Ce travail de thèse rentre dans le cadre du développement de modèles multi‐échelles de simulation de colonne d’absorption gaz‐liquide pour des applications de captage de CO2 en vue d’optimiser leur design. Il est le fruit d’une collaboration entre IFP Énergies nouvelles et l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse. Les colonnes à garnissages représentent une technologie essentielle aux applications d’absorption gaz‐liquide. Dans les procédés de captage de CO2 aux amines, le solvant liquide s’écoule sur les parois du garnissage, idéalement sous forme de film ruisselant mouillant toute la surface disponible, le gaz, en régime turbulent, venant le cisailler à contre‐courant de manière à promouvoir un transfert de CO2 de la phase gaz vers la phase liquide. Un écoulement le plus homogène possible permet d’avoir les meilleures performances de transfert. Toutefois, l’expérience montre que des maldistributions, notamment de la phase liquide, peuvent apparaître même en cas de bonnes distributions en entrée de colonne. La distribution du liquide est régie par un phénomène de « dispersion » dont l’étude et la modélisation représentent le principal objet de cette thèse. Pour ce faire, ce travail de thèse s’appuie sur des travaux expérimentaux, réalisés sur une installation d’IFPEN à Lyon, et sur des travaux numériques réalisés dans l’équipe Interface de l’IMFT. Le premier axe de l’étude abordé a ainsi consisté en l’acquisition de données originales de distribution de liquide en partant d’une configuration d’alimentation sous forme d’un jet central en tête de colonne et ce pour deux types de garnissages métalliques : un garnissage structuré, le Mellapak 250.X et un garnissage vrac, l’IMTP. 40. La méthode de tomographie gamma a été mise en œuvre afin de mesurer l’atténuation d’un flux photonique par le liquide en mouvement ce qui permet d’établir des cartes de rétention locale de liquide sur une section de colonne. Les profils de rétention résultants ont été ensuite exploités afin de caractériser la dispersion de liquide dans le système pour des régimes d’écoulement allant des plus faibles aux plus fortes interactions gaz‐liquide. Ces résultats ont permis de développer un modèle simple d’advection diffusion faisant appel à un paramètre hydrodynamique clé qui est le « coefficient de dispersion », qui reproduit bien l’étalement du jet de liquide. Dans le cas du garnissage Mellapak 250.X nous avons pu mettre en évidence une dispersion qui est régie essentiellement par la géométrie du milieu. / This work is done within the framework of collaboration between IFPEN and l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT). It takes place in the general context of optimization of industrial gas‐liquid packed columns dedicated to CO2 capture using multi‐scale simulation approach of hydrodynamics and transfer. The main objective of this study is to develop predictive model for liquid dispersion in two‐phase flows in packed beds operating in the counter‐current mode. This model will help simulate the flow at the macro‐scale of a packed column. Packed columns are widely used for gas/liquid absorption processes since they generate subsequent exchange surface between phases with limited pressure drop. In the particular case of amine process, the two‐phase flow in the packing consists in thin trickling liquid films sheared by counter‐current gas flow that circulates in communicating tortuous channels. It is widely recognized that homogeneous flow ensures good separation performances. This is far from being the case at industrial scale since maldistributions, especially for liquid phase, do occur even with optimized liquid and gas distributors in the column inlets. Liquid distribution results from “dispersion” phenomenon which modelling is not fully handled in literature. Prediction of liquid dispersion has been the main objective of this Ph.D. research. This study is based upon two main approaches: an experimental study carried out using a 40 cm in diameter column operating in IFPEN (Lyon) and a numerical study carried out in Interface team in IMFT. The first part of this research focused on measuring spatial distribution of liquid hold‐up over different sections of the packed bed using a gamma ray tomography system. In order to focus into liquid dispersion phenomenon, a point source liquid feeding configuration was considered. Hold‐up maps obtained from photonic flux attenuation measurements were then used to characterize liquid dispersion from a source point for both packings (Mellapak 250.X and IMTP. 40) using a relatively simple advection‐diffusion model.

