The International Electrotechnical Commission (IEC) standard 61400-1 for the design of wind turbines does not explicitly address site-specific conditions associated with anomalous atmospheric events or conditions. Examples of such off-standard atmospheric conditions include thunderstorm downbursts, hurricanes, tornadoes, low-level jets, etc. This study is focused on the simulation of thunderstorm downbursts using a deterministic-stochastic hybrid model and the prediction of wind turbine loads resulting from these simulated downburst wind fields. The wind velocity field model for thunderstorm downburst simulation is first discussed; in this model, downburst winds are generated separately from non-turbulent and turbulent parts. The non-turbulent part is based on an available analytical model (with some modifications), while the turbulent part is simulated as a stochastic process using standard turbulence power spectral density functions and coherence functions. Tower and rotor loads are generated using simulation of the aeroelastic response for models of utility-scale wind turbines. The main objective is to improve our understanding from the point of view of design so that we may begin to address transient events such as thunderstorm downbursts based on the simulations carried out in this research study. The study discusses as well the role of control systems (for blade pitch and turbine yaw), of models for representing transient turbulence characteristics, and of correlated demand and loads on multiple units in turbine arrays during thunderstorm downbursts. / text

Cette thèse a pour sujet la biologie cellulaire, et plus particulièrement l'organisation interne des cellules eucaryotes. Bien que les différents acteurs régissant cette organisation aient été en grande partie identifiées, on ignore encore comment une architecture si complexe et dynamique peut émerger de simples interactions entres molécules. Un des objectifs des différentes études présentées dans cette thèse est de construire un cadre théorique permettant d'appréhender cette auto-organisation. Pour cela, nous étudions des problèmes spécifiques à différentes échelles allant du nanomètre (dynamique des hétérogénéités dans les membranes biologiques) au micromètre (organisation des organelles cellulaires), en utilisant des simulations numériques stochastiques et des méthodes analytiques. Le texte est organisé pour présenter les résultats des plus petites au plus grandes échelles. Dans le premier chapitre, nous étudions l'organisation de la membrane d'un seul compartiment en modélisant la dynamique d'hétérogénéités membranaires. Dans le second chapitre, nous étudions la dynamique d'un compartiment unique échangeant des vésicules avec le milieu extérieur. Nous étudions également comment deux compartiments différents peuvent être générés par les mêmes mécanismes d'échanges de vésicules. Enfin, dans le troisième chapitre, nous développons un modèle global de la dynamique des organelles cellulaires, dans le contexte particulier de la biogenèse de l'appareil de Golgi. / This thesis deals with cell biology, and particularly with the internal organization of eukaryotic cells. Although many of the molecular players contributing to the intra-cellular organization have been identified, we are still far from understanding how the complex and dynamical intra-cellular architecture emerges from the self-organization of individual molecules. One of the goals of the different studies presented in this thesis is to provide a theoretical framework to understand such self-organization. We cover specific problems at different scales, ranging from membrane organization at the nanometer scale to whole organelle structure at the micron scale, using analytical work and stochastic simulation algorithms. The text is organized to present the results from the smallest to the largest scales. In the first chapter, we study the membrane organization of a single compartment by modeling the dynamics of membrane heterogeneities. In the second chapter we study the dynamics of one membrane-bound compartment exchanging vesicles with the external medium. Still in the same chapter, we investigate the mechanisms by which two different compartments can be generated by vesicular sorting. Finally in the third chapter, we develop a global model of organelle biogenesis and dynamics in the specific context of the Golgi apparatus

