La méthanisation est la bioconversion de la matière organique en digestat et en biogaz. La méthanation biologique consiste à faire réagir de l'H2 avec du CO2 en digesteur anaérobie pour augmenter le taux de CH4 dans le biogaz. Cette thèse vise la valorisation des fumées de cokeries contenant du CO2 et de l’H2 par injection dans un méthaniseur. L'objectif de cette thèse est d'étudier la faisabilité de l'injection des gaz de cokeries dans un méthaniseur et de quantifier la variation du taux de CH4. Pour cela, un réacteur de 100 L a été conçu. Des études préalables en réacteur de 2 L ont été menées expérimentalement et par simulation numérique des écoulements pour définir un mode d’agitation adapté. Il a été montré que l'agitation par un double-ruban hélicoïdal permettait d'accroitre la vitesse de production du biogaz de 50 % en comparaison avec un système d’agitation classique. La perméation membranaire à travers un tube en silicone a été utilisée pour l’injection du gaz dans le digestat. A l’aide du pilote conçu, fonctionnant pendant 152 jours, une expérimentation d’hydrogénation en continu a été réalisée avant l’injection simultanée d’H2 et de CO2. L'injection d'hydrogène pur a augmenté le taux de CH4 de 57,5 à 68,2 % et abaissé celui du CO2 de 42,3 à 31,5 %. L'hydrogène injecté est entièrement consommé, ce qui a validé le choix de la perméation membranaire comme système d’apport de gaz en milieu visqueux et qui a montré que la quantité d'H2 injectée était limitante. L'injection supplémentaire de CO2 en proportions des gaz de cokeries s'est traduite par une augmentation du débit global de biogaz de 5,0 à 5,6 L/h, composé d’environ 35 % en CO2 et 65 % en CH4 / Anaerobic digestion is the bioconversion of organic matter into digestate and biogas. Biological methanation consists in the reaction between H2 and CO2 in anaerobic digester to increase the level of CH4 in the biogas. This thesis aims at recovering the fumes from coking plants containing CO2 and H2 by injection into an anaerobic digester. The objective of this thesis is to study the feasibility of injecting coke oven gases into an anaerobic digester and to quantify the variations of the CH4 content. To this end, a 100 L reactor has been designed. Previous studies in 2 L reactor were performed experimentally and by computational fluid dynamics to define a suitable design of stirrer. It has been shown that stirring by a double helical ribbon increases the biogas production rate by 50 % in comparison with a conventional stirring system. Membrane permeation through a silicone tube was used to inject the gas into the digestate. 152 days experiment was performed in this pilot with a continuous hydrogenation step prior to the simultaneous injection of H2 and CO2. Injection of pure hydrogen increased the CH4 level from 57.5 % to 68.2 % and decreased that of CO2 from 42.3 to 31.5 %. The injected hydrogen is entirely consumed. This result validated the choice of membrane permeation as a gas supply system in viscous medium but showed that the amount of H2 injected was limiting. The additional injection of CO2 in proportions of coke oven gases resulted in an increase in the overall biogas flow rate from 5.0 to 5.6 L h-1, composed of about 35 % CO2 and 65 % CH4

Dans un contexte de vieillissement de la population, et donc d’augmentation du nombre de presbytes, l’amélioration des optiques destinées à la correction de ce défaut visuel est un enjeu crucial. Nous avons cherché à optimiser le design des optiques bifocales, qui ne présentent que deux puissances différentes: une pour la vision de loin et une pour la vision de près. Pour cela, nous avons simulé des images telles qu’elles seraient vues à travers nos designs, et les avons fait noter par des sujets. La première étude s’est penchée sur le ratio d’aire optimisant la vision au loin comme au près. Les meilleurs résultats ont été obtenus pour un ratio de 40% de vision de près au centre, même si des valeurs de 20 à 50% étaient satisfaisantes. Cependant, ces optiques à deux zones concentriques ont un défaut : elles sont très sensibles au changement de diamètre pupillaire, qui est très fréquent. Un changement de taille de pupille entrainant une modification du ratio d’aires, la solution consiste à utiliser plusieurs zones concentriques alternant entre correction de loin et de près. La seconde étude s’est focalisée sur l’optimisation du nombre de zones concentriques dans ces optiques bifocales par la même