L'incidence rasante est un problème spécifique, qui apparaît notamment lorsqu'une antenne est placée sur un mât (télécommunications, défense...) ou sur la côte (surveillance environnementale ou militaire de l'espace maritime). Elle rend la modélisation du problème de diffraction difficile, de par le faible niveau de rétrodiffusion et l'importance de phénomènes complexes comme la diffusion multiple. La question reste importante même si l'écho est très faible, puisqu'il est potentiellement suffisant pour perturber le bon fonctionnement de systèmes antennaires microondes sur un navire. Il porte de plus des informations intéressantes sur l'état de la mer, comme cela a été démontré aux bandes HF et VHF. Un modèle rigoureux de diffraction tridimensionnelle précédemment développé est étendu au calcul des quatre polarisations fondamentales (polarisations Horizontale et Verticale des ondes incidente et réfléchie). Il permet désormais de prendre en compte la conductivité finie de la surface, point crucial dans le cas d'une polarisation incidente Verticale. L'opérateur hyper-singulier impliqué dans l'équation intégrale discrétisée par la méthode des moments est étudié pour évaluer la précision des calculs numériques.Les méthodes approchées de diffraction permettent des calculs numériques beaucoup plus rapides, et sont donc en pratique incontournables. Le modèle rigoureux est donc utilisé, en conjonction avec des données expérimentales, pour servir de référence permettant d'étudier la précision, en incidence rasante et dans le cas de la surface de la mer, de ces méthodes approchées. Nous étudions en particulier la méthode à deux échelles GOSSA, et proposons une correction à son comportement aux angles rasants.Le mouvement de la surface de la mer crée un décalage de fréquence radar dans l'onde rétrodiffusée (effet Doppler), décalage mesuré expérimentalement et que l'algorithme de méthode des moments permet de simuler. Nous étudions par des simulations bidimensionnelles l'évolution du décalage Doppler micro onde avec l'incidence, et l'influence des nonlinéarités de la surface de la mer. Le comportement limite en incidence rasante est précisé, et les contributions respectives des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques discutées.

Dans ce mémoire, nous présentons une étude à haute résolution de la spécularité d'un miroir atomique à onde évanescente. Pour cette étude, nous avons utilisé des transitions Raman sélectives en vitesse. Ces transitions sont doublement exploitées. On réalise d'une part, à l'aide de ces transitions, une sélection en vitesse sur le nuage issu d'un piège magnéto-optique. Cette sélection permet de collimater spatialement l'onde atomique incidente sur le miroir afin d'avoir une bonne résolution dans l'étude de la spécularité. A l'aide des transitions Raman, on sonde finement d'autre part la distribution en vitesse des atomes après le rebond. La mise en place expérimentale de ces transitions est d'abord décrite. On utilise des impulsions de type Blackman. Avec ce dispositif,une mesure de la spécularité d'un miroir atomique à onde évanescente est ensuite réalisée. Le rebond observé est compatible avec une réflexion spéculaire, à condition de choisir une onde évanescente suffisamment désaccordée par rapport à la transition atomique. Nous avons donné une limite supérieure de l'incertitude sur la mesure de la rugosité. Nous présentons également la mise en place d'une détection optique d'atomes froids induisant peu d'émission spontanée sur les atomes. Cette détection consiste à mesurer la phase induite par un échantillon d'atomes sur un faisceau laser en utilisant les techniques de spectroscopie par modulation de phase. Au cours de la détection, 80% des atomes n'absorbent aucun photon.