De nombreux domaines utilisent à présent de nouveaux types de grilles composées de polyèdres arbitraires, autrement dit des grilles fortement non-structurées. La problématique de cette thèse concerne la définition de nouveaux outils de visualisation et de calcul sur de telles grilles. Pour la visualisation, cela pose à la fois le problème du stockage et de l'adaptativité des algorithmes à une géométrie et une topologie variables. Pour le calcul, cela pose le problème de la résolution de grands systèmes linéaires creux non-structurés. Pour aborder ces problèmes, l'augmentation incessante de la puissance de calcul parallèle des processeurs graphiques nous fournit de nouveaux outils. Toutefois, l'utilisation de ces GPU nécessite de définir de nouveaux algorithmes adaptés aux modèles de programmation parallèle qui leur sont spécifiques. Nos contributions sont les suivantes : (1) Une méthode générique de visualisation tirant partie de la puissance de calcul des GPU pour extraire des isosurfaces à partir de grandes grilles fortement non-structurées. (2) Une méthode de classification de cellules qui permet d'accélérer l'extraction d'isosurfaces grâce à une pré-sélection des seules cellules intersectées. (3) Un algorithme d'interpolation temporelle d'isosurfaces. Celui-ci permet de visualiser de manière continue dans le temps l'évolution d'isosurfaces. (4) Un algorithme massivement parallèle de résolution de grands systèmes linéaires non-structurés creux sur le GPU. L'originalité de celui-ci concerne son adaptation à des matrices de motif arbitraire, ce qui le rend applicable à n'importe quel système creux, dont ceux issus de maillages fortement non-structurés / This thesis proposes new tools for visualization and computation on strongly unstructured grids. Visualization of such grids that have variable geometry and topology, poses the problem of how to store data and how algorithms could handle such variability. Doing computations on such grids poses the problem of solving large sparse unstructured linear systems. The ever-growing parallel power of GPUs makes them more and more valuable for handling theses tasks. However, using GPUs calls for defining new algorithms highly adapted to their specific programming model. Most recent algorithms for Geometry Processing or Computational Fluid Dynamics (CFD) are using new types of grids made of arbitrary polyhedra, in other words strongly unstructured grids. In case of CFD simulations, these grids can be mapped with scalar or vector fields representing physical properties (for example : density, porosity, permeability). Our contributions are: (1) An efficient generic visualization method that uses GPU's power to accelerate isosurface extraction for large unstructured grids. (2) An adaptative cell classification method that accelerates isosurface extraction by pre-selecting only intersected cells. (3) An efficient algorithm for temporal interpolation of isosurfaces. This algrithm helps to visualize in a continuous maner the evolution of isosurfaces through time. (4) A massively parallel algorithm for solving large sparse unstructured linear systems on the GPU. Its originality comes from its adaptation to sparse matrices with random pattern, which enables to solve any sparse linear system, thus the ones that come from strongly unstructured grids

L'automatique est une discipline qui traite entre autres de la commande et du diagnostic des systèmes industriels. Une première étape à l'obtention de schémas de commande et de diagnostic est d'analyser les propriétés du système considéré. Les principales propriétés analysées sont la commandabilité, l'observabilité, la diagnosticabilité, la stabilité... Des critères, souvent basés sur des approches algébriques ou géométriques, permettent de caractériser ces propriétés. En outre, des travaux publiés dans les années 1970 ont permis d'introduire une nouvelle représentation de systèmes à base de graphes orientés. De ces travaux, il résulte que l'approche graphique fournit des solutions simples et est ainsi très bien adaptée pour analyser des systèmes de grande dimension et/ou incertains. Malheureusement, peu de travaux basés sur des méthodes graphiques traitent des systèmes non linéaires. Par notre travail, nous avons souhaité combler ce manque en étudiant les propriétés d'observabilité et de diagnosticabilité des systèmes bilinéaires structurés à l'aide d'une approche graphique. Des conditions graphiques nécessaires et suffisantes d'observabilité de l'ensemble et d'une partie de l'état d'un système sont formulées. Par la suite le problème de placement de capteurs est abordé afin de recouvrer les propriétés d'observabilité. Enfin, nous nous sommes focalisés sur la propriété de diagnosticabilité. Après avoir donné une condition graphique nécessaire et suffisante de solubilité du problème de détection de défauts, nous avons alors étudié différents cas particuliers de commande afin de donner des conditions de solubilité au problème actif de détection de défauts.

Dans ce travail, on étudie les problèmes de localisation et de classification des capteurs pour des propriétés génériques - propriétés valables pour presque toutes les valeurs des paramètres. Lorsqu'une propriété donnée du système n'est pas vérifiée avec l'ensemble des capteurs, on cherche à implanter de nouveaux capteurs pour rendre la propriété vraie. Lorsqu'une propriété est vérifiée avec l'ensemble des capteurs existants, on classe les capteurs en fonction de leur criticité relativement à la propriété. La thèse caractérise les capteurs essentiels, ceux qui doivent être sans défaut. La défaillance d'un de ces capteurs essentiels fait perdre la propriété. Les capteurs inutiles qui peuvent tomber en panne sans aucun impact sur la propriété sont également caractérisés. Cette approche a été appliquée à deux propriétés: l'observabilité et le rejet de perturbation par retour de mesure. Tous les résultats ont été obtenus par une approche graphique et sont simple à implanter numériquement.

