Depuis une vingtaine d'années, l'atmosphère de Titan fait l'objet de très nombreuses observations et études théoriques. Ce système complexe pose beaucoup de questions, en particulier quant aux relations entre ses différentes composantes, microphysique des aérosols, photochimie et dynamique atmosphérique. Ce travail de thèse s'inscrit dans une volonté d'approfondir notre connaissance de ces interactions. Le développement d'un modèle photochimique à deux dimensions (altitude-latitude) permet le couplage entre photochimie, jusqu'à présent étudiée sur la seule dimension verticale, et dynamique atmosphérique, qui apporte une description plus pertinente du transport des espèces chimiques dans la basse atmosphère. Nous avons développé une description tridimensionnelle du flux ultraviolet permettant d'aborder les effets saisonniers sur l'ensemble de la planète. Les données photochimiques ont été mises à jour. La partie dynamique comprend la prise en compte de la circulation méridienne, ainsi que des diffusions turbulentes verticale et horizontale. Les simulations de la composition de l'atmosphère en fonction de la latitude et de la saison, complétées par des études de sensibilité et d'impact purement dynamique, démontrent le rôle de ce transport sur les profils latitudinaux observés dans la basse stratosphère par la mission Voyager. La comparaison entre les diverses observations et les simulations est globalement satisfaisante. Les incertitudes importantes sur les données chimiques restent une source majeure de difficultés. L'étude de la rétroaction radiative des variations de composition sur le champ de température a été abordée grâce à l'introduction du suivi de la composition dans le GCM. Cet outil, permettant un couplage complet entre photochimie, dynamique atmosphérique et microphysique des aérosols sera, une fois finalisé, un outil puissant pour l'étude des nombreuses données attendues de la mission Cassini-Huygens.

La vitesse des ondes de cisaillement est généralement mesurée en laboratoire en utilisant des éléments piézoélectriques comme les bender elements (BE). Cependant, ces techniques présentent certains problèmes au niveau de l’émission à la fois des ondes primaires et de cisaillement, les effets de champ proche, les effets de bords, et l’incertitude au niveau de l’interprétation du signal. Une nouvelle technique, baptisée technique des anneaux piézoélectriques (P-RAT) a été développée dans le laboratoire géotechnique de l'Université de Sherbrooke afin de minimiser / éliminer les difficultés associées aux autres techniques, en particulier, la pénétration des échantillons, obligatoire pour la technique BE. Cette étude présente une description de la technique P-RAT ainsi que les résultats des simulations numériques réalisées avec le code informatique COMSOL afin d'étudier l'interaction entre les composantes du P-RAT et l'échantillon testé (sol ou solide). L’étude démontre l’efficacité du concept de la méthode P-RAT et présente des modifications pour améliorer la fiabilité et la performance de la méthode P-RAT afin d’étendre son applicabilité dans le domaine du génie civil. L’implémentation de la dernière génération de P-RAT dans une cellule triaxiale et une autre œdométrique était l’aboutissement de cette étude.

Dans cette thèse, des simulations numériques directes (DNS) de fluides non Newtoniens (basées sur le modèle rhéologique FENE-P) ont été réalisées et comparées avec des DNS de fluides Newtoniens à même viscosité. Les comparaisons sont effectuées sur les statistiques dans l’espace physique et également dans l’espace spectral. Le résultat le plus remarquable est l’émergence d’une nouvelle loi de puissance avec l’exposant -6 pour l’évolution du spectre d’énergie cinétique, dans la zone dissipative. Nous constatons que dans cette région, il y a une injection d’énergie qui provient des polymères et est transférée au fluide porteur, qui est généralement négligée ou inobservable dans les autres travaux de la littérature. Cette injection d’énergie est responsable de cette nouvelle loi de puissance. Nous avons établi un bilan d’énergie échelle par échelle et une estimation approximative des quantités d’énergie échangée qui confirme ce mécanisme. / No abstract

