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Dans une première partie nous considérons le système {YSZ || (0001)_alpha-Al2O3} ({couche||substrat}) obtenu par voie sol-gel pour lequel des traitements thermiques induisent la formation d'îlots YSZ épitaxiés plats (interfaces (1) et (2); substrat plan) ou bombés (interface (3); substrat rugueux). Nous proposons un modèle physique à l'échelle atomique et une approche de simulation ab initio pour calculer l'énergie et comparer la stabilité de chaque interface observée expérimentalement.<br />La deuxième partie introduit un modèle physique à l'échelle nanométrique couplé à un algorithme Monte-Carlo classique pour simuler la mise en îlots, au cours d'un traitement thermique, de films minces synthétisés par voie sol-gel. Cette partie complète l'étude précédente en justifiant la plus grande stabilité de l'interface (3) vis à vis des interfaces (1) et (2) sur un substrat rugueux. Nous proposons ensuite une démarche de simulation analogue et un modèle décrivant les processus de formation d'îlots pour des couches synthétisées par des procédés de type PVD-CVD illustrés par le système {Ge||Si}.<br />Finalement, un modèle physique et un algorithme de dynamique moléculaire classique sont associés pour simuler l'auto-organisation de particules de diamant micrométriques immergées dans un film liquide horizontal en évaporation sur un substrat. Les particules sont soumises à des forces capillaires attractives et des forces de friction avec le substrat qui est plan ou rayé. L'expérience démontre une agglomération préférentielle des particules sur les zones de forte rugosité d'un substrat rayé; le modèle démontre l'importance des frottements dans l'interprétation de ce phénomène.

La présence de distorsions inévitables fait que les méthodes classiques de réduction d'échelle<br />sont inexploitables pour la prédiction du comportement non-linéaire de structures en<br />composite stratifié. Dans un premier temps, une nouvelle méthode capable de tenir compte<br />des effets d'échelle est développée en s'appuyant sur l'exemple d'absorbeurs d'énergie en<br />verre E / époxy sollicités en compression axiale statique. Dans un second temps, une étude<br />fréquentielle est réalisée de façon à étendre cette méthode aux sollicitations en dynamique<br />rapide. Des comparaisons avec les résultats issus de la similitude de Cauchy mettent en<br />évidence un gain important en terme de précision des prédictions des paliers d'effort. Enfin,<br />une modélisation par éléments finis est réalisée afin d'étudier les différents phénomènes qui<br />se produisent lors du crash et de tester l'utilisation de la similitude indirecte. Ce modèle<br />numérique permet de préciser les causes de l'effet d'échelle détecté précédemment.

Le domaine de la simulation interactive ou computational steering a pour but d'améliorer le processus de simulation numérique (modélisation, calcul, analyse) en le rendant plus interactif. Dans cette approche, le scientifique n'attend plus passivement les résultats de la simulation ; il peut visualiser en ligne l'évolution des données calculées et peut interagir à tout moment en modifiant certains paramètres à la volée ou plus généralement en pilotant le déroulement des calculs. Un tel outil peut s'avérer très utile pour la compréhension des phénomènes physiques modélisés et la détection d'erreurs dans le cas de simulations longues.<br /><br />L'objectif de cette thèse est de concevoir et de développer une plate-forme logicielle, appelée EPSN (Environnement pour le Pilotage des Simulations Numériques), permettant de piloter une application numérique parallèle en s'appuyant sur des outils de visualisation eux-mêmes parallèles. En d'autres termes, il s'agit de mettre au service des scientifiques les capacités de la visualisation parallèle et plus largement de la réalité virtuelle (environnement immersif, murs d'images), une étape aujourd'hui cruciale pour la conception et l'exploitation de simulations numériques complexes en vraie grandeur. La mise en oeuvre d'un couplage efficace entre simulation et visualisation soulève deux problèmes majeurs, que nous étudions<br />dans cette thèse et pour lesquels nous souhaitons apporter une contribution : le problème de la coordination efficace des opérations de pilotages en parallèle et le problème de la redistribution pour des données complexes (grilles structurées, ensembles de particules, maillages non structurés).

L'idée de mettre en place un simulateur relativement général de la partie mécanique de l'usinage à l'échelle macroscopique est à l'origine de ce travail. Deux thèses déjà soutenues au LMSP se sont principalement heurtées à la robustesse de l'algorithme d'intersection nécessaire pour obtenir la surface usinée. Ce travail a eu pour principal objectif de repenser la méthode de calcul de l'intersection des modèles B-Rep de l'outil et de la pièce.<br />Le premier objectif a alors été de revenir à un cas simple : le tournage en coupe orthogonale. Ceci a permis de vérifier à nouveau la pertinence de notre démarche et de commencer l'analyse des algorithmes d'intersection par celle d'un cas simplifié. Un simulateur spécifique a été mis en place et des comparaisons avec des résultats expérimentaux sont montrées.<br />Le second objectif a été d'améliorer l'algorithme d'intersection dans le cas tridimensionnel en reprenant complètement les points de vue adoptés dans les travaux précédents du LMSP. Le travail d'intersection est maintenant effectué dans une configuration de référence matérielle de la pièce. Ceci, combiné à une analyse autorisant l'auto-intersection d'un modèle B-Rep, améliore la robustesse générale de l'algorithme. Les développements correspondants à ce travail ont été intégrés dans le logiciel Nessy du LMSP.