Les garnitures mécaniques sont des composants utilisés pour assurer l'étanchéité d'arbres tournants. Elles sont constituées principalement de deux anneaux plans (le rotor et le stator), dont l'interface, qui constitue la barrière d'étanchéité, est lubrifiée par un film fluide. Le fonctionnement optimal est obtenu en minimisant à la fois la fuite et l'usure. Cela correspond à une épaisseur de film de l'ordre du micromètre, et à un régime de lubrification mixte. L'étude bibliographique présentant l'état de l'art a permis de justifier l'utilisation d'une approche multi-échelles pour traiter le problème de lubrification mixte. Une autre partie de cette bibliographie a permis d'identifier les modèles thermiques à mettre en œuvre. Le modèle multi-échelles développé pour l'étude de la lubrification mixte des garnitures mécaniques est ensuite présenté. Ce dernier utilise les surfaces numériquement générées et consiste à décomposer le domaine d'étude en plusieurs sous-domaines. L'équation de Reynolds prenant en compte la cavitation dans le fluide est résolue par la méthode des volumes finis à l'échelle micrométrique dans les sous-domaines de même que le contact normal hertzien des aspérités. Une échelle macroscopique est introduite pour connecter les conditions aux limites aux bornes des sous-domaines. Un champ de pression macroscopique est ainsi obtenu en assurant la conservation globale du débit. Ce modèle prend également en compte, à l'échelle macroscopique, le comportement Thermo-Elasto-HydroDynamique (TEHD) dans les garnitures mécaniques. La discrétisation des équations de chaleur et de déformation est effectuée grâce à la méthode des éléments finis pour une géométrie axisymétrique. La validation du modèle multi-échelles est faite avec un modèle déterministe de lubrification mixte, d'une part, et d'autre part avec un modèle TEHD pour surfaces lisses précédemment développé au laboratoire. L'influence des paramètres caractérisant le comportement de la garniture est analysée au travers d'une étude paramétrique. Cette étude a permis d'identifier les différents régimes de lubrification dans lesquels l'épaisseur du film lubrifiant est contrôlée par la hauteur des rugosités ou par les déformations thermoélastiques des faces.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse s'intègre dans le domaine de la télédétection de l'environnement maritime. Il porte, d'une part sur l'étude de l'interaction d'une onde électromagnétique avec une surface maritime en présence d'une cible complexe et observée en configuration bistatique. D'autre part, le travail est complété par l'étude et l'analyse de l'influence sur cette interaction des différents paramètres à la fois liés à la cible et à l'environnement. Dans ce contexte d'étude, le présent travail s'articule autour de deux volets importants. Le premier vise l'étude et la simulation de la Surface Equivalente Radar (SER) d'une cible complexe placée dans un environnement marin. Et un deuxième volet applicatif qui traite l'imagerie radar ISAR d'une cible complexe. Afin de traiter le premier point, le modèle électromagnétique retenu est basé sur une combinaison de méthodes asymptotiques (Optique Physique (OP), Optique Géométrique (OG), Méthode des courants équivalents (MCE)) intégrant les phénomènes d'ombrage et les multitrajets. Afin d'introduire l'influence de la surface de mer sur la réponse électromagnétique de la cible dans son environnement, nous avons opté pour une représentation de la scène (cible+surface de mer) par un ensemble de facettes triangulaires. Dans ce cadre, la cible discrétisée par un maillage triangulaire est générée à l'aide d'un outil de CAO (CATIA V5), quant à la surface de la mer, elle est générée en utilisant le spectre de mer d'Elfouhaily (et le modèle de Debye pour la prise en compte des paramètres diélectriques de l'eau de mer). Enfin, afin d'appliquer la méthode développée dans le cadre de l'imagerie radar ISAR, le calcul de la SER de la cible navale a été effectué en considérant une nouvelle représentation de la cible en parallélépipèdes. La méthodologie proposée a été évaluée via des simulations ainsi que des expérimentations (dans la chambre anéchoïque de l'ENSTA Bretagne) sur un modèle générique d'un navire.

Lors d'un hypothétique accident grave de réacteur à eau sous pression, un mélange de matériaux fondus, appelé corium, issu de la fusion du cœur peut se relocaliser dans le puits de cuve constitué par un radier en béton. Les codes d'évaluation réacteur pour simuler la phénoménologie de l'interaction corium-béton sont basés sur une description à grande échelle des échanges qui soulève de nombreuses questions, tant sur la prise en compte des phénomènes multi-échelles mis en jeu que sur la structure adoptée de la couche limite au voisinage du front d'ablation. Dans ce contexte, l'objectif principal de ce travail consiste à aborder le problème de la structure de la couche limite par simulation numérique directe. Ce travail s'inscrit dans le cadre plus général d'une description et d'une modélisation multi-échelle des échanges, c'est-à-dire de l'échelle locale associée au voisinage du front d'ablation jusqu'à l'échelle du code d'évaluation réacteur. Une telle description multi-échelle des échanges soulève le problème de la description locale de