Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte général de l'étude des processus dynamiques intervenant dans les étoiles tels que la convection, la rotation ou le champ magnétique et de leurs interactions non-linéaires. Les résultats de simulations numériques obtenus avec le code 2D éléments finis STELEM et le code pseudo-spectral 3D ASH sont présentés. La première partie de cette thèse concerne la modélisation globale de la dynamo solaire, mécanisme de régénération du champ magnétique. Via des simulations numériques 2D utilisant la théorie des champs moyens, j'ai pu étudier l'influence d'une circulation méridienne au profil complexe dans les modèles de Babcock-Leighton. Même si ces modèles sont capables de reproduire une période de 22 ans, de nombreuses caractéristiques du cycle telles que la migration des taches solaires vers l'équateur sont perdues. Nous montrons que des doutes peuvent être formulés sur la capacité de ces modèles à rendre compte du fonctionnement réel de la dynamo solaire. Dans l'objectif de mieux contraindre les effets de la variabilité du cycle solaire sur le climat terrestre, nous présentons ensuite un premier effort d'application en physique solaire de techniques de prédiction sophistiquées utilisées en météorologie. J'ai également pu effectuer les premiers calculs MHD 3D en géométrie sphérique d'une des étapes clés de la dynamo : l'évolution non-linéaire de structures magnétiques de la base de la zone convective vers la surface où elles émergent sous forme de régions actives. Les effets globaux de la force de courbure magnétique et des écoulements moyens sont pris en compte. Des champs faibles sont susceptibles d'être modulés par les mouvements convectifs, favorisant ainsi l'émergence à des longitudes privilégiées. Nous montrons qu'il est nécessaire de prendre en compte l'effet de la convection dans l'angle de tilt et non d'expliquer la loi de Joy uniquement par la rotation et la force de Coriolis induite. L'introduction d'une atmosphère dans ces modèles est une étape vers une vision 3D globale du Soleil.

Les travaux présentés concernent l'étude analytique et numérique de différents modèles cinétiques appliqués à plusieurs domaines, plus particulièrement : aux neurosciences computationelles et à la volcanologie. Les points communs à ces sujets de recherche sont : - l'utilisation des équations aux dérivées partielles pour l'écriture des modèles mathématiques en partant d'une description microscopique du phénomène, - leur résolution numérique par des schémas déterministes, - une importante interaction avec les collègues bio et géo-physiciens. Les travaux effectuées en collaboration avec les collègues de géophysique (ISTO, Orléans), proposent une description statistique de l'évolution d'une population de bulles de gaz dans un fluide très visqueux. Cette modélisation souligne l'importance de la prise en compte de la coalescence de bulles et ouvre la voie à plusieurs axes de recherche en mathématique et en volcanologie. Les résultats obtenus en neurosciences computationelles sont basés sur des travaux récents concernant les systèmes d'équations stochastiques lents-rapides. Ils permettent de réduire un problème bidimensionnel, nécessitant des moyens de calcul importants, à un modèle unidimensionnel dont la solution d'équilibre est explicite.

