydraulique défini grâce à la théorie des graphes. Une méthode de maillage a été spécifiquement adaptée pour le couplage thermo-hydraulique. Ce dernier impose une résolution simultanée des équations de bilans matière, thermique et de quantité de mouvement par un système non linéaire de grande dimension et creux, avec mise en place de méthodes numériques adaptées. Enfin, des études de cas industriels sont présentées pour illustrer le simulateur 3D.

Les cartes électroniques modernes nécessitent des analyses avancées d’intégrité du signal (IS), d’intégrité de puissance (IP), et de compatibilité électromagnétique (CEM). Face aux complexités des circuits imprimés, les méthodes de calcul classiques ne permettent ni de poser le problème ni de l’analyser théoriquement. Cependant, l’analyse tensorielle des réseaux (ATR) basée sur la méthode de Kron complétée du modèle de Branin (KB) laisse entrevoir une capacité d’analyse plus avancée des PCB. L’ATR appliquée à l’espace des mailles conduit à une modélisation compacte et une expression lagrangienne directe des circuits imprimés. Cette thèse présente une approche sous l’ATR appliquée aux circuits imprimés d’IS, IP, CEM et multiphysique des circuits imprimés multicouches. Après la description de l’état de l’art, la méthodologie de base de l’approche par l’ATR est décrite à l’aide de la formulation des métriques tensorielles dans le domaine des fréquences. Après définition des éléments primitifs nécessaires pour les structures des circuits imprimés et l’introduction analytique de la méthode KB, le modèle sous l’ATR et des analyses de sensibilité sont comparées avec des simulations « 3D » en utilisant des outils commerciaux et des mesures expérimentales du régime continu jusqu’à des fréquences de quelques gigahertz. Ensuite, le modèle des circuits multicouches est originellement traduit totalement dans le domaine temporel (DT) en définissant les opérateurs temporels appropriés aux éléments dits « primitifs » sous l’ATR. La pertinence du modèle ATR en DT est vérifiée par des comparaisons avec des simulations é3D » et des mesures de circuits multicouches en prenant en compte des signaux de débits de l’ordre du gigabit par seconde. Dans la partie suivante, des modèles innovants élaborés via l’ATR pour la CEM en modes rayonnés des cartes multicouches sont étudiés en considérant des couplages entre champs électromagnétiques et cartes multicouches. La modèle élaboré sous l’ATR pour la CEM des modes rayonnés est validé avec un scénario composé de circuits imprimés multicouches avec une ligne d’interconnexion en forme de « Z » agressés par des rayonnements électromagnétiques émis dans différentes directions de propagation, et aussi avec un couplage rayonné entre un circuit microruban avec une ligne en forme de « I » et un circuit multicouche. Puis, une analyse multiphysique complètement originale d’un circuit multicouche sous agression de cycle thermique est développé toujours sous le formalisme de l’ATR en traitant des phénoménologies électromécaniques. Après avoir formulé l’expression des sous-systèmes monophysiques, la métrique multiphysique du circuit multicouche sous agression de cycle thermique est élaborée. La faisabilité de cette analyse multiphysique est vérifiée à l’aide d’une preuve de concept d’un circuit à quatre couches. La dernière partie de cette thèse est consacrée à la CEM en mode conduit d’un circuit imprimé composé d’interconnexions multicouches, de composants passifs et de circuits intégrés comme composants actifs. Il est démontré que l’approche par l’ATR permet d’hybrider des modèles analytiques, numériques, et les standards IC-EMC et IBIS afin de réaliser une analyse pertinente de la CEM des cartes multicouches. Ce modèle typiquement système permet de prédire des niveaux de bruits émis par des perturbations CEM liées aux courants de perturbation induits par des circuits intégrés, via une matrice impédance de transfert dans les domaines des fréquences et du temps. / The modern electronic printed circuit boards (PCBs) require challenging signal integrity (SI), power integrity (PI) and electromagnetic compatibility (EMC) analyses. The PCB analysis conventional