méthode. Lorsque le nombre de zones est augmenté suffisamment, des interférences permettent d’augmenter également la qualité de vision intermédiaire, nos profils étant disposés comme des réseaux de Fresnel. Les profils à 5 zones permettent une bonne vision de loin et de près en redonnant une légère vision intermédiaire, et les profils à 8 zones donnent une qualité de vision similaire au loin, en intermédiaire et au près. Ces profils ont ensuite été évalués dans des conditions plus réalistes, en présence d’aberrations, de décentrement, de différents diamètres pupillaires par deux populations d’âge différent. L’âge des sujets n’influence pas leur évaluation des optiques. Les aberrations ont plus d’impact sur la qualité visuelle que le décentrement. Le diamètre pupillaire a une influence plus forte sur les profils possédant moins de zones. Enfin, nous avons comparé nos profils optimisés avec des lentilles de contact disponibles sur le marché. Du point de vue de la qualité visuelle comme de la profondeur de champ, nos profils étaient meilleurs que les lentilles du marché. Il serait donc intéressant d’en créer des prototypes pour effectuer des tests au porté. Les designs développés dans cette thèse pourraient servir à effectuer une personnalisation de la correction optique des presbytes. Différents designs pourraient être proposés pour chaque oeil, permettant de combiner deux profils par sujets. De nombreuses variations inter-individuelles, également observées dans les études précédentes, restent toujours imprévisibles. Elles pourraient être dues à des différences de sensibilité au contraste ou de tolérance au flou. Il serait donc intéressant de développer un test optométrique, consistant à faire évaluer des images floues par le sujet, de façon à prédire s’il s’agit d’un bon candidat au port de lentilles bifocales. / Giving the aging of the population, and therefore the augmentation of presbyopes, the improvement of optics used to compensate for this visual impairment are at stake. We optimized bifocal optics designs, which only have two powers: one dedicated to distance vision and one dedicated to near vision. For this, we simulated images as they would appear through our designed optics, and asked subjects to grade the quality of these simulated images. First study dealt with the ratio of area optimizing visual quality at distance and at near. The best results were obtained for a ratio of 40% of central near vision, even if values from 20 to 50% gave quite comparable satisfying results. However, these 2 zone optics have a drawback they are very sensitive to the change of pupil diameter, which happens very often. A change in pupil size leads to a change of ratio of areas, the solution consists in using several concentric zones alternating between distance and near correction. The second study was about the optimization of the number of concentric zones in these bifocal optics using the same method. When the number of zones is increased enough, interferences allow to improve intermediate visual quality, as our profiles are built as Fresnel networks. Five zone profiles give a good distance and near vision with a little intermediate vision, and 8 zone profiles give an acceptable quality of vision from far to near. These profiles were evaluated in more realistic conditions, in presence of aberrations, decentration and different pupil diameters by two populations with different age. The age of subjects did not influence their evaluation of the optics. Aberrations had more impact on visual quality than decentration. Pupil diameter had a stronger influence on the optics with less number of zones. Eventually, we compared our optimized profiles with actual contact lenses available on the market. When looking at visual quality and depth-of-focus, our profiles were better than the ones available on the market. Therefore, it would be interesting to make prototypes to try them on real subjects. The designs developed in this work could be used to personalize presbyopes optical compensation. Different designs could be tried on each eye, allowing to combine two profiles per subject. A lot of inter-individual variations, also observed in previous studies, remain unpredictable. They could be linked to differences in contrast sensitivity or tolerance to blur. It would be interesting to create a visual test consisting in evaluating blurred images, in order to predict of a subject is a good candidate to fit with bifocal optics.

