En microélectronique, plusieurs tendances telles que l'empilement 3D et l'amincissement de puces amènent des défis thermiques grandissants. Ces défis sont exacerbés lorsqu'appliqués aux appareils mobiles où l'espace et la puissance disponibles pour le refroidissement sont limités. Le but de cette thèse est de développer des outils de conception et méthodes d'implémentation de microcanaux pour le refroidissement microfluidique de puces 2D et 3D avec points chauds destinés aux appareils mobiles.Une méthode de conception pour optimiser la configuration des microcanaux refroidissant une puce est développée utilisant un plan d'expériences numériques. La configuration optimisée propose le refroidissement à une température maximale de 89 °C d'un point chaud de 2 W par un écoulement où la perte de charge est plus petit que 1 kPa. Des prototypes avec différents empilements et distributions de microcanaux sont fabriqués par gravure profonde et apposés par pick-and-place. Un banc de caractérisation et une puce thermique test sont fabriqués pour caractériser expérimentalement les prototypes de refroidissement avec différentes configurations. Un prototype avec microcanaux limités aux alentours des points chauds et reportés sur la face arrière de la puce test atteint une résistance thermique de 2.8 °C/W. Cela est réalisé avec un débit de 9.4 ml/min et des pertes de charges de 19.2 kPa, soit une puissance hydraulique de 3 mW. Ce refroidissement extrait 7.3 W générés sur un seul serpentin à un flux thermique de 1 185 W/cm² pour un coefficient de performance de 2 430. Les résultats de l'optimisation suggèrent que la dissipation thermique soit exploitée en ajoutant des microcanaux en parallèle, plutôt qu'en allongeant les microcanaux. On observe expérimentalement comme numériquement que la résistance liée à la hausse de température du fluide domine la résistance totale. Enfin, il apparaît que les différents empilements ont un effet plus important sur la résistance thermique que les distributions de microcanaux dans les plages observées. / In microelectronics, trends such as 3D stacking and die thinning bring major thermal challenges. Those challenges are exacerbated when applied to mobile devices where the available space and power for cooling are limited. This thesis aims at developing design tools and implementation techniques for microchannels cooling on 2D and 3D chips with hot spots for mobile devices. A design technique to optimize the microchannel configuration for chip cooling is developed using numerical experimentation plans. The optimized configuration suggests a cooling configuration reaching a maximum temperature of 89 °C on a 2 W hot spot, using a flow at a pressure drop plus petit que 1 kPa. Prototypes with different stacking and microchannel distributions are fabricated using deep reactive ion etching process and stacked using pick-and-place technique. A characterization bench and a thermal test chip are fabricated for experimental characterization of the cooling prototypes from various configurations. A prototype with microchannel zones limited to the hot spot vicinity and installed on the backside of the test chip reached a thermal resistance of 2.8 °C/W. This performance is achieved using a flow rate of 9.4 ml/min with a pressure drop of 19.2 kPa, representing a hydraulic power of 3 mW. Such cooling removes 7.3 W generated on a single heat source, representing a heat flux of 1 185 W/cm² for a coefficient of performance of 2 430. The optimization results suggest that the heat spreading is better exploited using parallel microchannels, rather than lengthen microchannels. It is both observed experimentally and numerically that the thermal resistance related to the fluid temperature rise is the major contribution to the total thermal resistance. Finally, it appears that the different stacking effects on thermal resistance are more important than the microchannels distributions in the observed ranges.

Afin de faire face aux fortes températures rencontrées par les composantsen aval de la chambre de combustion, des prélèvements d’air plus frais sont réalisésau niveau du compresseur. Cet air alimente les cavités en pied de turbine et refroidiles disques rotor permettant d’assurer le bon fonctionnement de la turbine.Ce manuscrit présente une étude numérique de l’effet de ces écoulements de cavitéau pied de la turbine sur ses performances aérodynamiques. Les phénomènesd’interaction entre l’air de cavité en pied de turbine et l’air de veine principal est unphénomène encore difficilement compris. L’étude de ces phénomènes est réalisée autravers de différentes approches numériques (RANS, LES et LES-LBM) appliquéesà deux configurations pour lesquelles des résultats expérimentaux s ont disponibles.Une première configuration en grille d’aube linéaire en amont de laquelle différentesgéométries d’entrefer (interface entre plateforme rotor et stator) et débits de cavitépouvaient être variés. Une seconde configuration annulaire composée de deux étagesde turbine comprenant les cavités en pied et plus proche d’une configuration industrielle.Les pertes additionnelles associées à l’écoulement de cavité sont mesurées etétudiées à l’aide d’une méthode basée sur l’exergie (bilans d’énergie dans l’objectifde générer du travail). / In order to deal with high temperatures faced by the components downstreamof the combustion chamber, some relatively cold air is bled at the compressor.This air feeds the cavities under the turbine main annulus and cool down the rotordisks ensuring a proper and safe operation of the turbine. This thesis manuscriptintroduces a numerical study of the effect of the cavity flow close to the turbine hubon its aerodynamic performance. The interaction phenomena between the cav-ity andmain annulus flow are not currently fully understood. The study of these phenomenais performed based on different numerical approaches (RANS, LES and LES-LBM)applied to two configurations for which experimental results are avail-able. A linearcascade configuration with an upstream cavity and various rim seal geometries(interface between rotor and stator platform) and cavity flow rate avail-able. Arotating configuration that is a two stage turbine including cavities close to realisticindustrial configurations. Additional losses incurred by the cavity flow are measuredand studied using a method based on exergy (energy balance in the purpose togenerate work).