l'écoulement multiphasique multiconstituant mais aussi le problème du changement d'échelle et en particulier le passage de l'échelle locale à l'échelle de description supérieure dite macroscopique associée aux mouvements convectifs dans le bain de corium. Parmi les difficultés associées au changement d'échelle, nous nous intéressons à la problématique de la construction de conditions aux limites effectives ou lois de parois pour les modèles macroscopiques. Devant la complexité du problème multiphasique multiconstituant posé au voisinage du front, cette contribution a été abordée sur un problème modèle. Des conditions aux limites dites effectives ont été construites dans le cadre d'une méthode de décomposition de domaine puis testées pour un problème d'écoulement laminaire de convection naturelle sur parois rugueuses. Mˆeme si le problème traité reste encore éloigné des applications visées, cette contribution offre de nombreuses perspectives et constitue une première étape d'une modélisation multiéchelle des échanges pour la problématique de l'interaction corium-béton. Dans le cas plus complexe des écoulements multiphasiques multiconstituants et devant les difficultés expérimentales associées, le développement de lois de parois pour les outils existants aux échelles de description supérieures nécessite, au préalable, de disposer d'un outil de simulation numérique directe de l'écoulement au voisinage du front d'ablation. L'outil développé dans ce travail correspond à un modèle de Cahn-Hilliard/Navier-Stokes pour un mélange diphasique (liquide-gaz) compositionnel (corium-béton fondu) s'appuyant sur une description du système selon trois paramètres d'ordre associés respectivement aux fractions volumiques du gaz et aux deux espèces miscibles de la phase liquide ainsi que sur une décomposition de l'énergie libre selon une contribution diphasique et compositionnelle. Les équations de transport sont dérivées dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles et résolues sur la base d'une application éléments finis de la plate-forme PELICANS. Plusieurs expériences numériques illustrent la validité et les potentialités d'application de cet outil sur des problèmes diphasiques et/ou compositionnels. Enfin, à partir de l'outil développé, nous abordons par simulation numérique directe une étude de la structure de la couche limite au voisinage du front d'ablation pour des bétons siliceux et silico-calcaire. / In the late phases of some scenario of hypothetical severe accident in Pressurized Water Reactors, a molten mixture of core and vessel structures, called corium, comes to interact with the concrete basemat. The safety numerical tools are lumped parameter codes. They are based on a large averaged description of heat and mass transfers which raises some uncertainties about the multi-scale description of the exchanges but also about the adopted boundary layer structure in the vicinity of the ablation front. In this context, the aim of this work is to tackle the problem of the boundary layer structure by means of direct numerical simulation. This work joins within the more general framework of a multi-scale description and a multi-scale modeling, namely from the local scale associated with the vicinity of the ablation front to the scale associated with the lumped parameter codes. Such a multi-scale description raises not only the problem of the local description of the multiphase multicomponent flow but also the problem of the upscaling between the local- and the macro-scale which is associated with the convective structures within the pool of corium. Here, we are particularly interested in the building of effective boundary conditions or wall laws for macro-scale models. The difficulty of the multiphase multicomponent problem at the local scale leads us to consider a relatively simplified problem. Effective boundary conditions are built in the frame of a domain decomposition method and numerical experiments are performed for a natural convection problem in a stamp shaped cavity to assess the validity of the proposed wall laws. Even if the treated problem is still far from the target applications, this contribution can be viewed as a first step of a multi-scale modeling of the exchanges for the molten core concrete issue. In the more complicated case of multiphase multicomponent flows, it is necessary to have a direct numerical simulation tool of the flow at the local scale to build wall laws for macro-scale models. Here, the developed tool corresponds to a Cahn-Hilliard/Navier-Stokes model for a two-phase compositional system. It relies on a description of the system by three volume fractions and on a free energy composed by a two-phase part and a compositional part. The governing equations are derived in the frame of the thermodynamic of irreversible processes. They are solved on the basis of a finite element application of the object-oriented software component library PELICANS. Several numerical experiments illustrate the validity and the potentialities of application of this tool on two-phase compositional problems. Finally, using the developed tool, we tackle by means of direct numerical simulation the problem boundary layer structure in the vicinity of the ablation front for limestone-sand and siliceous concretes.