L'origine de certains champs magnétiques stellaires observés et leur impact sur l'évolution des étoiles sont mal compris. C'est particulièrement vrai dans le cas des étoiles de masse intermédiaire de la séquence principale. Des relevés spectropolarimétriques récents ont en effet révélé l'existence d'une dichotomie magnétique inexpliquée, de 2 ordres de grandeur en terme de champ longitudinal, entre le fort champ des étoiles Ap/Bp et le faible champ des étoiles Vega-like. Le but de cette thèse est de tester la possibilité que cette dichotomie magnétique soit liée, comme proposé par Aurière el al. (2007), au développement d'instabilités magnétohydrodynamiques (MHD) dans la zone radiative des étoiles de masse intermédiaire. Pour cela, j'ai réalisé des simulations numériques MHD 2D et 3D qui permettent de suivre l'évolution d'un champ magnétique axisymétrique soumis initialement à une rotation différentielle dans une zone stratifiée de façon stable puis de considérer le développement d'instabilités MHD non-axisymétriques. L'influence de différents paramètres physiques des simulations, comme l'intensité initiale du champ magnétique poloïdal, le profil de rotation différentielle, la valeur des coefficients de diffusion ou encore l'importance de la stratification stable, a été testée. L'analyse des résultats des simulations montre que des instabilités MHD comme l'instabilité magnétorotationnelle et celle de Tayler peuvent se déclencher dans une zone radiative en rotation différentielle. En accord avec le scénario de Aurière et al. (2007), ces instabilités se développent assez pour modifier la structure spatiale à grande échelle d'un champ magnétique si l'intensité initiale du champ poloïdal est suffisamment faible par rapport à l'intensité initiale de la rotation différentielle. Le champ longitudinal calculé pour nos simulations les plus instables est diminué de 15% par rapport à un cas stable. Ce travail de thèse montre donc que les instabilités MHD sont des possibles candidats pour expliquer le désert magnétique des étoiles de masse intermédiaire de la séquence principale. / The origin of some of the observed stellar magnetic fields and their impact on stellar evolution are not well understood. This is particularly true for the main sequence intermediate-mass stars. Recent spectropolarimetric surveys have indeed exhibited an unexplained magnetic dichotomy, of 2 orders of magnitude in term of the longitudinal field, between the strong field of Ap/Bp stars and the weak field of Vega-like stars. This thesis aims to test the possibility that this magnetic dichotomy is linked to the development of magnetohydrodynamic (MHD) instabilities in the radiative zone of intermediate-mass stars, as proposed by Aurière et al. (2007). To do that, I have performed 2D and 3D MHD numerical simulations that allow to follow the evolution of an axisymetric magnetic field which is initially submitted to a differential rotation in a stably stratified zone and then to consider the development of non-axisymetric MHD instabilities. The influence of different physical parameters of the simulations, as the initial strength of the poloidal magnetic field, the differentially rotating profile, the diffusion coefficient values or the effect of the stable stratification, has been tested. The analysis of the simulation results show that MHD instabilities as the magneto-rotational instability or the Tayler instability can be triggered in a differentially rotating radiative zone. In agreement with the scenario of Aurière et al. (2007), these instabilities are enough developed to modify the large scale spatial structure of a magnetic field if the initial strength of the poloidal field is sufficiently weak with respect to the initial strength of the differentially rotation. The computed longitudinal field in our most unstable simulations is reduced by 15% with respect to a stable case. Therefore, this thesis work shows that the magnetic instabilities are possible candidates to explain the magnetic desert of the main sequence intermediate-mass stars.

Cette thèse doctorale se focalise sur l'étude du procédé d'usinage au moyen de l'outil numérique de calcul par Eléments finis (MEF). Concrètement, il s'agit d'étudier les phénomènes thermomécaniques qui ont lieu, lors de l'opération d'arrachement de matière, à l'interface et qui contrôlent le type de contact entre l'outil et le copeau. Pour cela, un modèle numérique de coupe orthogonale sous la formulation ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) a été développé avec le code de calcul par MEF Abaqus/Explicit. Plusieurs études paramétriques ont été menées à bien pour découpler les effets des variables locales, tant sur les résultats macroscopiques (forces...), comme dans la zone de l'interface (température...). Les résultats numériques montrent que ce sont les effets combinés du type de modèle de frottement implémenté à l'interface, avec l'adoucissement thermique du matériau, qui conditionnent l'apparition du type de contact collant, et par conséquent, régissent le contact outil/copeau. On propose deux nouveaux modèles de frottement variable en fonction de la vitesse, pour améliorer la définition du frottement à l'interface. D'autre part, la validité du modèle numérique est vérifiée en observant une bonne corrélation entre les forces numériques obtenues, et les forces de coupe expérimentales obtenues pour le même matériau et dans les mêmes conditions de coupe / This doctoral thesis is focused on the study of the process of machining by means of the numerical tool for calculation by Finite Element Method (FEM). Concretely, it is a question of studying the thermomechanical phenomena which take place, during an operation of material removal, at the interface and that control the type of contact between the tool and the chip. for that, a numerical model of orthogonal cutting under the ALE formulation (Arbitrary Lagrangian Eulerian) was developed with the code Abaqus/Explicit. Several parametric studies were carried out to uncouple the effects of the local variables, on the macroscopic results (forces...), as in the interface (temperature...). The numerical results show that in fact the combined effects of the type of the implemented friction model at the interface, both with the thermal softening of the material, condition the appearence of the sticking contact, and consequently, govern the tool/chip contact type. Two new models of variable friction with to velocity are proposed, to improve the definition of friction in the interface. Finally, the validity of the numerical model is checked by observing a good correlation between the obtained numerical forces, and the experimental cutting forces obtained for same material and under the same cutting conditions