La turbulence tridimensionnelle se caractérise par sa capacité à transférer de l'énergie des grandes vers les petites échelles où elle est finalement dissipée. Lorsqu’elle se produit dans un plasma non-collisionnel comme le vent solaire, une modélisation cinétique semble a priori nécessaire. Toutefois, la complexité d’une telle approche limite les développements théoriques et condamne les expériences numériques à se restreindre à des nombres de Reynolds peu élevés. Dans quelles mesures un modèle mono-fluide comme la MHD Hall permet-il de rendre compte des phénomènes observés dans le vent solaire aux échelles sub-ioniques ? C’est la problématique à laquelle s’est attaquée cette thèse. L’idée directrice de ce travail est de tirer profit de la relative simplicité des modèles fluides et de la puissance algorithmique des méthodes pseudo-spectrales pour aborder la turbulence du vent solaire par des simulations numériques directes tridimensionnelles massivement parallèles à grands nombres de Reynolds. Ces simulations numériques ont permis de mettre en évidence l’existence d’une brisure spontanée de symétrie chirale en turbulence MHD Hall incompressible, ainsi que l’existence d’un nouveau régime appelé ion MHD (IMHD). Un modèle phénoménologique a été proposé pour rendre compte de ces résultats et de nouvelles prédictions ont été faites, puis confirmées numériquement. Enfin, l’étude de l’effet d’un fort champ magnétique uniforme sur la dynamique turbulente a permis de confirmer pour la première fois une ancienne conjecture. L’inertie des électrons a ensuite été prise en compte toujours dans un modèle fluide. Par une approche hydrodynamique classique, une loi universelle a été obtenue pour les fonctions de structure d’ordre trois. L’ensemble de ces résultats est qualitativement en accord avec les mesures in situ du vent solaire et remet en cause le paradigme selon lequel les raidissements successifs du spectre des fluctuations magnétiques sont provoqués nécessairement par des phénomènes d’origine cinétique. De manière plus générale, cette thèse soulève des questions fondamentales sur les processus non-collisionnels de dissipation dans les plasmas turbulents. / Three-dimensional turbulence is characterized by its capacity to transfer energy from large to small scales where it is finally dissipated. When it occurs in a non-collisional plasma like the solar wind, a kinetic modelisation is necessary a priori. The complexity of such an approach however limits the theoretical developments and forces numerical experiments to be restricted to low Reynolds numbers. To what extent does a single-fluid model such as MHD Hall account for the phenomena observed in the solar wind at ion sub-scales ? It is to this question that this thesis tries to answer. The main idea of this work is to take advantage of the relative simplicity of fluid models and of the high precision of pseudo spectral methods to tackle the problem of turbulence in solar wind by direct numerical simulations massively parallelized at high Reynolds numbers. These simulations have helped to highlight the existence of a spontaneous breaking of chiral symmetry in incompressible Hall MHD turbulence, as well as the existence of a new regime called ion MHD (HDMI). A phenomenological model has been proposed to account for these results and new predictions were made and confirmed numerically. The study of the effect of a strong uniform magnetic field on the turbulent dynamics confirmed an ancient conjecture for the first time. The inertia of the electrons was then taken into account in a still fluid model. By a classical hydrodynamic approach, a universal law has been obtained for the third order structure functions. All these results are in qualitative agreement with in situ measurements of the solar wind and challenge the paradigm according to which the successive steepening of the magnetic fluctuations spectrum is necessarily caused by phenomenon of kinetic origin. More generally, this thesis raises fundamental questions about the non-collisional dissipation process in turbulent plasmas.

Dans le cadre du projet INTERMARC (INTERaction dans les Moteurs à Allumage Commandé), la tâche du CORIA a consisté à produire une base de données à l'échelle RANS (provenant de données DNS) afin de tester, valider et modifier le modèle d'interaction développée par IFPen. Ce modèle vise l'ajout d'une composante d'interaction, phénomène non pris en compte par les lois de paroi actuelles.Ce projet repose sur l'interaction forte entre les différents protagonistes présents. Le CORIA et le CETHIL ont travaillé ensemble à la réalisation d'une base de données pour tester les modèles initiaux proposés par IFPen, puis en fonction des résultats obtenus, à itérer avec IFPen pour modifier et améliorer les modèles. Ces tests ont inclus des simulations 2D laminaires, 2D turbulentes, et 3D turbulentes. / Under the INTERMARC project (Flame wall interaction in spark ignition engines), CORIA's job was to produce a database to RANS scale (from DNS data) to test, validate and modify the interaction model developed by IFPEN. This model aims the addition of the interaction phenomena, non-captured by the current wall laws. This project is based on the strong interaction between the different actors. The CORIA and the CETHIL have worked together in the creation of the database, where the experimental data were also used to validate the resuslts of the DNS code.CORIA then used this database to test the original model proposed by IFPPEN, then according to the results obtained, CORIA iterated with IFPEN to modify and improve the models. These tests included laminar 2D simulations, 2D turbulent and 3D turbulent simulations.