L'étude de la propagation de la lumière à travers un milieu diffusant est un sujet de recherche d'une portée à la fois fondamentale et appliquée : - fondamentale pour l'étude des phénomènes de transport en général; - et appliquée par exemple pour évaluer les propriétés radiatives de revêtements (comme des peintures diffusantes), pour faire de l'imagerie à travers un milieu diffusant (tissus vivants) etc... De manière générale, la lumière est diffusée (scattered en anglais) lorsqu'elle se propage dans un milieu hétérogène. Du point de vue de la théorie électromagnétique, un milieu est dit hétérogène quand l'indice de réfraction varie spatialement. En principe, la solution exacte du problème s'obtient par la résolution numérique des équations de Maxwell, mais si le système hétérogène étudié dépasse en taille quelques longueurs d'onde, alors le nombre d'inconnues est beaucoup trop important pour que l'on puisse résoudre exactement le problème. Il est nécessaire de moyenner les propriétés de diffusion du système. Pour un milieu fortement diffusant, et de taille macroscopique, on peut décrire phénoménologiquement le transport de la lumière au moyen d'une équation de diffusion (diffusion en anglais) tout comme est décrit le transport de chaleur ou de masse. On peut aussi décrire le transport de la lumière au moyen d'une Equation de Transfert Radiatif (ETR) plus générale que l'équation de la diffusion. Cette équation, une fois résolue, donne des résultats qui sont en très bon accord avec l'expérience si les paramètres de cette équation sont correctement évalués.<br /><br />La majeure partie de cette thèse est consacrée à cet aspect : la détermination des paramètres de l'ETR pour un milieu contenant des particules de taille comparable à la longueur d'onde, aléatoirement disposées dans un milieu absorbant. Alors que les modèles pour l'obtention de ces paramètres décrits dans la littérature en présence d'absorption sont tous phénoménologiques, nous présentons une méthode basée sur une théorie de champ rigoureuse et qui permet de définir sans ambiguïté ces paramètres. Nous analysons par ailleurs le rôle des corrélations en milieu absorbant (diffusion dépendante).<br /><br />Nous nous intéressons aux milieux fortement chargés pour lesquels les corrélations sur les positions des diffuseurs jouent un rôle fondamental et rendent le calcul très complexe. Nous présentons les premiers pas d'une méthode numérique capable de prendre en compte toutes les corrélations entre les paires de particules, ce qui permet de calculer le coefficient d'extinction au delà de l'approximation de la diffusion indépendante.<br /><br />Enfin, nous cherchons à évaluer les propriétés radiatives d'un système couramment rencontré : celui d'une couche diffusante a la fois en surface et en volume. Nous étudions en particulier le rôle de la diffusion multiple entre l'interface rugueuse et le volume chargé.

Une onde évanescente lumineuse permet de réaliser un miroir à atomes, à condition que ceux-ci soient incidents avec une énergie cinétique suffisamment faible. Dans le régime de faible saturation, les atomes sont réfléchis de façon cohérente par un potentiel répulsif, le potentiel dipolaire. Nous caractérisons la réflexion d'un point de vue quantique, moyennant une solution analytique de l'équation de (\sc Schrödinger). La théorie de la diffraction d'atomes par une onde évanescente stationnaire est développée. Nous introduisons l'approximation du réseau de phase mince, valable dans le régime semi-classique, qui montre qu'en incidence normale la diffraction est efficace pour une faible modulation spatiale de l'intensité lumineuse. Pour interpréter la diffraction d'atomes en incidence rasante, il faut prendre en compte des transitions (\sc Raman) stimulées entre les sous-niveaux magnétiques. La réflexion atomique devient diffuse lorsque la rugosité de la surface du diélectrique, au-dessus de laquelle se propage l'onde évanescente, dépasse la longueur d'onde atomique incidente. La distribution angulaire des atomes diffusés donne accès à la densité spectrale de rugosité pour des échelles spatiales autour de la longueur d'onde lumineuse.

Ces travaux de recherche portent sur le développement d'un système original de fusion de données de diffusion électromagnétique et optique par des milieux denses et complexes. La méthode, à la fois théorique, numérique et expérimentale, permet la fusion des signatures de diffusion hyperspectrales, polarimétriques et angulaires d'un milieu d'étude. Un système expérimental multi-capteurs comprenant une source laser supercontinuum est présenté pour mesurer les signatures de diffusion de différentes cibles. Des modèles directs de simulation physique ont aussi été développés via : (i) une approche dite « top-down » qui modélise les signatures à partir de paramètres macroscopiques (ex. rugosité, indices optiques effectifs) ou (ii) une approche dite « bottom-up » qui modélise les signatures à partir de paramètres microscopiques (ex. distribution en taille, géométrie, concentration, indices optiques et structuration des diffuseurs) en résolvant soit l'équation de transfert radiatif ou directement les équations de Maxwell. Des méthodes inverses appliquées sur les signatures mesurées sont développées pour retrouver simultanément les paramètres d’intérêt du milieu analysé. Les avancées de ces travaux permettent une amélioration de la compréhension des phénomènes de diffusion électromagnétiques et optiques par des milieux denses et complexes