Pas de résumé / Axisymmetric turbulence is investigated using direct numerical simulations. A fully spectral method is implemented using Chandrasekhar-Kendall eigenfunctions of the curl-operator. The numerical domain is a periodic cylinder with no-penetration and partial slip conditions at the wall. Numerical simulations are first carried out for freely decaying axisymmetric turbulence, starting from a variety of initial conditions. The simulations indicate that the global angular momentum is the most robust invariant of the system. It is further observed that large-scale coherent structures emerge, as in 2D isotropic turbulence. Energy decays more slowly than helicity, and the toroidal kinetic energy decays faster than its poloidal part. In the case where the toroidal kinetic energy becomes negligible, a quasi-two dimensional turbulence in the poloidal plane is obtained, with a behavior compatible with predictions of statistical mechanics theories. Forced and decaying simulations are then carried out to assess the cascade-behavior of the different invariants. The existence of an inverse cascade is shown to explain the robustness of the angular momentum and the possible ‘spontaneous generation’ of this quantity and of circulation in the flow. In helical flows, the existence of a dual cascade is confirmed, with a scenario compatible with the existence of an inverse energy cascade towards the large scales, and a direct cascade of helicity towards the small scales. The inverse energy cascade seems to be mainly associated with the poloidal velocity field. Using a helical decomposition of the flow, it is shown that the direct cascade of helicity seems to subsist even in the absence of net helicity, when the ‘cascade’ of the helicity contained in oppositely polarized modes is considered individually. The scaling of the energy spectra associated with the energy cascade is compatible with elementary dimensional arguments, whereas the scaling of the inverse (presumably helicity) cascade yields an anomalously steep slope. It is shown that this slope adjusts to the value predicted by dimensional analysis when the spectra are computed from a filtered velocity field in which strong intermittent regions of velocity are not accounted for. Finally, a preliminary (but unfortunately unfruitful) attempt is presented to apply a variational principle to the description of turbulent scalar mixing in three-dimensional turbulence.

Afin de lutter contre les allergies alimentaires, la société pharmaceutique DBV Technologies propose un patch épicutané permettant un traitement efficace, la plateforme Viaskin ®.Pour envisager de nouveaux moyens de production de ce patch, nous avons étudié dans cette thèse le procédé d'aérospray (AS).Pour cela, nous avons développé des modèles numériques des différentes parties spatiales de l'AS.Dans un premier temps, nous étudions le cône de liquide formé à la sortie de buse d'AS. L'approche diphasique est traitée à l'aide de la méthode de champ de phase (dite à interface diffuse), dans laquelle l'équation de Cahn-Hilliard gouverne la fonctionnelle d'interface.Deux régimes principaux sont identifiés : le régime Stationnaire Dynamique, où le cône de liquide est stable, et le régime Transitoire, où sa dynamique est périodique.Dans ce second régime, les résultats du modèle ont montré une évolution discontinue de la période d'oscillation du cône en fonction du débit liquide. Nous avons corrélé ce phénomène avec des oscillations capillaires du cône, et comparé avec succès les résultats des simulations numériques aux résultats expérimentaux.Dans un second temps, la fragmentation du jet de liquide produit par le cône est étudiée numériquement, et comparée aux résultats d'analyses de stabilité linéaire produites dans la littérature. Le modèle proposé est une méthode utilisant un maillage mobile, à interface nette.Nous avons montré que la taille des gouttelettes produites variait peu en fonction de la pression de gaz appliquée.L'ensemble des travaux permet de comprendre les phénomènes physiques sous-jacents à l'AS, et à sélectionner dans une optique industrielle les modes optimaux de fonctionnement. / In order to fight against food allergies, the pharmaceutical company DBV Technologies offers an epicutaneous patch for effective treatment, the Viaskin ® platform.To consider new ways of producing this patch, we studied in this thesis the aerospray (AS) process.For this, we have developed numerical models of the different spatial parts of the AS.First, we study the cone of liquid formed at the nozzle exit of AS. The two-phase approach is processed using the so-called diffuse interface phase field method, in which the Cahn-Hilliard equation governs the interface functional.Two main regimes are identified: the Stationary Dynamic flow regime, where the liquid cone is stable, and the Transient regime, where its motion is periodic.In this second regime, the results of the model showed a discontinuous evolution of the oscillation period of the cone as a function of the liquid flow. We have correlated this phenomenon with capillary oscillations of the cone, and successfully compared the results of the numerical simulations to the experimental results.In a second time, the fragmentation of the liquid jet produced by the cone is studied numerically, and compared to the results of linear stability analyzes produced in the literature. The proposed model is a method using a mobile mesh, with a net interface.We have shown that the size of droplets produced varies little according to the applied gas pressure.All of this work improves the understanding of the physical phenomena underlying the AS, and to select from an industrial point of view the optimal modes of operation.