Des projets d'installation de parcs de plusieurs hydroliennes rapprochées en rivières ou dans les océans ont été récemment démarrés, afin de développer cette source d'énergie renouvelable. Dans ces parcs, les interactions de sillage entre les hydroliennes doivent être calculées puisqu'elles peuvent affecter leur puissance produite. Un modèle CFD stationnaire de type disque d'action couplé aux équations RANS est développé dans ce travail pour calculer la puissance produite et l'écoulement au sein d'un parc d'hydroliennes Darrieus. Ce modèle utilise des répartitions détaillées de force dont l'intensité dépend de la position sur la turbine. Elles sont obtenues par des calculs préliminaires URANS de l'écoulement sur la géométrie de la turbine en rotation. De nouvelles lois sont obtenues pour les coefficients de puissance et de force en utilisant la vitesse locale (vitesse au niveau de la turbine) au lieu de la vitesse amont dans leur définition. Ces coefficients deviennent alors indépendants du confinement de la turbine. Ces lois servent à construire un modèle qui calcule les distributions de force représentant chaque turbine du parc en fonction de la vitesse locale du fluide, pour simuler chaque turbine fonctionnant proche de son point de maximum d'efficacité. Une validation du modèle est réalisée par comparaison à de nouvelles expériences d'une turbine Darrieus à échelle réduite. Différentes configurations de parcs sont ensuite simulées par le modèle 3D, ainsi que par une version 2D du modèle. Les distances entre turbines qui permettent d'obtenir une puissance produite par le parc maximale sont notamment recherchées. / New projects have recently been launched to build farms of several tidal or river turbines, which are part of the renewable energy systems. The turbine wake interactions in the farm must be considered, as they can affect the power production of the turbines. A steady-state Actuator force model using the RANS equations is developed in the present work to calculate the power production and the flow through arrays of tidal or river Darrieus turbines. It uses detailed three dimensional force distributions depending on the position on the turbine, obtained beforehand by a set of blade-resolved URANS simulations of the turbine. New power coefficient and force coefficient laws depending on the local velocity (flow velocity at the machine position) instead of the upstream velocity are established and appear to be independent from the local turbine blockage in an array. Those laws are used to construct a model that adapt the Actuator force distributions to the local velocity of the flow reaching each turbine, in order to simulate each turbine functioning close to its maximum efficiency point. The model is validated against experimental measurements on a reduced-scale Darrieus turbine. Different farm configurations are simulated and compared to results of the same model adapted in two dimensions. The distances between turbines that are optimizing the farm power production are especially investigated.

La question de la propulsion spatiale a été un enjeu politique au coeur de la guerre froide et reste un enjeu stratégique de nos jours. La technologie chimique déjà en place sur les moteurs fusées s'avère être limitée par la vitesse d'éjection et la durée de vie des appareils. La propulsion électrique et plus particulièrement le moteur à effet Hall apparait ainsi comme la technologie la plus performante et la plus utilisée pour diriger un satellite dans l'espace. Cependant, la physique à l'intérieur d'un propulseur étant complexe, de par les champs électromagnétiques ou les processus de collisions importants, toutes les particularités de fonctionnement du moteur ne sont pas parfaitement expliquées. Au bout de centaines d'heures d'essais, certains prototypes voient leur paroi s'éroder de façon anormale et des instabilités électromagnétiques se développent au sein de la chambre d'ionisation. La mobilité des électrons mesurée est en contradiction avec les modèles analytiques et soulèvent des problématiques sur la physique du plasma à l'intérieur de ces moteurs. Par conséquent, le code AVIP a été développé afin de proposer un code 3D massivement parallèle et non-structuré à Safran Aircraft Engines modélisant le plasma instationnaire à l'intérieur du propulseur. Des méthodes lagrangiennes et eulériennes sont utilisées et intégrées dans le code et mon travail s'est concentré sur le développement d'un modèle fluide, étant plus rapide et donc mieux adapté à la conception et au design industriel. Le modèle fluide est basé sur un modèle aux moments avec une expression rigoureuse des termes de collisions et une description précise des conditions limites pour les gaines. Ce modèle a été implémenté numériquement dans un formalisme non structuré et optimisé de façon à être performant sur les nouvelles architectures de calcul. La modélisation retenue et les efforts d'optimisation ont permis de réaliser un calcul réel de moteur à effet Hall afin de retrouver les propriétés