La nature de sources d'information évolue, et les documents numériques<br />traditionnels ” plats ” ne contenant que du texte s'enrichissent d'information<br />structurelle et multimédia. Cette ´évolution est accélérée par l'expansion du<br />Web, et les documents semi-structurés de type XML (eXtensible Markup Language)<br />tendent à former la majorité des documents numériques mis à disposition<br />des utilisateurs. Le développement d'outils automatisés permettant un<br />accès efficace à ce nouveau type d'information numérique apparaît comme une<br />nécessité. Afin de valoriser au mieux l'ensemble des informations disponibles,<br />les méthodes existantes de Recherche d'Information (RI) doivent être adaptées.<br />L'information structurelle des documents peut en effet servir à affiner le concept<br />de granule documentaire. Le but pour les Systèmes de Recherche d'Information<br />(SRI) est alors de retrouver des unités d'information (et non plus de documents)<br />pertinentes à des requêtes utilisateur. Afin de répondre à cette problématique<br />fondamentale, de nouveaux modèles prenant en compte l'information structurelle<br />des documents, tant au niveau de l'indexation, de l'interrogation que de<br />la recherche doivent être construits.<br />L'objectif de nos travaux est de proposer un modèle permettant d'effectuer des<br />recherches flexibles dans des corpus de document semi-structurés. Ceci nous<br />a conduit à proposer le mod`ele XFIRM (XML Flexible Information Retrieval<br />Model ) reposant sur : (i) Un modèle de représentation des donn´ees générique,<br />permettant de modéliser des documents possédant des structures différentes ;<br />(ii) Un langage de requête flexible, permettant à l'utilisateur d'exprimer son<br />besoin selon divers degrés de précision, en exprimant ou non des conditions<br />sur la structure des documents ; (iii) Un modèle de recherche bas´ee sur une<br />m´ethode de propagation de la pertinence. Ce modèle a pour but de trouver les<br />unités d'information les plus exhaustives et spécifiques répondant à une requête<br />utilisateur, que celle-ci contienne ou non des conditions de structure. Les documents<br />semi-structurés peuvent être représentés sous forme arborescente, et<br />le but est alors de trouver les sous-arbres de taille minimale répondant à la<br />requête. Les recherches sur le contenu seul des documents sont effectuées en<br />prenant en compte les importances diverses des feuilles des sous-arbres, et en<br />plaçant ces derniers dans leur contexte, c'est à dire, en tenant compte de la<br />pertinence du document. Les recherches portant à la fois sur le contenu et la<br />structure des documents sont effectuées grâce à plusieurs propagations de pertinence<br />dans l'arbre du document, et ce afin d'effectuer une correspondance<br />vague entre l'arbre du document et l'arbre de la requête.<br />L'´evaluation de notre modèle, grâce au prototype que nous avons d´eveloppé,<br />montre l'intérêt de nos propositions, que ce soit pour effectuer des recherches<br />sur le contenu seul des documents que sur le contenu et la structure.

Les algorithmes les plus récents de traitement numérique de la géométrie ou bien encore de simulation numérique de type CFD (Computational Fluid Dynamics) utilisent à présent de nouveaux types de grilles composées de polyèdres arbitraires, autrement dit des grilles fortement non-structurées. Dans le cas de simulations de type CFD, ces grilles peuvent servir de support à des champs scalaires ou vectoriels qui représentent des grandeurs physiques (par exemple : densité, porosité, perméabilité). La problématique de cette thèse concerne la définition de nouveaux outils de visualisation et de calcul sur de telles grilles. Pour la visualisation, cela pose `a la fois le problème du stockage et de l'adaptativité des algorithmes `a une géométrie et une topologie variables. Pour le calcul, cela pose le problème de la résolution de grands systèmes linéaires creux non-structurés. Pour aborder ces problèmes, l'augmentation incessante ces dernières années de la puissance de calcul parallèle des processeurs graphiques nous fournit de nouveaux outils. Toutefois, l'utilisation de ces GPU nécessite de définir de nouveaux algorithmes adaptés aux modèles de programmation parallèle qui leur sont spécifiques. Nos contributions sont les suivantes : (1) Une méthode générique de visualisation tirant partie de la puissance de calcul des GPU pour extraire des isosurfaces à partir de grandes grilles fortement nonstructurées. (2) Une méthode de classification de cellules qui permet d'accélérer l'extraction d'isosurfaces grâce à une pré-sélection des seules cellules intersectées. (3) Un algorithme d'interpolation temporelle d'isosurfaces. Celui-ci permet de visualiser de manière continue dans le temps l'évolution d'isosurfaces. (4) Un algorithme massivement parallèle de résolution de grands systèmes linéaires non-structurés creux sur le GPU. L'originalité de celui-ci concerne son adaptation à des matrices de motif arbitraire, ce qui le rend applicable `a n'importe quel système creux, dont ceux issus de maillages fortement non-structurés.