While wind energy has witnessed faster growth than any other renewable energy source in recent years, two issues—the decreasing availability of large land expanses for new wind farms and transmission difficulties arising from siting wind farms in remote regions far from load centers—have slowed down this growth considerably. Siting wind turbines offshore places the generating capacity closer to population and load centers; thus, reducing grid congestion. Also, at offshore sites, one can expect higher wind speeds, decreased turbulence, and reduced noise and visual impact constraints. Offshore wind turbines that have been built thus far have had foundations (such as monopiles or jacket structures) that have extended to the seabed. Such offshore wind turbines have thus been confined to shallow waters closer to the shore. Sites farther offshore provide better wind resources (i.e., less turbulence and smoother, stronger winds) while also reducing visual impact, noise, etc. However, deeper waters encountered at such sites make bottom-supported turbines less economical. Wind turbines mounted atop floating platforms are, thus, being considered for deeper water offshore sites. Various floating platform concepts are under consideration; the chief differences among them arise from the way they provide stability to counter the large mass of the rotor-nacelle assembly located high above the mean water level. Of these alternative concepts, the spar buoy platform is a deep draft structure with a low center of gravity, below the center of buoyancy. Reliability analysis of a spar buoy-supported floating offshore 5MW wind turbine based on stochastic simulation is the subject of this study. Environmental data from a selected deepwater reference site are employed in the numerical studies. Using time-domain simulations, the dynamic behavior of the coupled platform-turbine system is studied; statistics of tower and rotor loads as well as platform motions are estimated and critical combinations of wind speed and wave height identified. / text

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Les calcaires hémipélagiques du Sud-Est de la France sont caractérisés par de faibles valeurs de porosité et de perméabilité. Ces caractéristiques permettent de considérer ces roches comme de potentiels analogues des réservoirs pétroliers non-conventionnels ou des aquifères fissurés. Ces réservoirs sont d’une importance capitale dans le contexte économique actuel. Néanmoins, l’exploitation de ce type de réservoir représente des risques industriels et des challenges techniques qui doivent être gérés pour réduire leur empreinte sur l’environnement.Ce travail apporte une quantité significative de nouvelles données et des méthodes pour caractériser les réservoirs carbonatés non-conventionnels. Il démontre l’importance des figures de compaction (stylolites, microstylolites et faisceaux de pression-dissolution) sur la capacité de stockage des fluides dans ce type de réservoir. Il montre aussi que l’évolution diagénétique des sédiments carbonatés hémipélagiques dépend de processus précoces (cimentations précoces, compaction différentielle) et éventuellement de réactivations plus tardives (inversion de contraintes tectoniques). Le couplage des modèles 3D avec les géostatistiques apparaît comme un protocole valide et rapide pour identifier les éléments clef (faciès, fractures et stylolites) qui jouent un rôle dans la distribution des hétérogénéités pétrophysiques des réservoirs non-conventionnels. Cette méthode permet aussi de générer des modèles équiprobable de corps géologiques fracturés et perméables permettant de possible investigations sur la distribution des zones d’écoulement préférentiels. / Hemipelagic limestones from the South-East of France are characterized by low values of porosity and permeability that allow considering these rocks as potential analogs to unconventional oil and gas reservoirs or fissured aquifers. These reservoirs are of primary importance in today’s economical context where the energy and the water’s demands grow with the increase in the world population. Nevertheless, the industrial exploitation of such reservoirs faces series of environmental risks and technical challenges that require to be managed in order to reduce their footprint on the environment.This work brought a significant amount of new data on unconventional carbonate reservoirs. It highlights how important compaction features (stylolites, microstylolites, solution seams) may be to fluids storage in such reservoirs. It shows that the diagenetic evolution of hemipelagic carbonate sediments depends on both early processes (sorting, early cementation, differential compaction) and eventual late reactivations (under tectonic stress inversion for example). Coupling three-dimensional modeling with geostatistics appear as an accurate and fast protocol to identify key elements (facies, fractures and stylolite) that play a role in the petrophysical heterogeneity of such unconventional reservoirs. This method also allows identifying equiprobable models of fractures geobodies and investigating the distribution of flow preferential pathways.