globales de fonctionnement telles que l'accélération des ions ou encore la localisation de la zone d'ionisation. Un second cas d'application a finalement reproduit avec succès les instabilités azimutales dans le propulseur avec un modèle fluide et a justifié le rôle de ces instabilités dans le transport anormal des électrons et l'érosion des parois / The space propulsion has been a political issue in the midst of the Cold War and remains nowadays a strategic and industrial issue. The chemical propulsion on rocket engines is limited by its ejection velocity and its lifetime. Electric propulsion and more particularly Hall effect thrusters appear then as the most powerful and used technology for space satellite operation. The physic inside a thruster is complex because of the electromagnetic fields and important collision processes. Therefore, all specificities of the engine operation are not perfectly understood. After hundreds of hours of tests, thruster walls are curiously eroded and electromagnetic instabilities are developping within the ionization chamber. The measured electron mobility is in contradiction with the analytical models and raises issues on the plasma behavior inside the discharg chamber. As a result, the AVIP code was developed to provide a massively parallel and unstructured 3D code to Safran Aircraft Engines modeling unsteady plasma inside the thruster. Lagrangian and Eulerian methods are used and integrated in the solver and my work has focused on the development of a fluid model which is faster and therefore better suited to industrial conception. The model is based on a set of equations for neutrals, ions and electrons without drift-diffusion hypothesis, combined with a Poisson equation to describe the electric potential. A rigorous expression of collision terms and a precise description of the boundary conditions for sheaths have been established. This model has been implemented numerically in an unstructured formalism and optimized to obtain good performances on new computing architectures. The model and the numerical implementation allow us to perform a real Hall effect thruster simulation. Overall operating properties such as the acceleration of the ions or the location of the ionization zone are captured. Finally, a second application has successfully reproduced azimuthal instabilities in the Hall thruster with the fluid model and justified the role of these instabilities in the anomalous electron transport and in theerosion of the walls

Cette thèse vise à démontrer que l'algorithmique et la programmation, dans un contexte de calcul haute performance (HPC), ne peuvent être envisagées sans tenir compte de l'architecture matérielle des supercalculateurs car cette dernière est régulièrement remise en cause.Après avoir rappelé quelques définitions relatives aux codes et au parallélisme, nous montrons que l'analyse des différentes générations de supercalculateurs, présents au CEA lors de ces 30 dernières années, permet de dégager des points de vigilances et des recommandations de bonnes pratiques en direction des développeurs de code.En se reposant sur plusieurs expériences, nous montrons comment viser une performance adaptée aux supercalculateurs et comment essayer d'atteindre la performance portable voire la performance extrême dans le monde du massivement parallèle, incluant ou non l'usage de GPU.Nous expliquons que les logiciels et matériels dédiés au dépouillement graphique des résultats de calcul suivent les mêmes principes de parallélisme que pour les grands codes scientifiques, impliquant de devoir maîtriser une vue globale de la chaîne de simulation. Enfin, nous montrons quelles sont les tendances et contraintes qui vont s'imposer à la conception des futurs supercalculateurs de classe exaflopique, impactant de fait le développement des prochaines générations de codes de calcul. / This thesis aims to demonstrate that algorithms and coding, in a high performance computing (HPC) context, cannot be envisioned without taking into account the hardware at the core of supercomputers since those machines evolve dramatically over time. After setting a few definitions relating to scientific codes and parallelism, we show that the analysis of the different generations of supercomputer used at CEA over the past 30 years allows to exhibit a number of attention points and best practices toward code developers.Based on some experiments, we show how to aim at code performance suited to the usage of supercomputers, how to try to get portable performance and possibly extreme performance in the world of massive parallelism, potentially using GPUs.We explain that graphical post-processing software and hardware follow the same parallelism principles as large scientific codes, requiring to master a global view of the simulation chain.Last, we describe tendencies and constraints that will be forced on the new generations of exaflopic class supercomputers. These evolutions will, yet again, impact the development of the next generations of scientific codes.

