Le groupe de recherche Instabilités et Méthodes Numériques Spécifiques mène ses activités dans le développement d’outils numé- riques pour la résolution de problèmes non linéaires en utilisant, no- tamment, la Méthode Asymptotique Numérique (MAN). Basée sur le couplage d’une méthode de perturbation et de discrétisation spa- tiale, la MAN est efficace et permet de déterminer précisément les transitions telles que, par exemple, la perte d’unicité de la solution. L’objectif de ce travail de thèse est de proposer des méthodes numé- riques alternatives à la fois robustes, performantes pour la résolution des équations de Navier-Stokes. Nous nous intéressons à l’analyse de bifurcation stationnaire, mais aussi à la simulation d’écoulement dépendant du temps. Dans un premier temps, des techniques d’analyse de bifurcation nu- mérique pour des problèmes stationnaires à très grand nombre de degrés de liberté sont décrites. Nous implémentons ces techniques, basées sur la MAN, dans le logiciel open-source multi-physique ELMER . Nous détaillons l’implémentation des méthodes d’analyse de bifurcation stationnaire telles que la continuation de branches solutions, les techniques de détection des valeurs critiques du pa- ramètre de charge et les changements de branche en un point de bifurcation stationnaire. L’émergence d’une progression géométrique dans les termes de séries MAN à l’approche d’une singularité est dé- crite. Des discussions sont proposées pour le cas de bifurcations par brisure de symétrie. Les méthodes proposées dans ce travail sont validées en utilisant des cas référencés dans la littérature, tels que des écoulements dans des conduites à expansion/contraction sou- daine. Une étude paramétrique permet de présenter de nouveaux ré- sultats pour les écoulements tridimensionnels dans une expansion brusque. L’utilisation de librairies de calculs intensifs rend possible la réalisation d’analyse de bifurcation pour des modèles à très grand nombre de degrés de liberté, en des temps de calcul abordables. Dans un deuxième temps, des solveurs d’ordre élevé sont proposés pour la simulation d’écoulements instationnaires. Une technique d’homotopie à combinaison convexe et une technique de pertur- bation, sont couplées à un schéma d’intégration temporelle pour résoudre les équations instationnaires de Navier-Stokes. Le cas d’un écoulement bidimensionnel autour d’un cylindre fixe est étudié. Ce problème de référence nous permet de valider et discuter des amélio- rations proposées. De cette manière, nous confirmons, au cours des essais numériques, qu’il est possible de réduire les temps de cal- cul en évitant des assemblages d’opérateurs et des résolutions de systèmes linéaires qui n’apportent aucune information supplémen- taire pour la qualité des solutions. De plus, un nouvel éclairage est apporté sur l’utilisation des approximants de Padé par rapport aux travaux antérieurs. L’utilisation de ces solveurs non linéaires nous permet de réduire significativement le nombre de factorisations de matrice en les conservant valides pour un grand nombre de pas de temps, et parfois sur le domaine temporel complet. De nombreuses perspectives sont envisagées, notamment pour l’analyse des séries pour le cas d’un point limite, la bifurcation de Hopf, l’étude d’autre cas d’écoulements tridimensionnels, le couplage fluide-structure. De même, l’association des techniques MAN aux techniques de réductions de modèles et l’analyse de stabilité des orbites périodiques sont envisageables. / The research group "Instabilités et Méthodes Numériques Spéci-fiques" operates in the development of numerical tools for solving nonlinear problems by using, in particluar, the Asymptotic Numer- ical Method (ANM). Based on coupling a perturbation method and a spatial discretization, the ANM is effective and makes it possible to precisely determine the transitions such as, for example, loss of uniqueness of the solution. The objective of this thesis is to offer al- ternative numerical methods both robust and effective, for solving the Navier-Stokes equations. We are interested in steady bifurcation analysis, and in time dependent flow simulation .Initially, numerical bifurcation analysis techniques for steady flow problems in very large number of degrees of freedom are de- scribed. These techniques, based on the ANM, are implemented in the multiphysics ELMER open-source software. We detail the im- plementation of the steady bifurcation analysis methods such as continuation of solution branches, detection of load parameter critical values and branch switching at steady bifurcation point. The emer- gence of a geometric progression in ANM series terms in the vicinity of a singularity is described. Discussions are proposed for the case of symmetry breaking bifurcations. The methods described in this the- sis are validated using reference cases of the literature, such as flow in pipe with sudden expansion/contraction. New results for three- dimensional flow in a sudden expansion, are obtained according to a parametric study. The use of high performance computing libraries makes possible the bifurcation analysis for models with high number of degrees of freedom, in affordable computing times. Secondly, high-order solvers are proposed for the simulation of un- steady flows. Homotopy with convex combination and a perturba- tion technique, are coupled to a time integration scheme in order to solve the unsteady Navier-Stokes equations. The case of two- dimensional flow around a fixed cylinder is studied. This reference problem allows us to validate and discuss proposed improvements. In this way, we confirm, in the numerical tests, that it is possible to reduce the computation time by avoiding operators assembly and resolution of unuseful linear systems in respect to the solution quality. In addition, new lighting is provided on the use of Padé approximants over previous work. The use of these nonlinear solvers allows us to significantly reduce the number of matrix factorization retaining them valid for many time steps, and sometimes on the complete time do- main. Many opportunities are envisaged, in particular the analysis of ANM series for the case of limit point, the Hopf bifurcation, the study of other cases of three-dimensional flow, the fluid-structure interaction. Similarly, the combination of ANM models with reduction techniques f stable periodic orbits are possible.