Etude du concept de document en vue de l'intégration des textes dans les bases de données. Les documents comportent des aspects externes permettant leur classement et leur recherche, ainsi que des aspects internes. Les documents sont regroupés selon des types, définis en fonction de leur structure. La présentation physique des documents imprimés que l'on produit peut être liée à leur structure. Deux réalisations pratiques sont décrites.

L'objet de cette thèse est la formulation, l'étude de modèles<br />structurés de croissance cellulaire dans un chemostat, appareil de culture de micro-organismes en laboratoire, et l'estimation de certaines variables d'état pour ces modèles. Après de bref rappels sur la biologie des espèces considérées et la présentation du dispositif expérimental, nous introduirons les modèles classiques utilisés pour décrire le chemostat ainsi que les modèles structurés prenant en compte la division cellulaire notamment. Nous construirons et étudierons alors deux modèles en équations différentielles ordinaires de dimension 3 mettant en valeur la croissance et la division d'une cellule. Nous<br />terminerons cette partie par la construction et l'étude d'un modèle basé sur des réactions biochimiques décrivant le stockage d'une cellule. La deuxième partie de cette thèse concerne l'estimation de certaines variables d'état. Ainsi, les notions d'observabilité et d'observateur seront introduites. Des observateurs classiques seront construits pour les modèles de croissance décrits dans la première partie. Enfin, comme en biologie les modèles sont souvent mal connus, nous construirons des estimateurs hybrides, donnant les variables d'état non mesurables en utilisant les variables mesurées et la connaissance partielle du modèle. Nous terminerons ces deux parties par d'autres applications possibles.

Les travaux de cette thèse ont pour cadre l'édition de documents électroniques multimédia en considérant en tout premier lieu leur dimension temporelle (enchaînement des objets dans le temps). L'objectif concerne à la fois l'intégration de cette nouvelle dimension dans la structure globale d'un document (logique, spatiale et hypertexte) et l'intégration d'objets de base qui ont eux-mêmes une dimension temporelle (vidéo, audio, interactions de l'utilisateur ..). Les documents visés sont donc multimédia, temporisés et interactifs. Notre étude a porté tout d'abord sur la définition d'un langage temporel multimédia. Celui-ci permet de spécifier, de façon déclarative, le scénario temporel d'un document en s'appuyant sur des résultats obtenus dans le domaine de la satisfaction de contraintes temporelles et de la planification. Nous avons ensuite conçu des mécanismes d'analyse qui permettent la vérification de la cohérence d'une spécification tout en prenant en compte trois aspects essentiels aux systèmes multimédia : l'incrémentalité, l'efficacité, et la gestion de l'indéterminisme. Nous proposons des mécanismes de synthèse qui permettent alors le calcul d'une solution qui sera exploitée par le système de présentation. Celui-ci permet, à partir d'un automate d'états finis extrait du graphe temporel de contraintes, d'exécuter la présentation multimédia et de contrôler dynamiquement son déroulement. Enfin, nous présentons l'ensemble des résultats à travers leur application concrète au sein d'un outil d'édition et de présentation appelé Madeus.

Un schéma compact de haute précision basé sur le résidu (RBC) a été développé au laboratoire SINUMEF pour la simulation numérique d'écoulements compressibles en maillages structurés. Certaines proriétés intéressantes font de ce schéma un bon choix pour les calculs d'écoulements compressibles. L'objectif de cette thèse est donc de développer un schéma basé sur le résidu (RB) en maillages non-structurés avec une précision d'ordre élevé. A cette fin, deux approches ont été explorées. La première est basé sur la méthode des volumes finies en non-structuré et conduit à un schéma basé sur le résidu appelé FV-RB. Le seconde approche s'appuie sur une nouvelle formulation spatiale dite volumes spectraux (SV) et mène au schéma SV-RB. Le schéma FV-RB a été développé à l'ordre 2 et 3. Avec cette version du schéma, de nombreux cas tests sont calculés: écoulement d'un fluide parfait et visqueux, subsonique, transonique et hypersonique, stationnaire et instationnaire, en 2D et en 3D. Une analyse de la précision et du coût de calcul est effectuée pour le schéma FV-RB. Dans la seconde approche, un schéma SV-RB est développé à l'ordre 2 et 3 pour résoudre le problème d'advection pure et les équations d'Euler. A travers quelques cas tests, une comparaison de la précision et l'efficacité est effectuée entre le schéma RB et un solveur de Riemman classique, et entre deux formulations du schéma RB développés ici.