Les systèmes multicouches à base de LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) et d’or sont largement utilisés dans l’élaboration de composants multi-matériaux pour applications radiofréquences civiles et militaires. Cette technologie présente un fort potentiel de développement car elle constitue une solution de packaging des puces électroniques. Lors du processus d’élaboration de ces composants multi-matériaux (céramique-métal), la phase de co-frittage est une étape clé et critique, car elle est source d’endommagement du fait des potentiels différentiels de coefficients de dilatation et de cinétiques de retrait. Ainsi, ce travail vise le développement d’un modèle numérique simulant fidèlement le comportement thermomécanique des composants au cours de l’étape de co-frittage. A cet effet, les comportements thermomécanique et au frittage des matériaux céramiques et métalliques sélectionnés ont été finement caractérisés. Les lois de comportement ainsi identifiées ont été implémentées dans le code de calcul par éléments finis Comsol Multiphysics. La robustesse du modèle développé a été analysée par confrontation à des essais expérimentaux conduits grâce à la mise en place d’un dispositif original de suivi in situ de la déformation par ombroscopie. Ainsi, les cambrures générées lors du frittage contraint d’un bicouche à base de LTCC et lors du co-frittage d’un bicouche LTCC-or ont été caractérisées et comparées aux simulations numériques. / LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) and gold multilayers systems are extensively used in the development of multi-materials components for civil and military radio-frequency applications. This technology presents a high potential of development because it provides a packaging solution for electronic chips. During the process of drafting of these multi-materials components (ceramic metal), the co-sintering step is a key and critical one, indeed it leads to damages because of potential thermal expansion coefficients and shrinkage kinetics differentials. Thus, the aim of this work is to develop a numerical model able to faithfully simulate the components thermomechanical behavior during the co-sintering stage. To achieve this, the sintering and thermomechanical behavior of the selected ceramic and metal materials have been carefully characterized. The behavior laws so identified have been implemented in the software based on the finite elements method Comsol Multiphysics. The developed model robustness has been analyzed by confrontation with experimental tests driven by the establishment of an original shadowscopy apparatus which allows the in situ strain recording. Thus, the generated curvatures during the constrained sintering of a LTCC bilayer and during a gold-LTCC bilayer co-sintering have been characterized and compared with the numerical simulations.

La connaissance des propriétés optiques est fondamentale pour l’amélioration des matériauxet des dispositifs non-linéaires.Elle offre la possibilité de chercher de nouveaux matériaux ayant des propriétés bien spécifiques.Une façon de moduler certaines de ces propriétés est d’appliquer un champ électrostatique sur les matériaux,donnant lieu à des effets électro-optiques. Ce champs statiquepeut être appliqué volontairement sur le système ou être déjà présent dû à la structure du matériau:par exemple à une interface une accumulation de charges se crée générant un champ électrostatique àl'intérieur du matériau.Un des effets électrostatiques les plus connus est l'effet Pockels ou effet électro-optique linéaire (LEO).Il s'agit d'une réponse du second ordre, quicorrespond à une correction à la réponse optique linéaire en présence d'un champ statique.Un important processus non-linéaire est la génération de seconde harmonique (SHG), où deux photonssont absorbés par le matériau et un photon est émis à une énergie deux fois plus grande que celle du photonincident. Ce processus est très sensible à la symétrie du matériau. En effet, si le système étudié présenteune symétrie d'inversion alors la réponse de seconde harmonique sera nulle. Cependant ajouter unchamp statique à l'intérieur du matériau permettrait de générer une réponse du second ordredans n'importe quels matériaux, qu'ils soient ou non centrosymétriques.Ce phénomène est un processus de troisième ordre appeléEFISH (Electric Field Induced Second Harmonic).Le but de ma thèse était de calculer théoriquement et numériquement les réponses optiques linéraireset non-linéaires (deuxième harmonique)de matériaux soumis à un champ électrostatique, soient les corrections au premier et second ordreLEO et EFISH.J'ai calculé ces deux réponses dans le cadre d'un formalisme ab-initio, reposant sur laTDDFT (Time-Dependent Density Functional Theory), pour des matériaux semi-conducteursou isolants.Ces calculs ont, dans un premier temps, été appliqués à des matériaux massifs simplesde type carbure de silicium (SiC),arséniure de gallium (GaAs), etc, pour valider notre formalisme.Ils ont ensuite été appliqués à des matériaux plus complexes d'intérêt technologiquescomme Si/Ge et des matériaux sous contrainte. / A deep understanding of the optical properties of solids is crucial for the improvement of nonlinear materials and devices.It offers the opportunity to search for new materials with specific properties.One way to tune some of those properties is to apply an electrostatic field. This gives rise to electro-optic effects.The most known among those is the Pockel or linear electro-optic effect (LEO), which is a second order response property.An important nonlinear process is the second harmonic generation (SHG), where two photons are absorbed bythe material and a photon is emitted at twice the energy of the incoming photon. While this process is sensitive tothe symmetry of the material, adding a static field would enable a nonlinear response from every material,including centrosymmetric ones. This happens through a third order process, named EFISH (Electric Field Induced Second Harmonic).We have developed a theoretical approach and a numerical tool to study these two nonlinear properties (LEO and EFISH)in the context of Time-dependent Density Functional Theory (TDDFT), and we have applied it to the case of bulk SiC andGaAs as well as layered systems such as Si/Ge.