Les vagues de tsunami sont des ondes longues générées par des événements géophysiques impulsifs de la croûte terrestre, de volcans, d’impacts d’astéroïdes et de glissements de terrain. Si la majorité des tsunamis sont d'origine tectonique, l'effondrement en masse d'un relief côtier peut constituer une source importante de l’aléa tsunami. Après une brève introduction sur les différentes générations de tsunamis dans l'histoire et les enjeux de cette thèse, le chapitre 1 présente les principaux résultats bibliographiques sur la génération et la propagation de tsunamis, ainsi qu’un rappel sur l’établissement des équations s’appliquant à l’étude des vagues extrêmes. Le second chapitre est dédié à la présentation des différents codes numériques utilisés dans ce manuscrit, à savoir, Gerris et SPHysics. Le chapitre 3 s'intéresse à la génération de tsunami par l’impact d’un bloc solide. Les résultats expérimentaux sont comparés aux résultats numériques des deux codes. A partir de là, une étude systématique a été faite, menant à des lois d’échelles sur le temps d’arrivée et l’amplitude de la première vague générée. Dans le chapitre 4, les interactions entre le glissement de terrain et la vague générée sont étudiées expérimentalement à l'aide d'impact granulaire initialement sec dans l'eau. Une étude systématiques des différents paramètres met en lumière l'importance des propriétés du glissement sur la vague générée. Enfin, Le chapitre 5 est dédié à l’étude de l’effondrement du Cap Canaille à Cassis. Cette étude numérique utilise un modèle de génération et de propagation simplifié afin d'estimer le potentiel destructeur d'un éventuel effondrement majeur. / Tsunami waves are long waves generated by impulsive geophysical events of earth's crust, volcanoes, asteroids impacts or landslides. Even if most of the tsunamis are generated by submarine earthquakes, the massive collapse of coastal landscape may constitute an important source of tsunami hazard. After introducing historical tsunami events, chapter 1 presents a state-of-the-art on the generation and propagation of tsunami waves and the main equations dealing with extreme water waves. Chapter 2 presents the numerical codes used in this thesis: Gerris and SPHysics. Chapter 3 focuses on the generation of tsunami by a solid landslide. Experimental results are compared to numerical simulations obtained using both codes. From this results, we derive scaling laws on the arrival time and amplitude of the first generated wave. The chapter 4 deals with the interactions between the slide and the generated wave by taking into account the impact of an initially dry granular media into water. Systematic studies varying the different parameters exhibit the significance of the internal properties of the slide on the generated wave. Finally, chapter 5 is dedicated to the collapse of the Cap Canaille near Cassis. A idealized model for the generation and the propagation are used to estimate the hazard associated to such a massive collapse.

La fenêtre pariéto-dynamique est un système « passif » de récupération de chaleur. Son principe de fonctionnement consiste à faire circuler l’air neuf de ventilation entre les lames de verre avant son introduction dans le volume habitable. Une partie de la chaleur traversant les vitrages est alors récupérée par l’écoulement d’air. La fenêtre Paziaud® est une fenêtre pariéto-dynamique particulière, composée de trois vitrages séparés par des lames d’air ventilées qui forment un conduit en U. Alors que la mise en place d’un système de ventilation double flux est complexe dans un contexte de réhabilitation, ce type de fenêtre présente une alternative intéressante moyennant un surcoût d’environ 20% par rapport à une fenêtre double vitrage classique mais permettant une récupération de chaleur non négligeable.Afin de caractériser les performances de la fenêtre Paziaud®, des études numériques et expérimentales ont été entreprises et ont confirmé le potentiel du dispositif. Par ailleurs, la prise en compte de ce genre de système dans les codes de simulation thermique des bâtiments n’est pas satisfaisante. Pour répondre à ce besoin, ont été développés plusieurs modèles simplifiés basés sur un bilan thermique représentable par analogie électrique. Une attention particulière a été portée sur le traitement des échanges convectifs dans les lames d’air. Les résultats ont permis de valider un modèle simplifié, qui pourra être utilisé par la suite dans un code de thermique de l’habitat. / The ventilated window is a passive system of heat recovery. It draws fresh air circulating between window’s glasses from the outside to the inside. A part of the heat which crosses the glasses is then recovered by the air flow. The Paziaud® window is composed of three glasses separated by ventilated air spaces in U-shape. While the implementation of a double-flow ventilation system for the housing retrofitting is complex, this Paziaud® window costs only 20% more than a conventional double-glazed window but improves significantly the heat recovery.In order to study the performance of the Paziaud® window, numerical and experimental works have been undertaken and have confirmed the potentiality of such windows. However, a thermal code able to take into account the heat exchange is not available for such system. Considering this lack of simulations, several simplified models based on electrical analogy have been developed. Particular attention is paid to the convective exchange process in the ventilated air spaces. The numerical results could validate a simplified thermal model which can be integrated to the building codes.