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la nucléation de dislocations depuis la surface d'un métal cfc sous contrainte, par le biais de simulations à l'échelles atomiques et de modèles basés sur la théorie élastique des dislocations. La nucléation depuis les surfaces, qui initie la plasticité dans les matériaux à l'échelle nanométrique, implique le franchissement d'une barrière d'énergie ; celui-ci se fait par activation thermique. Nous avons pu déterminer le rôle de différents facteurs, comme la température ou l'état de surface, sur l'évènement de nucléation. Plusieurs méthodes atomistiques ont été employées de concert pour déterminer les paramètres d'activation associés à la barrière d'énergie : le rayon critique que la dislocation doit atteindre pour devenir stable et se propager, l'énergie et le volume d'activation. Enfin, des éléments sur la cinétique des dislocations et sur les évènements plastiques subséquents à la nucléation ont pu être obtenus.

Ce travail de thèse est surtout consacré à l'étude du ferromagnétisme dans les systèmes désordonnés, en particulier les semiconducteurs magnétiques dilués (DMS). Le formalisme utilisé, basé sur les fonctions de Green à température finie, est très général pour l'étude du magnétisme et du transport dans ces systèmes. Dans un premier temps, il est montré que l'approche champ moyen - RKKY (MF-RKKY) souvent utilisée n'est pas appropriée pour décrire les propriétés magnétiques des systèmes dilués. Un meilleur traitement du Hamiltonien de Heisenberg RKKY dans le cadre de la théorie RPA locale auto cohérente (SC-LRPA) a permis de montrer en particulier que l'approche MF-RKKY surestime largement les températures critiques ainsi que l'étendue de la zone de stabilité du ferromagnétisme. Dans un second temps on étudie le modèle non perturbatif « V-Jpd » par diagonalisation exacte pour chaque configuration de désordre et on calcule explicitement les échanges magnétiques. En dehors de la limite perturbative, ces échanges n'ont pas le caractère RKKY. Ensuite, le Hamiltonien de Heisenberg effectif est traité dans le cadre de la théorie SC-LRPA. Cette approche en 2 étapes montre en particulier (i) l'importance du désordre et des fluctuations thermiques et transverses et (ii) que le potentiel coulombien V joue un rôle crucial pour comprendre l'origine du ferromagnétisme dans les DMS. Ce modèle minimal tient compte de la percolation et des diffusions multiples des porteurs itinérants sur les impuretés et permet d'unifier la description des DMS. Enfin, une étude numérique des effets de taille finie et de l'importance de l'échantillonnage statistique a permis de montrer les insuffisances sévères du traitement Monté Carlo « complet » du modèle dilué « V-Jpd ». Ce modèle microscopique permet de combler le fossé entre les approches modèles trop simplistes et celles basées sur les calculs ab initio.