tels que les surfaces rugueuses, les revêtements, les nanomatériaux, les suspensions colloïdales ou les agrégats fractals d'aérosols ultrafins. Les domaines d'applications de ces travaux sont l'aéronautique (ex. peintures d'aéronefs), l'imagerie aéroportée ou satellite (ex. imagerie active hyperspectrale ou polarimétrique), la sécurité et la défense (ex. matériaux pour la furtivité) ou bien les sciences de l'atmosphère (ex. systèmes LiDAR, suivi de pollution, suies), l'industrie chimique (ex. suspensions colloïdales) ou le biomédical (ex. diagnostic de tumeurs et mélanomes). / This work reports the development of an original data fusion system dedicated to electromagnetic and light scattering by dense and complex media. The dissertation encompasses the theoretical, numerical and experimental studies. The output of the data fusion system is a fused hyperspectral, polarimetric and angular scattering signature. An experimental multi-sensor and supercontinuum laser-based system is presented to measure the scattering signatures for various targets. Direct physical simulation models were developed using a two-level modelling scheme: (i) a top-down approach is used to model signatures from macro-physical parameters, e.g. the surface roughness or the effective refractive index and, (ii) a bottom-up approach is used to model signatures from microphysical parameters, e.g. the size distribution, the geometry, the concentration, the refractive index and the structuration of the scatterers, by solving the radiative transfer equation or directly the Maxwell's equations. Inversion schemes are deployed to retrieve these parameters by inverting the experimental signatures. The advancements described throughout this dissertation will serve to improve understanding of electromagnetic and light scattering by dense and complex media such as rough surfaces, coatings, nanomaterials, colloidal suspension and fractal aggregates of ultrafine aerosols. This study has relevant applications in fields as diverse as aeronautics (e.g. aircraft paint coatings), remote-sensing (e.g. hyperspectral, polarimetric, active or passive imaging), security and defense (e.g. furtive materials), atmospheric science (e.g. black carbon or soot characterization, LiDAR systems), chemical engineering (e.g. colloidal suspensions), or biomedical (e.g. tumor and melanoma diagnostic).

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse s’intègre bien dans le domaine de la télédétection de l’environnement maritime. Il porte notamment, d’une part sur l’étude de l’interaction d’une onde électromagnétique avec une surface maritime en présence d’une cible complexe et observée en configuration bi-statique. D’autre part l’étude est complétée par l’étude et l’analyse de l’influence des différents paramètres à la fois liés à la cible et aussi à l’environnement. Dans ce contexte d’étude, le présent travail s’articule autour de deux volets importants. Le premier vise l’étude et la simulation de la Surface Equivalente Radar(SER) d’une cible complexe placée dans son environnement maritime. Et un deuxième volet applicatif traite l’imagerie radar ISAR d’une scène observée, avec prise en compte des cibles présentes sur la surface. Afin de traiter le premier point, le modèle électromagnétique retenu est basé sur une combinaison de méthodes asymptotiques (Optique Physique (OP), Optique Géométrique (OG), Méthode des courants équivalents (MCE)). Pour l’étude de l’influence de la surface de mer sur la réponse électromagnétique de la cible, nous avons opté pour une représentation de la scène (cible+surface de mer) par un ensemble de facettes triangulaires. Dans ce cadre, la cible discrétisée par un maillage triangulaire est générée à l’aide d’un outil de CAO (CATIA V5), quant à la surface de la mer, elle est générée en utilisant le spectre de mer d’Elfouhaily (et le modèle de Debye pour la prise en compte des paramètres diélectriques de l’eau de mer). Enfin, pour l’application de l’imagerie radar ISAR, le calcul de la SER de la cible navale a été effectué en considérant une nouvelle représentation de la cible en parallélépipèdes. La méthodologie proposée a été évalué via des simulations ainsi que des expérimentations sur un modèle générique d’un navire. / The work presented here interset with remote sensing of the maritime environment.It espacially carried with the study of electromagnetic scattering by sea surface with the presence of the target. This study is done in bistatic configuration. So, it is completed by the analysis of the influence of various parameters related to the target and also to the environment. In this context, this work focuses on two important parts. The first is the study and simulation of Radar Cross Section (RCS) of a complex target placed in the maritime environment.And the second part deals with the application of ISAR radar imagery of an observed scene, with consideration of target on the sea surface. We have opted for a combination between Physical Optics (PO), Geometrical Optics (GO) and Equivalent Edge Currents (ECM) (POGO/ EMC) to estimate the RCS. In order to take into account the infuence of sea surface, we have genereted a 2D sea surface from the Elfouhaily spectrum. In order to integrate the target into the scenario (the target in its environment, radar imagery), we propose a parallelepiped representation of the naval taget and RCS calculation. The proposed methodology was evaluated through simulations and measurements on a generic model of a ship.