Cette étude s?inscrit dans le cadre d?une collaboration entre le Centre de Mise en Forme des Matériaux, l?Agence de l?Environnement et de la Maîtrise de l?Energie et la société Photowatt et concerne l?une des étapes de la fabrication des modules photovoltaïques : la découpe de plaques minces de silicium multicristallin par sciage à fil.<br />Une étude bibliographique associée à l?observation des plaques brutes montre que le sciage à fil produit de l?abrasion trois corps et que l?enlèvement de matière se fait de manière ductile par formation de micro-copeaux. La profondeur d?indentation à laquelle se produit la transition ductile-fragile mise en évidence par l?étude bibliographique n?est donc pas franchie. L?abrasion produite peut être décrite par la loi classique d?Archard. La profondeur de la zone endommagée par la découpe a été estimée à 2,5 µm.<br />Une étude thermique a montré que la température de la découpe ne dépasse pas 50°C environ et qu?elle dépend de la capacité d?évacuation de la chaleur par le fil. L?analyse des défauts des plaques a permis d?identifier leur origine et de dégager des solutions. La mesure de l?usure du fil a montré que la réduction de son diamètre n?est envisageable que si son régime de défilement est rendu continu. Le gain de silicium, d?énergie sur plusieurs plans et l?amélioration de l?état de surface des plaques plaident également pour la suppression du régime alternatif (back & forth). Le recyclage de l?abrasif est envisageable, nous avons montré que son efficacité n?est en effet pas affectée par la découpe.<br />Un dispositif de simulation tribologique a été mis en place, il permet d?étudier l?abrasion du silicium dans les mêmes conditions que dans le sciage à fil. Un modèle mécanique reliant la courbure du fil aux paramètres issus du sciage et de la tribologie permet de prédire la hauteur de la nappe de fil, sa flèche en régime transitoire et permanent, la pression de contact et l?usure du fil.<br />Une simulation numérique de l?enlèvement de matière par des essais de rayure bidimensionnels a été réalisée. La concordance des ordres de grandeurs des constantes de vitesse d?usure obtenues par ce biais, par la simulation tribologique et par la déduction des mesures effectuées sur le procédé valide cette démarche. Elle a permis de dégager des orientations qui permettront de rendre la découpe plus performante en modifiant les abrasifs et le fluide.

Ce travail de thèse porte sur le développement d'un modèle pour la turbulence anisotrope et inhomogène au moyen d'une approche statistique spectrale. La variable de base de ce nouveau modèle est le spectre du tenseur de Reynolds, quantité qui dépend des variables d'espace et du temps, mais aussi du module du vecteur d'onde. Ce travail s'appuie sur les fondements théoriques posés par A. Laporta (1995) pour le développement autour de l'homogénéité des<br />équations des corrélations en deux points et sur les travaux de S. Parpais (1996) pour la modélisation des termes les plus complexes mis à jour dans ce type de démarche.<br />Dans cette thèse, un modèle exploitable numériquement dans des géométries complexes a été proposé. Il faut noter que ce modèle repose sur des hypothèses quasi-normales amorties pour représenter les flux d'énergie vers les petites échelles et ne nécessite donc pas, comme les modèles de turbulence usuels, l'utilisation d'une équation de transport pour la dissipation de l'énergie cinétique turbulente. Les informations spectrales fournies par le modèle ont été utilisées pour analyser finement la turbulence. Nous avons ainsi pu caractériser dans des écoulements tels que celui autour d'un profil d'aile en incidence certaines situations de déséquilibre de la turbulence. Ce déséquilibre s'exprime en particulier au niveau des spectres de l'énergie cinétique turbulente par un écart à la théorie de Kolmogorov (1941) et à une distribution d'énergie selon les nombres d'onde k proportionnelle à k^?5/3 (dans la zone inertielle). L'analyse spectrale permet aussi de proposer des quantités en un point pertinentes pour mettre en évidence ces états de déséquilibre, ouvrant ainsi de nouvelles voies de modélisation.