Le rayonnement thermique joue un rôle important dans un large éventail d'applications de génie thermique comprenant des écoulements turbulents. La motivation principale de cette thèse est le besoin croissant de précision et fiabilité dans les simulations numériques appliqué à ce domaine.Cette thèse s’intéresse tout particulièrement à la compréhension physique de l’impact du rayonnement thermique sur la dynamique des fluides et le transfert thermique, ainsi que de l’influence des fluctuations turbulentes sur le transfert radiatif dans les écoulements à couche de cisaillement.L'objectif de cette thèse est de fournir des données haute-fidélités de jets libres turbulents couplés au rayonnement thermique afin de développer et de valider des modèles turbulents d’écoulements à couche de cisaillement prenant en compte les interactions de couplage. À cette fin, les jets libres turbulents sont décrits par des simulations numériques directes (DNS) couplées à une méthode de Monte-Carlo réciproque pour résoudre l'équation de transfert radiatif. La dépendance spectrale des propriétés radiatives est prise en compte avec la méthode Correlated-k (ck). L'étude numérique est réalisée avec la plus grande fidélité pour être aussi représentative que possible d'un jet réel dans un milieu participatif. La simulation est optimisée en termes de temps de calcul en tirant parti d'une méthode d'accélération appelée Acoustic Speed Reduction et en injectant de la turbulence artificielle pour améliorer les conditions d'entrée.Deux simulations directes de jets chauffés couplés au rayonnement thermique sont réalisées. D'une part, un jet chauffé avec un rayonnement modéré a été simulé et l’analyse de ses données DNS couplées a permis de dériver une nouvelle loi d’échelle pour la décroissance du profil de température. Cette mise à l'échelle rend compte des effets de la densité modifiée due à un rayonnement modéré. De plus, cela permet de distinguer si le rayonnement thermique modifie ou non la nature des mécanismes de transfert thermique dans la région développée du jet. D'autre part, un jet libre fortement chauffé a été calculé afin de quantifier les effets du rayonnement sur les champs de température et de vitesse moyens ainsi que sur les moments de second ordre.Outre les données DNS couplées, un solver RANS pour les écoulements à densité variable couplé au rayonnement thermique a été développé au cours de cette thèse. L'objectif était de quantifier directement la précision des modèles turbulents existants et d'identifier les paramètres clés pour une modélisation plus poussée des interactions de couplage. / Radiation plays an important role in a broad range of thermal engineering applications comprising turbulent flows. The growing need for accurate and reliable numerical simulations to support the design stages of such applications is the main motivation of this thesis.Of special interest in this work are the free-shear flows and the fundamental understanding of how radiation can modify their fluid dynamics and heat trans- port as well as how their turbulence fluctuations can alter radiative transfer. The goal of this thesis is to provide high-fidelity data of turbulent free jets coupled with thermal radiation in order to develop and validate free-shear turbulent models accounting for coupling interactions. To this end, turbulent free jets are described by direct numerical simulations (DNS) coupled to a reciprocal Monte- Carlo method to solve the radiative transfer equation. The spectral dependency of the radiative properties is accounted for with an accurate Correlated-k (ck) method. The numerical study is carried out with state-of-the-art fidelity to be as representative as possible of an actual jet in a participating medium. The simulation is optimized in terms of processing time taking advantage of an acceleration method called Acoustic Speed Reduction and by injecting artificial turbulence to enhance inlet boundaries.Two direct simulations of heated jets coupled with thermal radiation are carried out. On the one hand, a heated jet with moderate radiation is simulated. The analysis of its high-fidelity coupled DNS data has allow to derive a new scaling law for the decay of the temperature profile. This scaling accounts for the effects of modified density due to moderate radiation. Moreover, it allows for distinguishing whether thermal radiation modifies the nature of heat transfer mechanisms in the jet developed region or not. On the other hand, a strongly heated free jet is computed in order to quantify the effects of radiation on mean temperature and velocity fields as well as on second order moments.Besides the coupled DNS data, a RANS solver for variable-density flows coupled with thermal radiation has been implemented during the course of this thesis. The goal is to directly quantify the accuracy of the existing turbulent models, and to identify key parameters for further modeling of coupling interactions.