computational methods do not allow to pose and to analyse theoretically most of problems. However, the Kron’s method completed by Branin’s one based tensorial analysis of networks (TAN) promises a complex PCB analyses possibility. The TAN formalism applied to mesh space allows the PCB compact modeling and direct Lagrangian expression. This thesis introduces multilayer PCBs SI, PI, EMC, and Multiphysic TAN approaches. After the state-of-the-art description, the TAN modelling basic methodology by the way of tensorial metric formulation applied to PCB analysis in the frequency domain is developed. After the definitions of primitive elements necessary to investigate the PCB structure and the KB method introduction, the TAN model is validated from DC to some gigahertz with commercial tool « 3D » EM full-wave simulations and experimental measurements added by sensitivity analyses. Then, the multilayer PCB TAN is originally translated into innovative direct time-domain (TD) model by defining the primitive element appropriate TD operators. The TD TAN model efficiency is verified with multilayer PCB 3D simulation and measuremet comparisons by considering multigigabits-per-second high-speed signals. In the next part, original multilayer PCB radiated EMC TAN models are investigated via EM field coupling onto the PCBs. The radiated EMC model is validated with a scenario consisted of « Z »-shape multilayer PCB aggressed by radiated EM plane waves in different propagation directions and radiated coupling between multilayer and « I »-shape line microstrip PCBs. Then, a completely original Multiphysics TAN of multilayer PCB under thermal cycle aggression is developed by dealing with electrothermomechanical phenomena. After formulating monophysics subsystem TAN expression, the Multiphysics metrics of multilayer PCB under thermal cycle aggression id elaborated. The TAN Multiphysics analysis feasibility is verified with a four-layer proof-of-concept. The last part of this thesis is devoted to conducted EMC TAN of PCB system comprised of multilayer interconnects, passive components and active integrated circuit (IC) elements. It is shown that the TAN approach enables to hybridize the analytical, numerical, IC-EMC and IBIS standard models to perform a multilayer PCB EMC relevant analysis. This system level model allows to compute the EMC noises induced by IC perturbation currents with an innovative transfer matrix impedance in both frequency and time domains.

Dans le cadre du projet FNRAE COTECH, nos travaux avaient pour objectifs d'améliorer le fonctionnement des structures électroniques à haute température d'une technologie SOI (200°C). La technologie choisie pour ce travail est une technologie de puissance intelligente comprenant une bibliothèque CMOS basse tension (5V), des transistors de puissance LDMOS (25V, 45V et 80V) et des transistors bipolaires NPN et PNP. Afin de caractériser cette technologie en température, dans un premier temps, nous avons conçu un véhicule de test en introduisant certaines règles de dessin bénéfiques pour le comportement en température, à la fois pour les composants basse et haute puissance. Nous avons également étudié une nouvelle architecture de composants combinant au sein d'un même composant un composant MOS et un composant IGBT, dans un objectif d'auto-compensation des effets négatifs de la température. Afin d'optimiser la conception de ces composants mixtes MOS-IGBT, la méthodologie que nous avons adoptée s'est appuyée sur des simulations 2D et 3D sur Sentaurus. Dans le cadre de ce travail, deux véhicules de test ont été réalisés et caractérisés. Ces structures mixtes MOS-IGBT ont été proposées en tant que structures de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) pour remplacer une structure de protection de type "power clamp". En s'appuyant sur la simulation 3D, nous avons proposé plusieurs solutions, à la fois topologiques et d'architecture, permettant d'augmenter significativement le niveau de ce courant. Ces diverses solutions ont été validées expérimentalement. Enfin, les bonnes performances de ces structures mixtes ont motivé leur étude en tant que structures de puissance.