Les travaux de simulation menés au cours de cette thèse ont eu pour but de caractériser et de comprendre les phénomènes liés au transfert de chaleur dans des configurations de réseau aléatoire de particules ou de lit fluidisé. Sur la base de simulations numériques résolues à l'échelle des particules, ces configurations d'écoulements diphasiques anisothermes permettent d'extraire des grandeurs physiques locales liées à la microstructure de la suspension ou des informations globales tel que le coefficient de transfert moyen du lit. La première étape des travaux a consisté en la vali- dation de l'outil numérique autant sur l'hydrodynamique que sur le transfert thermique en passant par différents cas d'études académiques ( convection et conduction autour d'une sphère isolée). Ensuite une analyse détaillée du transfert de chaleur est conduite sur des lits fixes pour différentes fractions volumiques de particules, plusieurs nombres de Reynolds et de Prandtl afin d'aboutir à une modélisation macroscopique du flux de chaleur. Sur les configurations de lit fluidisé, les paramètres de simulation ont été variés afin d'étudier la sensibilité des différentes grandeurs hydrodynamiques à la résolution du maillage. Ceci a permis de déterminer les configurations de simulations de lit fluidisé liquide-solide anisotherme pour un coût de calcul modéré. Enfin, une analyse comparative du transfert thermique entre lits fixes et lits fluidisés a mis en évidence les spécificités liées à l'agitation des particules sur le transfert. Ces études ont été conduites dans le but d'obtenir une meilleure modélisation mésoscopique des échanges thermiques dans les écoulements diphasiques et ainsi améliorer leur modélisation à l'échelle macroscopique. / To better characterize and understand heat transfer in fixed and fluidized beds of particles, numerical studies have been carried out in this work. Based on fully Particle Resolved Numerical Simulation (PR-DNS) local and instantaneous informations have been obtained at microscopic scale and further analyzed at macroscopic scale by means of volume and time averages. The first step consisted in a thorough validation of the numerical code on academic configurations (conduction and convection around a single particle). Then, an analysis in arrays of random fixed particles was carried out for several particle volume fractions, Reynolds and Prandtl numbers. From this analysis, the solid-fluid heat transfer was investigated at macroscopic scale and a closure model for the pseudo-turbulent heat flux was proposed. Finally, fluidized bed simulations were performed. These simulations needed a preliminary numerical study in order to select appropriate numerical parameters for accurately reproducing the fluidization with a moderate computational cost. Furthermore, a comparative study of the heat transfer in fixed and fluidized beds was carried out. The entire study aimed at improving the understanding of the heat transfer in particulate flows and dense regimes, in order to provide information for the modeling at macroscopic scale.