L'objectif de ce travail est de déterminer l'intérêt des bases de données présentant un nombre important de relevés floristiques et écologiques complets pour étudier de façon quantitative le comportement écologique des espèces végétales forestières sur de vastes territoires.<br />Les données utilisées sont celles d'EcoPlant, développée à l'Ecole Nationale du Génie Rural des Eaux et des Forêts (ENGREF, Nancy) pour stocker des milliers de relevés phytoécologiques complets (relevés floristiques et caractéristiques climatiques et édaphiques précises), réalisés dans les forêts de France. La définition de 54 courbes de réponse théoriques d'espèces végétales vis-à-vis du pH, et la création de jeux artificiels de données binaires de taille variable pour essayer de re-créer les courbes de réponse théoriques, ont permis de montrer qu'il est difficile de modéliser de manière fiable le comportement des espèces peu fréquentes avec la régression logistique. En effet, nous montrons que 50 à 100 occurrences d'une espèce représentent un seuil minimal pour déterminer précisément l'optimum, l'amplitude et la probabilité maximale de la courbe de réponse écologique des espèces avec la régression logistique, ce qui justifie la nécessité de travailler avec de larges bases de données.<br />Pour tester la stabilité du comportement écologique des espèces sur de vastes territoires, nous avons comparé la réponse au pH du sol de 46 herbacées forestières entre le nord-est et le nord-ouest de la France, et de 21 herbacées forestières entre les Vosges et le Jura. En contexte de plaine ou de montagne, la majorité des espèces étudiées n'ont pas révélé de différences régionales marquées en terme d'optimum ou d'amplitude écologiques vis-à-vis du pH de l'horizon A du sol. Les quelques différences régionales observées ont été expliquées dans les deux cas par des conditions de compétition différentes dans chaque région. Nous concluons que l'étude de la réponse écologique peut s'effectuer sur de vastes territoires tels que la France, à condition que les conditions de compétition ne soient pas trop différentes selon les régions.<br />Une caractéristique majeure de la base EcoPlant est de stocker des informations édaphiques et climatiques, couplée à des relevés floristiques effectués sur les mêmes sites. L'étude conjointe de la réponse écologique des espèces végétales vis-à-vis de facteurs climatiques et édaphiques a rarement été menée, puisque la majorité des études étudient la réponse climatique des espèces végétales. Nous illustrons l'importance de prendre en compte des variables édaphiques de nutrition dans les modèles de niche écologique et de distribution géographique des plantes terrestres, par la modélisation de l'écologie et de la distribution de l'Erable champêtre (Acer campestre L.) dans les forêts françaises.<br />L'ensemble des résultats met en évidence l'intérêt des bases de données importantes et écologiquement complètes telles qu'EcoPlant pour approfondir la connaissance des différentes dimensions de la niche écologique des espèces à l'échelle de vastes territoires.

Cette étude s'inscrit dans le cadre du contrat franco-allemand DEUFRAKO K2 associant la SNCF et la DEUTSCH BAHN sur l'étude du bruit généré par les trains à grande vitesse. Une cavité rectangulaire peu profonde est d'abord placée dans une soufflerie bas-bruit. Les visualisations pariétales de l'écoulement et les mesures anémométriques montrent que l'écoulement se rattache sur le fond de la cavité et décolle à nouveau au passage du bord aval. Les plus fortes fluctuations de pression pariétale instationnaire (mesurées par microphones) sont aussi observées au niveau du bord aval, région dans laquelle l'intensimétrie 3D localise principales sources acoustiques. Le rayonnement acoustique révèle un spectre large bande sans phénomène de couplage entre les champs aérodynamique et acoustique. Une maquette réaliste de la baignoire à l'échelle 1/7e a ensuite été conçue et placée dans une soufflerie subsonique. Des visualisations pariétales de l'écoulement montrent une structure d?écoulement 3D très complexe. Les mesures de fil chaud indiquent une plongée très rapide de la couche de cisaillement amont vers le fond de la baignoire ainsi qu'un jet vertical intense au niveau du bord aval. Les coefficients de pression en paroi restent quasiment uniformes dans la baignoire. L'analyse spectrale révèle deux régions comportant des modes de résonance auxquels s'ajoute le STROUHAL des pantographes. L'influence des pantographes est enfin simulée via leur modélisation par deux cylindres circulaires, d'écartement et d'incidence variables, placés dans la soufflerie bas-bruit. Les expériences dévoilent de forts couplages aéroacoustiques non-linéaires (feedback) évoluant suivant ces deux paramètres. Les analyses spectrale et bispectrale de la pression acoustique mesurée en champ lointain (microphone) ainsi que les visualisations et les champs de vitesses obtenus par PIV contribuent à l'interprétation de ces phénomènes. Les expériences de chaque étude sont comparées à des simulations numériques.

Nous nous intéressons à l'étude d'un problème d'analyse des transferts de chaleur qui modélise une opération de soudage. L'approche que nous considérons ne s'occupe que de la partie solide de la plaque. Elle consiste à résoudre un problème à frontière libre. Pour cela, nous proposons une formulation en optimisation de forme. Le problème d'état est gouverné par un opérateur qui, pour certaines données, n'est pas coercif. Cela complique l'étude de la continuité du problème d'état. Nous surmontons cette difficulté en utilisant le degré topologique de Leray-Shauder, ainsi nous montrons l'existence d'un domaine optimal. Ensuite, nous considérons une discrétisation de ce problème basée sur les éléments finis linéaires. Nous prouvons alors que le problème discret admet une solution et nous montrons qu'une sous-suite des solutions de ce problème convergence vers la solution du problème continu. Enfin, nous présentons des résultats numériques réalisés par deux méthodes : la méthode déterministe basée sur le calcul du gradient de forme, et les algorithmes génétiques combinés avec la logique floue et le calcul parallèle. Ainsi une étude comparative de ces deux méthodes aux niveaux qualitatif et quantitatif a été présentée.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation et la simulation de dispositifs nanoélectroniques innovants. Premièrement, nous dérivons formellement un modèle avec masse effective pour décrire le transport quantique des électrons dans des nanostructures très fortement confinées. Des simulations numériques illustrent l'intérêt du modèle obtenu pour un dispositif simplifié mais déjà significatif. La deuxième partie est consacrée à l'étude du transport non ballistique dans ces mêmes structures confinées. Nous analysons rigoureusement un modèle de drift-diffusion et puis nous décrivons et implémentons une approche de couplage spatial classique-quantique. Enfin, nous modélisons et simulons un nanodispositif de spintronique. Plus précisement, nous étudions le renversement d'aimantation dans un matériau ferromagnétique multi-couches sous l'effet d'un courant de spin.