La détermination des directions de propagation d'une onde électromagn?etique, à partir des mesures du champ, est un problème “mal-posé”. En utilisant le concept de fonction de distribution des ondes (FDO), cela revient `a “inverser” un opérateur linéaire non-bijectif. Nous avons développé une méthode de régularisation entropique pour résoudre ce problème. L'utilisation de l'entropie est numériquement avantageuse et permet de déterminer une solution contenant l'information minimale requise par la donnée. Une généralisation de la méthode a ensuite été étudiée. Le calcul effectif de la FDO a été effectué d'abord dans le cas du vide sur des données synthétiques, puis sur des données provenant du satellite FREJA. La méthode est automatique, robuste et permet de déterminer des solutions stables. Les résultats obtenus sont en accord avec ceux obtenus par d'autres méthodes. Ils sont toutefois plus diffus, ce qui est préférable dans la situation considérée.

Les propriétés thermodynamiques et mécaniques des fluides confinés à l'échelle sub-microscopique diffèrent profondément de celles du liquide macroscopique. Dans le cadre de la simulation numérique, les études actuelles sur les fluides confinés concernent pour la plupart des cas de haute symétrie où le grand potentiel du système est aisément accessible. Cette limitation restreint grandement le champ des systèmes complexes étudiés théoriquement, alors même que les progrès réalisés dans le domaine des microtechnologies permettent la préparation d'une grande variété de substrats confinants présentant une structure nanométrique. Dans cette thèse nous avons donc développé une méthode de calcul du grand potentiel par intégration thermodynamique applicable aux cas de basse symétrie. Un travail de simulation de Monte Carlo dans l'ensemble Grand Canonique sur un fluide simple confiné dans deux systèmes modèles (où les substrats portent une structure chimique ou géométrique) associé à cette méthode nous a permis de réaliser une étude approfondie du comportement de phase du fluide dans ces systèmes, notamment en identifiant les différentes morphologies que le fluide peut adopter ainsi que leur domaine de stabilité thermodynamique. Nous avons aussi étudié pour la première fois les effets de la torsion sur un fluide confiné. On s'est penché tout particulièrement sur le comportement de phase des morphologies pont (que l'on voit apparaître lors du confinement par des substrats nanostructurés), et sur leur rhéologie lors de la torsion.

Le dispositif d'étanchéité des installations de stockage de déchets est constitué d'une barrière d'argile compactée surmontée d'une géomembrane. En théorie, cette technique permet d'assurer un niveau de protection maximal en prévenant le contact entre les éléments polluants contenus dans les lixiviats et le milieu environnant. Cependant, des défauts existent dans la géomembrane, liés à sa mise en place ou à de l'endommagement postérieur, et ceux-ci forment des passages préférentiels d'écoulement pour les lixiviats. D'autre part, le contact parfait entre la géomembrane et la surface de la barrière minérale n'existe pas car aucun de ces composants n'est parfaitement plan. Il en résulte l'existence d'une interface, qui provoque une surface d'infiltration du lixiviat bien supérieure à la seule aire du défaut dans la géomembrane. Des solutions analytiques et des outils empiriques permettant de quantifier, en régime permanent, les débits de fuite dans les dispositifs d'étanchéité comprenant une interface d'épaisseur uniforme sont disponibles dans la littérature. Cependant, des observations in situ et au laboratoire sont venues invalider le modèle d'un écoulement radial à partir d'un défaut circulaire et d'un écoulement bidimensionnel à partir d'un défaut longitudinal, les écoulements d'interface se révélant d'une nature bien plus complexe et dépendant essentiellement de la non-uniformité de l'épaisseur de l'interface. Les outils bibliographiques disponibles atteignent rapidement leur limite vis-à-vis de la prise en compte de cette non-uniformité de l'épaisseur de l'interface et il apparaît qu'une autre approche doit être suivie pour parvenir à une quantification précise des débits de fuite à travers l'étanchéité composite. Le travail de thèse a consisté à d'abord quantifier la variabilité spatiale de l'interface, puis à adopter un modèle d'écoulement issu des flux dans les milieux poreux fracturés avec lesquels les écoulements d'interface partagent des similitudes. La méthodologie développée consiste à combiner à la fois (1) des observations de terrain qui permettent de connaître les états de surface de la barrière minérale dans des conditions réelles (2) des expérimentations réalisées au laboratoire qui fournissent des mesures de débit de fuite et la géométrie exacte d'une interface reconstituée et (3) des simulations numériques d'écoulement à partir des géométries d'interface fournies, avec une comparaison des flux simulés et mesurés pour évaluer la validité du modèle.Le travail expérimental a été complété par une étude du cas particulier, mais néanmoins courant sur les installations de stockage de déchet françaises, où un géotextile est placé à l'interface. L'impact de cette pratique sur le débit de fuite engendré en cas de défaut dans la géomembrane a été évalué en comparant les données de flux mesurées avec celles obtenues dans les mêmes conditions sans géotextile.