Il s’agit d’étudier les effets du TEL du rayonnement, d’un soluté (oxygène, antioxydant, scavengers...) et d’une géométrie de confinement sur les processus physiques et chimiques. Nos études sur la production de radicaux libres en fonction de la pression d’oxygène et du TEL du rayonnement nous ont permis de noter une similitude entre la production des radicaux O2- / HO2 et l’effet oxygène décrit en radiothérapie. Ces résultats confortent l’idée que ce couple de radicaux pourraient jouer un rôle dans l’effet oxygène (radiothérapie) et expliqueraient la disparition de cet effet à haut TEL (hadronthérapie). Nous avons aussi montré que cette similitude persistait en présence de Glutathion (antioxydant majoritaire dans le noyau cellulaire) / -

Les virus sont connus pour infecter toutes les classes d’organismes vivants sur Terre, qu’elles soient végétales ou animales. Les virions consistent en un génome d'acide nucléique protégé par une enveloppe protéique unique ou multicouche appelée capside et, dans certains cas, par une enveloppe de lipides. La capside virale est généralement composée de centaines ou de milliers de protéines formant des structures ordonnées. La moitié des virus connus présentent une symétrie icosaédrique, les autres étant hélicoïdaux, prolats ou de structure irrégulière complexe. Récemment, les particules virales ont attiré une attention croissante en raison de leur structure extrêmement régulière et de leur utilisation potentielle pour la fabrication de nanostructures ayant diverses fonctions. Par conséquent, la compréhension des mécanismes d'assemblage sous-jacents à la production de particules virales est non seulement utile au développement d'inhibiteurs à des fins thérapeutiques, mais elle devrait également ouvrir de nouvelles voies pour l'auto-assemblage de matériaux supramoléculaires complexes. À ce jour, de nombreuses études expérimentales et théoriques sur l'assemblage de virus ont été effectuées. Des recherches expérimentales ont permis d'obtenir de nombreuses informations sur l'assemblage du virus, y compris les conditions appropriées requises pour l'assemblage et les voies cinétiques. En combinant ces informations et méthodes théoriques, une première compréhension du mécanisme d'assemblage des virus a été élaborée. Cependant, les informations provenant uniquement d'expériences ne peuvent donner une image complète, en particulier à l'échelle microscopique. Par conséquent, dans cette thèse, nous avons utilisé des simulations informatiques, y compris des techniques de Monte Carlo et de la dynamique moléculaire, pour sonder l’assemblage du virus, dans l’espoir de mieux comprendre les mécanismes moléculaires en jeu. / Viruses are known for infecting all classes of living organisms on Earth, whether vegetal or animal. Virions consist of a nucleic acid genome protected by a single or multilayered protein shell called capsid, and in some cases by an envelope of lipids. The viral capsid is generally made of hundreds or thousands of proteins forming ordered structures. Half of all known viruses exhibit an icosahedral symmetry, the rest being helical, prolate or having a complex irregular structure. Recently, viral particles have attracted an increasing attention due to their extremely regular structure and their potential use for fabricating nanostructures with various functions. Therefore, understanding the assembly mechanisms underlying the production of viral particles is not only helpful to the development of inhibitors for therapeutic purpose, but it should also open new routes for the self-assembly of complex supramolecular materials. To date, numerous experimental and theoretical investigations on virus assembly have been performed. Through experimental investigations, a lot of information have been obtained on virus assembly, including the proper conditions required for the assembly and the kinetic pathways. Combining those information and theoretical methods, an initial understanding of the assembly mechanism of viruses has been worked out. However, information coming purely from experiments cannot give the whole picture, in particular at a microscopic scale. Therefore, in this thesis, we employed computer simulations, including Monte Carlo and molecular dynamics techniques, to probe the assembly of virus, with the expectation to gain new insights into the molecular mechanisms at play.