Sur fond de crise pétrolière, il devient crucial pour les industries de transport, civiles ou militaires, de réduire la consommation de carburant de leurs véhicules. Aussi. la réduction de leur traînée de frottement laisse espérer des gains énergétiques substantiels. Notamment à l'origine de cette force, la contrainte pariétale dans les couches limites turbulentes résulte de phénomènes dynamiques complexes difficilement observables et peu prévisibles. Il s'agit de structures tourbillonnaires cohérentes. dont les tailles et temps caractéristiques sont encore difficilement atteignables dans les applications industrielles. Pour mieux prévoir les gains potentiels et en vue d'une future démonstration expérimentale. des simulations numériques de leur contrôle au moyen d'un micro système d'actionnement original sont présentées dans ce mémoire. L'accent a été mis sur le réalisme de la modélisation. Ces travaux ont d'abord permis un diagnostic des techniques de simulation des couches limites spatiales et ont abouti à une amélioration des conditions d'entrée turbulentes et au développement d'une méthode performante de génération synthétique de turbulence. Des stratégies de contrôle ont ensuite été proposées, qui permettent d'accroître la faisabilité pratique des mécanismes associés au contrôle en opposition, bien connus de la littérature. La mise en œuvre de cette dernière stratégie au moyen d'un microsystème distribué réaliste a finalement permis de caractériser ses performances réelles. Les mécanismes d'interaction entre turbulence et actionneur sont précisément décrits. L'identification de facteurs de rendement permet alors d'orienter les futurs travaux à ce sujet. / The rising cost of oil leads most of transportation firms to work towards reducing the fuel consumption of their vehicles. ln aeronautical applications, they mainly focus on viscous drag reduction. which gives hope to considerable power savings. The approach followed in the present work aims at manipulating the turbulent features responsible for the friction force. Located in the turbulent part of boundary layers. they consist in coherent vortices. whose characteristic time and space scales are costly to reach experimentally and numerically. This work postulates that only a high level of realism could help to predict accurately the performance of coherent vortices-based drag control methods. It is therefore taken into account at three stages of the design of our flow control simulation. which are the choice of the Reynolds number, the control algorithm and the actuating system. First of all, the simulation of high Reynolds number spatial boundary layers is often limited by computing capacities. Thanks to an optimization of existing inflow boundary conditions, current work helps to reduce CPU cost and widens the field of reachable flow conditions. Secondly, two improvements of the well-known oppositiol control have been proposed to allow its experimental adaptation. They are assessed using large-eddy simulation (LES) at a reasonable cost. Finally, a realistic MEMS is mode lied and used to manipulate the fine turbulent structures in the vicinity of the wall. Real influence on drag as well as precise interaction mechanisms are described using direct numerical simulation (DNS). Efficiency parameters are identified and possible ways of improvement are indicated.

Ces travaux se placent dans le cadre de l'étude des propriétés mécaniques des architectures à renforcement tridimensionnel dans les structures composites. Nous proposons une approche permettant de caractériser les propriétés mécaniques de structures composites Interlock et en particulier de résoudre les problèmes liés à la création de ces géométries complexes et leur discrétisation.Une des difficultés des approches méso-macro réside dans la manière de reproduire de façon fidèle la géométrie de ces architectures aux formes très complexes et d'obtenir en particulier un Volume Elémentaire Représentatif (VER) duquel on peut déduire par calcul éléments finis les propriétés mécaniques par homogénéisation. Cette pluralité des formes engendre des difficultés de mise en œuvre essentiellement géométriques et des difficultés de maillage bien connues : interpénétration et contact des mèches, maillage de fines couches de résines aux interfaces, détermination en tout point de l'orientation des fibres. Nous proposons une approche qui consiste à créer un modèle géométrique des mèches limitant ou contrôlant les intersections et les contacts, à définir un VER périodique et à mailler ce VER en tétraèdres avec des maillages conformes aux interfaces. Une fois le modèle maillé obtenu et les conditions de périodicités définies, les propriétés mécaniques effectives sont obtenues par homogénéisation. Les calculs par éléments finis sont réalisés avec le logiciel ABAQUS. Les tissages complexes ont été traités automatiquement avec cette technique. Les résultats sont confrontés à ceux d’autres modélisations, issus de la littérature et de l’expérience. / The work proposed here is devoted to the prediction and the characterization of the mechanical behavior of interlock woven composite structures. We propose an approach to characterize the mechanical properties of interlock woven composite structures and particularly to solve the problems associated with the creation of these complex geometries and their discretization into a conform mesh. One of the difficulties of this meso-macro approach is to reproduce faithfully the geometry of these architectures with complex shapes and to obtain a Representative Volume Element (RVE). Once this complex step is achieved, the mechanical properties of the composite can be thereafter obtained by homogenization from a finite element analysis. The difficulties to generate a RVE of such structures are well known: interpenetration and contacts between yarns, meshing of thin resin layers at interfaces, determination of the orientation of the fibers at all points of the structure. We propose an approach which consists of creating a geometric model of the yarns limiting or controlling the intersections and the contacts, defining a periodic RVE, meshing this RVE by tetrahedral with compatible meshes at the interfaces. Once the model is meshed and the symmetry conditions are defined, the properties are obtained by homogenization. The finite element calculations are performed on the ABAQUS software. Complex weaves can be automatically processed with this technique. The results are compared whit other modeling from the literature and with experimental data.