Orientadores: Stefano De Leo, Luis Eduardo Evangelista de Araújo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-27T16:22:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Araujo_ManoelPedrode_D.pdf: 1955745 bytes, checksum: d09312f15b1d058162aef061fcfc0682 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Esta tese apresenta uma análise sobre o deslocamento de Goos-Hänchen, o desvio angular da lei de Snell e o efeito de interferência entre feixes ópticos gaussianos. Em nosso estudo o deslocamento de Goos-Hänchen foi obtido por meio do método da fase estacionária. No regime de incidência crítica, tal deslocamento apresenta uma forte dependência com a largura do feixe, em contraste com as expressões clássicas de Artmann, que predizem um deslocamento infinito. Também na incidência crítica, observamos que, dependendo da magnitude da largura da cintura do feixe, ocorre uma quebra de simetria na distribuição de momento. A maximização da quebra de simetria leva ao desvio angular da lei de Snell. Mostramos como reproduzir a máxima quebra de simetria por uma estrutura dielétrica. Como resultado, obtivemos uma nova fórmula analítica para o desvio angular. Ademais, foi possível estimar o deslocamento de Goos-Hänchen por meio do efeito de interferência entre feixes. Nesta análise, observamos que, na incidência crítica, a estimativa usada na literatura para o deslocamento de Goos-Hänchen não é válida. Portanto, uma nova fórmula foi introduzida para estimar tal deslocamento / Abstract: This thesis presents some of the main phenomena associated with Goos-Hanchen shift, the angular deviation of the Snell¿s law and the interference effect among Gaussian optical beams. In our study the Goos-Hänchen shift was obtained by using the stationary phase method. In the case of incidence at critical angle, such displacement shows a strong dependence on the beam width in contrast with the classical expressions of Artmann, which predict an infinite displacement. Also in the critical incidence we observed that, depending on the magnitude of the beam waist, there is a symmetry breaking in the momentum distribution. The maximization of symmetry breaking leads to the angular deviations of the Snell¿s law. In this analysis we showed how to maximize this breaking of the symmetry by a dielectric structure. As a result, we obtained an analytical formula to the Snell¿s law angular deviation. Furthermore, we could estimate the displacement of Goos- Hänchen through the interference effect among beams. The results of this analysis reveal that, for the critical incidence, the estimative used in the literature for the Goss-Hänchen shift is not valid. Therefore, a new formula was introduced to estimate such displacement. / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

abstract: The Atlantic razor clam burrows underground with effectiveness and efficiency by coordinating shape changings of its shell and foot. Inspired by the burrowing strategy of razor clams, this research is dedicated to developing a self-burrowing technology for active underground explorations by investigating the burrowing mechanism of razor clams from the perspective of soil mechanics. In this study, the razor clam was observed to burrow out of sands simply by extending and contracting its foot periodically. This upward burrowing gait is much simpler than its downward burrowing gait, which also involves opening/closing of the shell and dilation of the foot. The upward burrowing gait inspired the design of a self-burrowing-out soft robot, which drives itself out of sands naturally by extension and contraction through pneumatic inflation and deflation. A simplified analytical model was then proposed and explained the upward burrowing behavior of the robot and razor clams as the asymmetric nature of soil resistances applied on both ends due to the intrinsic stress gradient of sand deposits. To burrow downward, additional symmetry-breaking features are needed for the robot to increase the resistance in the upward burrowing direction and to decrease the resistance in the downward burrowing direction. A potential approach is by incorporating friction anisotropy, which was then experimentally demonstrated to affect the upward burrowing of the soft robot. The downward burrowing gait of razor clams provides another inspiration. By exploring the analogies between the downward burrowing gait and in-situ soil characterization methods, a clam-inspired shape-changing penetrator was designed and penetrated dry granular materials both numerically and experimentally. Results demonstrated that the shell opening not only contributes to forming a penetration anchor by compressing the surrounding particles, but also reduces the foot penetration resistance temporally by creating a stress arch above the foot; the shell closing facilitates the downward burrowing by reducing the friction resistance to the subsequent shell retraction. Findings from this research shed lights on the future design of a clam-inspired self-burrowing robot. / Dissertation/Thesis / Video for section A1 of APPENDIX A / Video for section A2 of APPENDIX A / Video for section A3 of APPENDIX A / Video for section B8 of APPENDIX B / Doctoral Dissertation Civil, Environmental and Sustainable Engineering 2020