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L'objectif de cette thèse vise à améliorer la définition des vibrations (« mouvement sismique ») sur des sites « durs » (sédiments raides ou rochers) liés à des scénarios (séismes de magnitude entre 5 et 6.5, distances inférieures à 50 kilomètres) représentatifs du contexte métropolitain français. Afin de contraindre ces mouvements sismiques sur sites « durs », une base de données accélérométriques a été construite, à partir des enregistrements accélérométriques japonais K-NET et KiK-net qui ont l'avantage d'être publiques, nombreux et de grande qualité. Un modèle de prédiction des mouvements sismiques (spectre de réponse en accélération) a été conçu à partir de cette nouvelle base. La comparaison entre modèles théoriques et observations montre la dépendance des vibrations sur sites rocheux à la fois aux caractéristiques de vitesse du site (paramètre classique décrivant la vitesse des ondes S dans les 30 derniers mètres) et aux mécanismes d'atténuation hautes fréquences (un phénomène très peu étudié jusque-là). Ces résultats confirment une corrélation entre ces deux mécanismes (les sites rocheux les plus mous atténuent plus le mouvement sismique à hautes fréquences) et nous proposons un modèle de prédiction du mouvement sismique prenant en compte l'ensemble des propriétés du site (atténuation et vitesse). Les méthodes nouvelles de dimensionnement dynamiques non linéaires (à la fois géotechniques et structurelles) ne se satisfont pas des spectres de réponse mais requièrent des traces temporelles. Dans le but de générer de telles traces temporelles, la méthode stochastique non stationnaire développée antérieurement par Pousse et al. 2006 a été revisitée. Cette méthode semi-empirique nécessite de définir au préalable les distributions des indicateurs clés du mouvement sismique. Nous avons ainsi développé des modèles de prédiction empiriques pour la durée de phase forte, l'intensité d'Arias et la fréquence centrale, paramètre décrivant la variation du contenu fréquentiel au cours du temps. Les nouveaux développements de la méthode stochastique permettent de reproduire des traces temporelles sur une large bande de fréquences (0.1-50 Hz), de reproduire la non stationnarité en temps et en fréquence et la variabilité naturelle des vibrations sismiques. Cette méthode présente l'avantage d'être simple, rapide d'exécution et de considérer les bases théoriques de la sismologie (source de Brune, une enveloppe temporelle réaliste, non stationnarité et variabilité du mouvement sismique). Dans les études de génie parasismique, un nombre réduit de traces temporelles est sélectionné, et nous analysons dans une dernière partie l'impact de cette sélection sur la conservation de la variabilité naturelle des mouvements sismiques. / The aim of this thesis is to improve the definition of vibrations ("seismic motion") on "hard" sites (hard soils or rocks) related to scenarios (earthquakes of magnitude between 5 and 6.5, distances less than 50 km) representative of the French metropolitan context.In order to constrain the seismic motions on "hard" sites, an accelerometric database was built, from the K-NET and KiK-net Japanese recordings which have the benefit of being public, numerous and high quality. A ground motion prediction equation for the acceleration response spectra was developed from this new database. The comparison between theoretical models and observations shows the dependence of vibration on rock sites in both the velocity characteristics of the site (classical parameter describing the S-wave velocity in the last 30 meters) and the high frequency attenuation mechanisms (a phenomenon little studied up to now). These results confirm a correlation between these two mechanisms (the high frequency seismic motion is more attenuated in the case of softer rock sites) and we propose a ground motion prediction equation taking into account all the properties of the site (attenuation and velocity).New methods of nonlinear dynamic analysis (both geotechnical and structural) are not satisfied with the response spectra but require time histories. To generate such time histories, the non-stationary stochastic method previously developed by Pousse et al. (2006) has been revisited. This semi-empirical method requires first to define the distributions of key indicators of seismic motion. We have developed empirical models for predicting the duration, the Arias intensity and the central frequency, parameter describing the frequency content variation over time. New developments of the stochastic method allow to reproduce time histories over a wide frequency band (0.1-50 Hz), to reproduce the non-stationarity in time and frequency and to reproduce the natural variability of seismic vibrations. This method has the advantage of being simple, fast and taking into account basic concepts of seismology (Brune's source, a realistic envelope function, non-stationarity and variability of seismic motion). In earthquake engineering studies, a small number of time histories is selected, and we analyze in the last part the impact of this selection on the conservation of the ground motion natural variability.

Self-organizing patterns arise in a variety of ways in nature, the complex patterning observed on animal coats is such an example. It is already known that the mechanisms responsible for pattern formation starts at the developmental stage of an embryo. However, the actual process determining cell fate has been, and still is, unknown. The mathematical interest for pattern formation emerged from the theories formulated by the mathematician and computer scientist Alan Turing in 1952. He attempted to explain the mechanisms behind morphogenesis and how the process of spatial cell differentiation from homogeneous cells lead to organisms with different complexities and shapes. Turing formulated a mathematical theory and proposed a reaction-diffusion system where morphogens, a postulated chemically active substance, moderated the whole mechanism. He concluded that this process was stable as long as diffusion was neglected; otherwise this would lead to a diffusion-driven instability, which is the fundamental part of pattern formation. The mathematical theory describing this process consists of solving partial differential equations and Turing considered deterministic reaction-diffusion systems.   This thesis will start with introducing the reader to the problem and then gradually build up the mathematical theory needed to get an understanding of the stochastic reaction-diffusion systems that is the focus of the thesis. This study will to a large extent simulate stochastic systems using numerical computations and in order to be computationally feasible a compartment-based model will be used. Noise is an inherent part of such systems, so the study will also discuss the effects of noise and morphogen kinetics on different geometries with boundaries of different complexities from one-dimensional cases up to three-dimensions.

La prédiction des mouvements du sol générés par un séisme est un enjeu majeur pour la prise en compte du risque sismique. C’est l’un des objectifs du projet SIGMA dans le cadre duquel j’ai réalisé ma thèse. Celle-ci se compose de deux parties. La première se concentre sur la dépendance à la magnitude de la décroissance des paramètres des mouvements du sol avec la distance. Celle-ci est un sujet de préoccupation aussi bien pour l’utilisation des relations d’atténuation (GMPEs), que pour les méthodes basées sur l’utilisation de petits évènements en tant que fonctions de Green empiriques. Nous avons démontré qu’aux distances les plus faibles (inférieures à la longueur de la faille), l'effet de saturation dû aux dimensions de la faille est prépondérant. Aux distances plus importantes, l'effet de l’atténuation anélastique devient prépondérant. Nous avons donc montré qu’il pouvait être délicat de mélanger des données de différentes régions dans les GMPEs, et validé l’utilisation des fonctions de Green empiriques à toutes les distances. Dans la deuxième partie sont testées 3 différentes méthodes de simulations dans un contexte complexe : un code combinant une source étendue en k2 et des EGFs, un code point-source EGFs et un code stochastique. Nous avons choisi de travailler sur le séisme de magnitude Mw 5.9 (29 mai 2012) situé dans un bassin sédimentaire profond (la plaine du Po), et qui a engendré des sismogrammes souvent dominés par les ondes de surface. On y démontre que sans connaissance à priori du milieu de propagation, les méthodes basées sur des EGF permettent de reproduire les ondes de surface, les valeurs de PGA, de PGV, ainsi que les durées des signaux générés. / The prediction of ground motion generated by an earthquake is a major issue for the consideration of seismic risk. This is one of the objectives of SIGMA project in which I realized my thesis. It consists of two parts. The first focuses on the magnitude dependence of the ground motion parameters decay with distance. This is a concern both for the use of relation of attenuation (GMPEs) than methods based on the use of small events as empirical Green functions. We have shown that as the shorter distances (less than the length of the fault), the saturation effect due to the fault size is preponderant. For larger distances, it’s the eanelastic attenuation effect which becomes predominant. So we have shown that it can be tricky to mix data from different regions in GMPEs and we validated the use of empirical Green functions at every distance. In the second part are tested three different simulation methods in a complex context: a code combining finite fault source in k2 and EGFs, a point-source code with EGFs and a stochastic code. We chose to work on the Mw 5.9 earthquake (May 29, 2012) which occurs in a deep sedimentary basin (the Po plain), and which has generated seismograms often dominated by surface waves. We show that without a priori knowledge of the propagation medium, methods based on EGFs can reproduce surface waves, the values of PGA, PGV, and the durations of the signals generated.