Lors du fonctionnement des machines hydrauliques, le développement de structures de cavitation peut entraîner une chute de performance. De plus, la cavitation peut être responsable de l'usure des pièces mécaniques par érosion. La taille et la vitesse de rotation des pompes étant fortement dépendantes du niveau de cavitation acceptable, la présence de cavitation dans une installation hydraulique est liée à un compromis technico-économique. La prévision de l'érosion de cavitation serait utile à la fois pour améliorer la conception des matériels en projet mais également pour optimiser les périodes de maintenance de ceux existants. Bien que des essais, permettant de caractériser le comportement à l'érosion d'une machine, soient possibles, ceux-ci restent coûteux. Bénéficiant des progrès de la simulation des écoulements, une prévision par voie numérique de l'érosion de cavitation parait accessible.L'érosion est un phénomène multi-physique et multi-échelle. Multi-physique car elle fait intervenir la mécanique des fluides et la réponse du solide ; multi-échelle car les échelles en temps et en espace vont de celles caractérisant l'écoulement autour du composant hydraulique (0.1 m - 1 ms) jusqu'à celles de la déformation plastique observée sur le matériau (1 µm - 10 ns) . Dans cette thèse, seule la partie fluide est considérée, plus particulièrement, le chargement d'un écoulement cavitant sur une paroi solide, appelé "intensité de cavitation". L'objectif est d'estimer cette intensité à partir de la simulation d'un écoulement cavitant.Des écoulements instationnaires 3D en régime cavitant sont simulés en utilisant un modèle homogène, implémenté dans le Code_Saturne cavitant. Une description du modèle numérique et de l'approche physique considérée est présentée dans le mémoire. Le modèle de prédiction de l'endommagement, basé sur une approche énergétique, est développé et appliqué sur un hydrofoil NACA 65012 testé au LMH-EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) et sur la pompe centrifuge SHF testée au sein d'EDF R&D. Des comparaisons entre des simulations 3D sur différents maillages sont analysées et une bonne estimation qualitative de l'érosion est obtenue via ce modèle à différentes vitesses d'écoulement. Une tentative de validation quantitative pour le cas de l'hydrofoil est mise en place et semble prometteuse.Dans le but d'enrichir le modèle de prévision de l'intensité de cavitation, des simulations à l'échelle d'une bulle sont également menées. Ces simulations permettent une meilleure compréhension des interactions entre une onde incidente et l'implosion d'une bulle en proche paroi. Des phénomènes d'amplification des collapsus de bulles ont pu être simulés, pouvant être à l'origine de fortes ondes de pression dont l'impact serait responsable de l'endommagement des matériaux avoisinants. / The development of cavitation structures can lead to efficiency losses during hydraulic machinery duty. Moreover, cavitation can be responsible for wear of mechanical parts through cavitation erosion. The presence of cavitation in a hydraulic machine is also linked to a technical and economical trade-off, because the size and rotational speed of pumps are highly dependent on the acceptable cavitation level. Therefore, it seems likely that cavitation will remain present in current and future pump designs and its consequences must be dealt with. The prediction of the erosion is important both for the improvement of hydraulic components at the design stage but also for the optimization of maintenance periods of existing machinery. Experimental tests can be carried out to characterize the erosion behaviour of a machine, but are still expensive. With the recent advances in Computational Fluid Dynamics, the numerical prediction of cavitation erosion appears as a reachable and cost-effective alternative.The erosion is a multi-physical and multi-scale phenomenon. Multi-physical because it deals with both fluid and solid mechanics and multi-scale because the length and time scales of the flow around the hydraulic component (0.1 m - 1 ms) and of the plastic deformation observed on the material (1 µm - 10 ns) are not of the same order of magnitude. In this thesis, only the fluid part is considered, more particularly, the mechanical load imposed by a cavitating flow on a material, called "cavitation intensity". The objective is to estimate this intensity from cavitating flow simulations.In this work, 3D unsteady simulations of cavitation regimes are carried out using a homogeneous model, implemented in the CFD code Code_Saturne cavitant. The prediction damage model, based on an energy approach, is developed and applied to a NACA 65012 hydrofoil tested at the LMH-EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) and on the SHF centrifugal pump tested at EDF R&D. Comparisons between 3D simulations on different meshes show that the model provides good qualitative predictions of erosion at different flow velocities. An attempt is made to propose a quantitative validation for the case of the hydrofoil, with promising results.In order to enrich the cavitation intensity prediction model, simulations at the bubble scale are also performed. These simulations allow for a better understanding of the interaction between an incident pressure wave and the implosion of a near-wall bubble. The mechanism of bubble collapse amplification is simulated, and is shown to be associated with high magnitude pressure waves. This amplification phenomenon is suspected to be a strong contributor to the damage of neighbouring materials.

The content of the thesis is the modeling and implementation of the CNC control algorithm. This master thesis contains the description of issues of computer-controlled machines, the research of interpolation algorithms for control CNC machines and the modeling of the selected control algorithm with motor S-curve shaped speed profiles and simulation of chosen algorithms with S-shaped speed profiles in Matlab & Simulink.

Cette thèse propose de nouveaux outils de calcul pour la simulation du moulage de pièces minces par injection de thermoplastiques. Ces travaux s'intègrent au sein d'un code de calcul 3D dédié à la simulation du remplissage de pièces volumiques. La description thermo-mécanique du remplissage du moule est obtenue par une discrétisation éléments finis eulérienne. Nous proposons en première partie une méthode de génération de maillages pour traiter les géométries minces. La solution proposée, issue des méthodes d'optimisations locales, nécessite l'introduction de la notion de métriques. Elle permet de générer et d'adapter des maillages anisotropes bi- ou tridimensionnels non structurés tétraédriques ou triangulaires. En deuxième partie, on a été amené à caractériser l'erreur commise sur le calcul d'un écoulement visqueux incompressible sur de tels maillages. Un nouvel estimateur d'erreur a posteriori pour le problème de Stokes est proposé pour traiter ces maillages. Enfin, l'utilisation de tels maillages peut dégrader, localement, le calcul du remplissage au niveau des surfaces libres. Pour maîtriser cet effet, une méthode d'adaptation de maillage par déformations locales est proposée. S'inspirant des méthodes de régularisation par barycentrage, elle permet d'adapter dynamiquement les mailles au niveau des fronts en mouvement, tout en régularisant le maillage en amont et en aval de ceux-ci. L'ensemble de ces outils permet d'élargir le domaine d'applications du logiciel de simulation existant aux géométries minces, mais aussi d'en améliorer la précision dans le cadre de l'injection multifluides. Des applications, regroupées dans le dernier chapitre, permettent d'illustrer les avancées permises par cette étude.

Le progrès de l'industrie des circuits intégrés, durant ces dernières années, a été poussé par une miniaturisation continue des transistors. Avec la réduction des composants à des dimensions de 0.1 micron et moins, de nouveaux effets physiques entrent en jeu que les simulateurs standard en deux dimensions (2D) ne considèrent pas. En fait la troisième dimension entre en jeu car les dimensions transversales et longitudinales des composants sont du même ordre de grandeur. Pour décrire le fonctionnement de tels composants avec plus de fidélité, il faut donc affiner les outils de simulation et les adapter afin de prendre en compte ces phénomènes. Le cadre général de ce travail s'inscrit dans cette optique. Au cours de cette thèse, on a élaboré deux simulateurs distincts pour étudier les composants submicroniques. Ces deux outils ont été développés dans un environnement à éléments finis, en combinant l'équation de transport de Boltzmann avec l'équation de Poisson dans une résolution tridimensionnelle (3D) et autonome. Nos travaux ont été réalisés sur FLUX3D© (logiciel développé au LEG pour la simulation 3D des dispositifs électromagnétiques par éléments finis). * Le 1 er simulateur est basé sur une approche déterministe par le modèle de dérive diffusion. * Le 2e simulateur est basé sur une approche stochastique consistant en la simulation dynamique des particules par la méthode de Monte-Carlo. Ces deux outils constituent une contribution importante à la modélisation des composants, et peuvent être utiles même hors du contexte des petits composants. Éventuellement, ils peuvent êtres unis dans un simulateur hybride combinant les modèles de Monte-Carlo et de dérive diffusion. L'aspect novateur de ce projet réside dans le fait que les nombreux travaux antérieurs qui utilisent la technique de Monte-Carlo se basent sur la méthode des différences finies le plus souvent en 2D seulement. Jusqu'à présent, une approche 3D par éléments finis de ces questions n'a jamais été employée, à notre connaissance.

Cette thèse porte sur la simulation tridimensionnelle (3D) des décharges couronnes à l'aide du calcul haute performance. Lorsqu'on applique une impulsion de haute tension entre une pointe et un plan, les lignes de champ électrique fortement resserrées autour de la pointe induisent la propagation simultanée de plusieurs streamers et la formation d'une décharge couronne de structure arborescente. Dans ces conditions, seule une simulation électro-hydrodynamique 3D est apte à reproduire cette structure et fournir les ordres de grandeur de l'énergie déposée et de la concentration des espèces créées durant la phase de décharge. Cependant, cette simulation 3D est très consommatrice en temps et mémoire de calcul et n'est désormais accessible que grâce à l'accroissement permanent de la puissance des ordinateurs dédié au calcul haute performance. Dans le cadre d'une simulation électro-hydrodynamique 3D, une attention particulière doit être prise concernant l'efficacité des solveurs à résoudre les équations elliptiques 3D car leur contribution en termes de temps de calcul peut dépasser 80% du temps global de la simulation. Ainsi, une partie de manuscrit est consacrée aux tests de performances de méthodes de résolution d'équations elliptiques directes ou itératives telle que SOR R&B, BiCGSTAB et MUMPS, en utilisant le calcul massivement parallèle et les librairies MPI. Les calculs sont réalisés sur le supercalculateur EOS du réseau CALMIP, avec un nombre de cœurs de calcul allant jusqu'à 1800, et un nombre de mailles atteignant 8003 (soit plus 1/2 Milliard de mailles). Les tests de performances sont réalisés en statique sur le calcul du potentiel géométrique et en dynamique en propageant une densité de charge d'espace analytique caractéristique des streamers. Pour réaliser une simulation complète 3D de la décharge il faut également intégrer au programme un algorithme capable de résoudre les équations de transport de particule chargée à fort gradients de densité caractéristiques aux streamers. Dans ce manuscrit, l'algorithme MUSCL est testé dans différentes conditions de propagation d'un cube de densité (à vitesse homogène ou non homogène spatialement) afin d'optimiser le transport des densités d'espèces chargées impliquées. Le code 3D, conçu pour résoudre le modèle électro- hydrodynamique complet de la décharge (couplant les équations de transport, de Poisson et de cinétique réactionnelle) est ensuite validé par la confrontation des résultats 3D et 2D dans une condition de simulation présentant une symétrie de révolution autour de l'axe de propagation d'un streamer. Enfin, les premiers résultats des simulations 3D de la phase décharge avec la propagation d'un ou plusieurs streamers asymétriques sont présentés et analysés. Ces simulations permettent de suivre la structure arborescente de la décharge lorsqu'on applique une tension pulsée entre une pointe et un plan. L'initiation de la structure arborescente est étudiée en fonction de la position de spots plasmas et de leur influence sur l'amorçage des streamers. / This work is devoted to the three dimensional (3D) simulation of streamer corona discharges in air at atmospheric pressure using high-performance parallel computing. When a pulsed high-voltage is applied between a tip and a plane in air, the strong electric field lines constricted around the tip induce the simultaneous propagation of several streamers leading to a corona discharge with a tree structure. Only a true 3D electro-hydrodynamics simulation is able to reproduce this branching and to provide the orders of magnitude of the local deposited energy and the concentration of the species created during the discharge phase. However, such a 3D simulation which requires large computational memory and huge time calculation is nowadays accessible only when performed with massively parallel computation. In the field of 3D electro-hydrodynamics simulations, a special attention must be paid to the efficiency of solvers in solving 3D elliptic equations because their contribution can exceed 80% of the global computation time. Therefore, a specific chapter is devoted to test the performance of iterative and direct methods (such as SOR