Le sujet de cette thèse se situe à la frontière entre les mathématiques appliquées et la mécanique. Il s'agit d'étudier, sous un angle mathématique, des problèmes piézoélectriques, c'est à dire des problèmes couplant action mécanique et action électrique, en présence de contact et de frottement. On s'intéresse notamment à l'analyse variationnelle et numérique de ces problèmes. La thèse comporte quatre parties. La première partie contient l'ensemble des outils mathématiques, numériques et mécaniques nécessaires à une bonne compréhension du travail réalisé par la suite. La deuxième partie aborde deux problèmes statiques de contact frottant entre un corps électro-élastique et une fondation. Dans le cas des formulations primales des problèmes, nous prouvons l'existence, l'unicité, et la dépendance continue des solutions faibles, exprimées en termes de déplacements et de potentiel électrique. Une formulation duale équivalente au problème précédent, exprimée en termes de contraintes et de déplacement électrique, est étudiée pour laquelle des résultats d'existence et d'unicité sont établis. La troisième partie aborde deux modèles de contact piézoélectrique dans un cadre évolutif de type quasistatique. Pour chaque modèle, on présente un résultat d'existence. Dans la quatrième partie, le travail porte sur l'analyse numérique et les simulations par différences finies en temps (Euler implicite) et éléments finis en espace. Dans le cas statique, on traite un problème électro-élastique avec contact frottant de type compliance. Le problème discret est posé et les estimations a priori de l'erreur sont obtenues. Le problème est écrit sous forme d'un Lagrangien augmenté couplé à un algorithme de type Newton généralisé. S'ensuit une simulation numérique en dimension deux d'espace et des vérifications numériques de convergence. Des résultats similaires sont obtenus dans le cas d'un problème de contact quasistatique électro-viscoélastique.

Les matériaux magnétiques doux (Fe, Ni, Co, ... sous forme cristalline, polycristalline ou amorphe) sont utilisés en électrotechnique pour convertir l'énergie, guider les lignes de flux et transmettre des signaux. Leur principale caractéristique est de s'aimanter aisément. Ces matériaux sont aussi conducteurs et des courants sont induits en régime transitoire et périodique. Ces derniers peuvent être classiquement<br />diffusés à une échelle macroscopique mais aussi et surtout localement induits dans une microstructure magnétique en mouvement et réarrangement incessant. Ces effets d'amortissement et de pertes dynamiques ont plusieurs conséquences parfois difficilement prévisibles:<br />des pertes d'énergie, des temps de retard, de la distorsion de signal et de la rémanence. Nous nous intéressons à la recherche de modèles<br />fidèles dans le but de comprendre les propriétés des matériaux ferromagnétiques doux en régime statique et dynamique et de simuler avec précision le comportement des dispositifs électrotechniques. Nous choisissons de nous concentrer particulièrement sur l'effet des courants induits microscopiques en plus de ceux macroscopiques, puisqu'ils sont à l'origine des pertes en excès et de l'hystérésis dynamique qui sont observées expérimentalement.<br />Après avoir longuement étudié la problématique, les enjeux et les modèles existants; nous avons entrepris la construction d'une représentation des matériaux à l'échelle mésoscopique, intermédiaire entre l'échelle microscopique et macroscopique, utilisable aussi bien en Ingénierie des Matériaux qu'en simulation numérique type Eléments Finis. Pour ce, les équations de champs dans la matière ont été redérivées en présence des processus physiques dynamiques mis en jeu.<br />Ensuite nous nous sommes attachés à résoudre analytiquement certains problèmes simples pour appréhender les apports et limites de<br />notre modélisation. Il s'est agit de comparer la théorie à l'expérience et de caractériser des échantillons sur bancs de mesure normalisés.<br />Enfin, nous avons mis en oeuvre, à l'aide d'une méthode numérique (la Méthode des Eléments Finis), des formulations électromagnétiques 3-D et 2-D dédiées. Nous les avons testées sur des cas tests simples en les comparant systématiquement aux résultats standards et antérieurs, aux calculs analytiques et aux observations. Des premières configurations simples d'applications de sécurité électrique ont aussi été simulées et étudiées : un transformateur de courant et un actionneur électromécanique.