Les paliers à roulements sont des pièces mécaniques utilisées dans de nombreux domaines. Leur durée de vie est un paramètre critique pour celle des assemblages dans lesquels ils sont montés. Des méthodes de calcul de la durée de vie des paliers à roulements existent mais ne prennent pas en compte certains paramètres importants tels que le gradient des propriétés mécaniques du matériau et des contraintes résiduelles. Les travaux menés par G. Thoquenne [1] en 2004 ont mis en place une méthode de prévision de durée de vie prenant en compte ces paramètres. Or celle-ci nécessite la connaissance de l'état après rodage du matériau en terme de contraintes résiduelles et de rugosité des surfaces en contact. L'objectif de la thèse présentée ici est de pouvoir prédire l'état après rodage du matériau en terme de rugosité et de contraintes résiduelles. Trois modèles numériques de simulation de la phase de rodage ont été développés sous Castem et Code Aster. Le modèle le plus performant pourra être utilisé en complément de la méthode de prévision de durée de vie. Une étude expérimentale comprenant des essais de rodage sur une machine bi-disque de fatigue de contact a été menée en parallèle pour valider ces modèles numériques. L'effet de la pression de contact, du taux de glissement et de la rugosité des galets en contact ont été particulièrement pris en compte.[1] Prévision des durées de vie en fatigue des roulements, G. Thoquenne, Manuscrit de thèse, école polytechnique, avril 2004.

Etude théorique de la propagation des électrons rapides dans les alliages: application à la microscopie électronique en transmission<br /><br /><br />Ce travail traite de l'influence du désordre chimique sur la propagation des électrons rapides. C'est un sujet directement lié aux études du laboratoire de physique du solide de l'ONERA, sur les alliages métalliques, en particulier par microscopie électronique à transmission. Certaines observations des microscopistes semblent montrer que l'effet du désordre chimique sur les images est hautement non-linéaire. L'objectif de ce travail est donc de préciser plus quantitativement la réponse de la fonction d'onde à un tel désordre.<br /><br /><br />Une analyse tràs précise de cas simples (diffraction par les cristaux monoatomiques et par les alliages ordonnés) a tout d'abord été effectuée afin de comprendre en détail tous les paramètres pertinents du problème, et de cerner les difficultés. Une fois le cadre général défini de façon précise, il est plus aisé d'aborder le problème complexe de l'effet du désordre. L'utilisation systématique de l'approximationde la colonne atomique introduite par Dirk Van Dyck a permis de décrire de façon relativement simple et synthétique l'effet du désordre chimique, et explique de nombreux comportements physiques observéspar les expéimentateurs. Mais notre analyse ouvre également des possibilités nouvelles d'applications à des phénomènes complexes, tels que la diffusion diffuse, l'effet de l'agitation thermique, et peut s'appliquer à l'analyse de nombreuses situations expérimentales.