R&B, BiCGSTAB and MUMPS) in solving elliptic equations, using the massively parallel computation and the MPI library. The calculations are performed on the supercomputer EOS of the CALMIP network, with a number of computing cores and meshes increasing up to respectively 1800 and 8003 (i.e. more than 1/2 Billion meshes). The performances are compared for the calculation of the geometric potential and in a dynamic simulation conditions consisting in the propagation of an analytical space charge density characteristic of the streamers. To perform a complete 3D simulation of the streamer discharge, must also involve a robust algorithm able to solve the coupled conservation equations of the charged particle density with very sharp gradients characteristic of the streamers. In this manuscript, the MUSCL algorithm is tested under different propagation conditions of a cubic density (with uniform or non-uniform velocity field). The 3D code, designed to solve the complete electro-hydrodynamics model of the discharge (coupling the conservation equations, the Poisson equation and the chemical kinetics) is validated by comparing the 3D and 2D results in a simulation conditions presenting a rotational symmetry around the propagation axis of a mono-filamentary streamer. Finally, the first results of the 3D simulations of the discharge phase with the propagation of one or several asymmetric streamers are presented and analyzed. These simulations allow to follow the tree structure of a corona discharge when a pulsed voltage is applied between a tip and a plane. The ignition of the tree structure is studied as a function of the initial position of the plasma spots.

<p dir="ltr">The kinetic-based lattice Boltzmann method (LBM) is a specialized computational fluid dynamics (CFD) technique that resolves intricate flow phenomena at the mesoscale level. The LBM is particularly suited for large-scale parallel computing on Graphic Processing Units (GPU) and simulating multi-phase flows. By incorporating a volume fraction parameter, LBM becomes a volumetric lattice Boltzmann method (VLBM), leading to advantages such as easy handling of complex geometries with/without movement. These capabilities render VLBM an effective tool for modeling various complex flows. In this study, we investigated the computational modeling of complex flows using VLBM, focusing particularly on pulsatile flows, the transition to turbulent flows, and pore-scale porous media flows. Furthermore, a new discrete dynamical system (DDS) is derived and validated for potential integration into large eddy simulations (LES) aimed at enhancing modeling for turbulent and pulsatile flows. Pulsatile flows are prevalent in nature, engineering, and the human body. Understanding these flows is crucial in research areas such as biomedical engineering and cardiovascular studies. However, the characteristics of oscillatory, variability in Reynolds number (Re), and shear stress bring difficulties in the numerical modeling of pulsatile flows. To analyze and understand the shear stress variability in pulsatile flows, we first developed a unique computational method using VLBM to quantify four-dimensional (4-D) wall stresses in image-based pulsatile flows. The method is validated against analytical solutions and experimental data, showing good agreement. Additionally, an application study is presented for the non-invasive quantification of 4-D hemodynamics in human carotid and vertebral arteries. Secondly, the transition to turbulent flows is studied as it plays an important role in the understanding of pulsatile flows since the flow can shift from laminar to transient and then to turbulent within a single flow cycle. We conducted direct numerical simulations (DNS) using VLBM in a three-dimensional (3-D) pipe and investigated the flow at Re ranging from 226 to 14066 in the Lagrangian description. Results demonstrate good agreement with analytical solutions for laminar flows and with open data for turbulent flows. Key observations include the disappearance of parabolic velocity profiles when Re>2300, the fluctuation of turbulent kinetic energy (TKE) between laminar and turbulent states within the range 2300</p>