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22451号 / 工博第4712号 / 新制||工||1736(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科材料化学専攻 / (主査)教授 田中 勝久, 教授 田中 功, 教授 陰山 洋 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Malgré son impressionnant succès, le modèle standard de la physique des particules ne rend pas compte de toutes les observations expérimentales. De plus, des interrogations théoriques intrinsèques à sa formulation demeurent et requièrent des explications plus fondamentales. Par conséquent, au lieu d'être une théorie ultra-violette, le modèle standard doit plutôt être vue comme une description effective, valide à basse énergie, d'une théorie plus fondamentale et de la nouvelle physique devrait être introduite. On considère deux approches pour introduire la nouvelle physique. Dans la première, on étend le modèle standard avec seulement quelques nouveaux états en assumant que les états plus lourds sont découplés de l'échelle électro-faible. Cette approche est principalement phénoménologique car par hypothèse, les extensions que l'on considère sont une manifestation à basse énergie d'une théorie plus complète. On se concentre en particulier sur de nouveaux fermions car ils sont une prédiction commune à un ensemble de théories au delà du modèle standard fortement motivés. L'objet principal de cette approche est d'étudier l'effet de ces nouveaux fermions à la lumière des mesures récentes des couplages du Higgs. La seconde approche est plus théorique, elle est basée sur une théorie ultra-violette. On se concentre sur le modèles de Higgs composite qui ont pour vocation de résoudre le problème de hiérarchie de l'échelle électro-faible. Les modèles de Higgs composite étant réalisés dans le cadre d'un nouveau secteur fortement couplé constitué de nouveaux fermions fondamentaux, on étudie la dynamique non-perturbative avec le modèle de Nambu et Jona-Lasinio. On dérive par exemple dans ce contexte le spectre des résonances les plus légères que l'on pourra peut-être observer dans un proche futur au LHC ou à d'autre collisionneurs. / Despite its impressive success, the standard model of particle physics does not account for every experimental observations.In addition, it has some theoretical puzzles in its formulation that seem to require more fundamental explanations.Then, instead of an ultra-violet complete theory, the standard model should rather be viewed as an effective description of a more fundamental theory and new physics should be introduced.We follow two different approaches of new physics.In the first one, we extend the standard model by only few new states assuming that the heavier states are decoupled from the electro-weak scale.This approach is mostly phenomenological as by hypothesis the extensions that we consider are a low energy manifestation of a more complete theory.We particularly focus on new fermions as they are a common prediction of a lot of well-motivated beyond the standard model theories.The main purpose is to study the effect of these new fermions in light of the recent Higgs couplings measurements.%The second approach has a more theoretical origin and is based on an ultra-violet complete theory.We focus on composite Higgs models that aim to solve one theoretical puzzle of the standard model, that is, the hierarchy problem of the electro-weak scale.The composite Higgs paradigm being realised by a new strongly interacting sector made of new fundamental fermions, we study the non-perturbative dynamics using the Nambu and Jona-Lasinio model.We derive for instance the spectrum of the lightest resonances which could be observed in a near future at the LHC or at some other colliders.

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京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18052号 / 理博第3930号 / 新制||理||1567(附属図書館) / 30910 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 松田 祐司, 准教授 芝内 孝禎, 教授 石田 憲二 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18447号 / 理博第4007号 / 新制||理||1578(附属図書館) / 31325 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 畑 浩之, 教授 川合 光, 准教授 市川 温子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20174号 / 理博第4259号 / 新制||理||1612(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 菅沼 秀夫, 教授 國廣 悌二, 教授 川合 光 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

付記する学位プログラム名: 京都大学卓越大学院プログラム「先端光・電子デバイス創成学」 / 京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第24401号 / 理博第4900号 / 新制||理||1700(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 川上 則雄, 教授 石田 憲二, 教授 田中 耕一郎 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM