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

La présente thèse se construit sur deux problématiques principales : la première porte sur l'amélioration des techniques d'étude liées à la restitution des navires antiques, conséquence d'un renouvellement des outils de travail, notamment par l'usage intensif de l'informatique, la seconde est liée à la production d'informations supplémentaires sur les qualités nautiques et la capacité commerciale des navires restitués, à travers l'apport des analyses physiques tirées des modèles virtuels. Ce programme est ici appliqué à quatre épaves : une épave grecque archaïque du VIème s. av. J.-C., Jules-Verne 7, deux épaves romaines du Ier s. ap. J.-C., Napoli A et Napoli C et enfin une épave plus tardive, du Vème s. ap. J.-C., Dramont E. Pour chaque épave restituée, l'étude se décompose en deux parties distinctes mais étroitement interdépendantes : une ou plusieurs hypothèses de restitution sont tout d'abord définies sur la base rigoureuse des vestiges conservés et de différents éléments de comparaison (iconographiques, ethnologiques, sources littéraires). Par la suite, c'est une analyse simple de certaines caractéristiques physiques de la restitution qui est entreprise en s'intéressant à ses divers enfoncements, à la répartition des poids et des volumes ou encore à sa stabilité transversale. L'intérêt particulier porté aux caractéristiques des carènes restituées permet ensuite, d'ébaucher dans les grandes lignes le programme ainsi que l'espace de navigation des navires originaux. Il s'agit grace à cette approche spécifique de s'intéresser au navire antique en tant que système fonctionnel, mais aussi et surtout en tant qu'outil principal et vecteur du commerce maritime. / This thesis is built around two main subjects: the first pertains to the question of improving the technics of study related to the reconstitution of ancient ships following a renewal of in tools utilized for the task. The second subject is linked to the production of additional information on the nautical qualities and the sailing capabilities of the hypothetical reconstituted ships based on the analysis of virtual models. We applied this program to four wrecks: a Greek wreck from the archaic period dated to the VIth c. B.C., Jules-Verne 7, two Roman wrecks from the Ist c. A.D., Napoli A and Napoli C, and finally to a late roman period wreck from the Vth c. A.D., Dramont E. For each wreck, the study is divided into two separate sections that are closely related and interdependent. First, we sought to define one or more valid hypotheses based rigorously on the remains preserved and on various elements of comparison (iconographic and ethnographic parallels, literary sources). Thereafter, we planned a simple analysis of some physical characteristics of the reconstituted ship focusing on its various draughts, displacements and transversal stability according to different distributions of weights and volumes. This focus on the characteristics of the hypotheses of reconstitution allows us, to some extent, to outline in broad terms the utilization programs and the navigational areas of the original ships. We intend in this way to focus on the ship as a functional system, but also and especially as the main vector of ancient maritime trade in the Mediterranean.

Cette thèse présente un framework d’optimisation pour la conception hydrodynamique de forme d’hydrofoils. L’optimisation d’hydrofoil par simulation implique des objectifs d’optimisation divergents et impose des compromis contraignants en raison du coût des simulations numériques et des budgets limités généralement alloués à la conception des navires. Le framework fait appel à l’échantillonnage séquentiel et aux modèles de substitution. Un modèle prédictif est construit en utilisant la Régression par Processus Gaussien (RPG) à partir des données issues de simulations fluides effectuées sur différentes géométries d’hydrofoils. Le modèle est ensuite combiné à d’autres critères dans une fonction d’acquisition qui est évaluée sur l’espace de conception afin de définir une nouvelle géométrie qui est testée et dont les paramètres et la réponse sont ajoutés au jeu de données, améliorant ainsi le modèle. Une nouvelle fonction d’acquisition a été développée, basée sur la variance RPG et la validation croisée des données. Un modeleur géométrique a également été développé afin de créer automatiquement les géométries d’hydrofoil a partir des paramètres déterminés par l’optimiseur. Pour compléter la boucle d’optimisation,FINE/Marine, un solveur fluide RANS, a été intégré dans le framework pour exécuter les simulations fluides. Les capacités d’optimisation ont été testées sur des cas tests analytiques montrant que la nouvelle fonction d’acquisition offre plus de robustesse que d’autres fonctions d’acquisition existantes. L’ensemble du framework a ensuite été testé sur des optimisations de sections 2Dd’hydrofoil ainsi que d’hydrofoil 3D avec surface libre. Dans les deux cas, le processus d’optimisation fonctionne, permettant d’optimiser les géométries d’hydrofoils et confirmant les performances obtenues sur les cas test analytiques. Les optima semblent cependant être assez sensibles aux conditions opérationnelles. / This thesis presents a practical hydrodynamic optimization framework for hydrofoil shape design. Automated simulation based optimization of hydrofoil is a challenging process. It may involve conflicting optimization objectives, but also impose a trade-off between the cost of numerical simulations and the limited budgets available for ship design. The optimization frameworkis based on sequential sampling and surrogate modeling. Gaussian Process Regression (GPR) is used to build a predictive model based on data issued from fluid simulations of selected hydrofoil geometries. The GPR model is then combined with other criteria into an acquisition function that isevaluated over the design space, to define new querypoints that are added to the data set in order to improve the model. A custom acquisition function is developed, based on GPR variance and cross validation of the data.A hydrofoil geometric modeler is also developed to automatically create the hydrofoil shapes based on the parameters determined by the optimizer. To complete the optimization loop, FINE/Marine, a RANS flow solver, is embedded into the framework to perform the fluid simulations. Optimization capabilities are tested on analytical test cases. The results show that the custom function is more robust than other existing acquisition functions when tested on difficult functions. The entire optimization framework is then tested on 2D hydrofoil sections and 3D hydrofoil optimization cases with free surface. In both cases, the optimization process performs well, resulting in optimized hydrofoil shapes and confirming the results obtained from the analytical test cases. However, the optimum is shown to be sensitive to operating conditions.

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Au XVIème siècle, la construction navale méditerranéenne - en particulier italienne - est réputée pour sa qualité. Cette culture technique est héritée d’une tradition séculaire transmise oralement de génération en génération. Mais elle est aujourd’hui en grande partie méconnue car, à la rareté de la documentation écrite s’ajoute la pauvreté de la documentation archéologique. La découverte des épaves de la Mortella (Saint-Florent, Hte-Corse) en 2005 et 2006, et l’entreprise d’un programme de fouille sur l’une d’entre elles - la Mortella III - en 2010 mettant en évidence une architecture du XVIème siècle de tradition méditerranéenne, offre la perspective de contribuer à combler ces lacunes. En étudiant les données archéologiques issues des cinq campagnes de fouilles réalisées sur cette épave, notre travail de recherche se fixe comme objectif essentiel la mise en évidence de « marqueurs » qualifiés d’ « empreintes techniques » et « architecturales » susceptibles de contribuer à la définition d’un modèle de construction navale au XVIème siècle en Méditerranée, tel que la recherche archéologique a commencé à en esquisser les traits à partir des années 80. Dans cette perspective, l’analyse se base sur des comparaisons avec les données archéologiques d’autres épaves de la période. Elle s’appuie par ailleurs sur les références apportées par les sources écrites ainsi que l’iconographie. Enfin, les recherches documentaires qui ont été menées en marge du travail d’archéologie ont permis de rattacher les épaves de la Mortella à leur histoire, en l’occurrence aux guerres d’Italie de l’année 1527. Dans ce sens, l’étude archéologique - qui demeure l’épicentre de cette thèse - est utilement complétée par la recherche historique. / During the 16th century, the Mediterranean shipbuilding –especially in Italy– was renowned for its quality. It held a technical culture inherited by an ancient tradition that had passed down orally from one generation to the next. But today it is largely unknown, since, to the scarcity of documentation in writing, is added a poor archaeological documentation. The discovery of the Mortella shipwrecks (Saint-Florent, Upper Corsica, France) in 2005 and 2006, and the programme of archaeological excavations of one of them –the Mortella III– undertaken in 2010, highlight an architecture from the 16th century that belongs to the Mediterranean tradition and offer the prospect of contributing to fill the existing gaps. After studying the archaeological data from the five excavation campaigns done on this wreck, our research sets as key goal identifying ‘indicators’ such as ‘technical and architectural traits’ which can contribute to the definition of a model of shipbuilding from the 16th century in the Mediterranean, initiated by previous archaeological research started in the eighties. In this perspective, the analysis is based on comparisons with archaeological data from other wrecks of that period. Moreover, it also relies on the references provided by the written sources, as well as the iconography. Finally, the archival researches undertaken in the margins of the archaeological work have allowed to link the wrecks of the Mortella to their history, in this case to the Italian wars of 1527. In this regard, the archaeological study –which remains the epicenter of this thesis– is usefully supplemented by the historical research.

Le contrôle précis des modèles géométriques joue un rôle important dans de nombreux domaines. Pour l’optimisation de forme en CFD, le choix des paramètres de contrôle et la technique de déformation de forme est critique. Nous proposons un modeleur paramétrique avec une nouvelle méthode de déformation d’objets, ayant pour objectif d’être intégré dans une boucle d’optimisation automatique de forme avec un solveur CFD. Notre méthodologie est basée sur une double paramétrisation des objets : géométrique et architecturale. L’approche géométrique consiste à décrire les formes par un squelette, composé d’une famille de courbes B-Splines, appelées courbes génératrice et courbes de section. Le squelette est paramétré avec une approche architecturale. Au lieu d’utiliser les points de contrôle de la représentation classique par courbes B-Splines, la géométrie est contrôlée par ces paramètres architecturaux. Cela permet de réduire considérablement le nombre de degrés de liberté utilisés dans le problème d’optimisation de forme, et permet de maintenir une description haut niveau des objets. Notre technique intègre un contrôle de forme et un contrôle de régularité, permettant d’assurer la génération de nouvelles formes valides et réalistes. Les déformations de la géométrie sont réalisées en posant un problème inverse : déterminer une géométrie correspondant à un jeu de paramètres cibles. Enfin, une technique de reconstruction de surface est proposée. Nous illustrons le modeleur paramétrique développé et intégré dans une boucle d’optimisation automatique de forme sur trois cas : un profil d’aile d’avion, un foil AC45 d’un voilier de course et un bulbe de chalutier de pêche. / The precise control of geometric models plays an important role in many domains. For shape optimisation in CFD, the choice of control parameters and the way to deform a shape are critical. In this thesis, we propose a new approach to shape deformation for parametric modellers with the purpose of being integrated into an automatic shape optimisation loop with a CFD solver. Our methodology is based on a twofold parameterisation: geometrical and architectural. The geometrical approach consist of a skeleton-based representation of object. The skeleton is made of a family of B-Spline curves, called generating curve and section curves. The skeleton is parametrised with an architectural approach: meaningful design parameters are chosen on the studied object. Thus, instead of using the control points of a classical B-spline representation, we control the geometry in terms of architectural parameters. This reduce the number of degrees of freedom and maintain a high level description of shapes. We ensure to generate valid shapes with a strong shape consistency control based on architectural considerations. Deformations of the geometry are performed by solving optimisation problems on the skeleton. Finally, a surface reconstruction method is proposed to evaluate the shape’s performances with CFD solvers. We illustrate the parametric modeller capabilities on three problems, performed with an automatic shape optimisation loop: the wind section of an plane (airfoil), the foil of an AC45 racing sail boat and the bulbous bow of a fishing trawler.

Selon l’image reçue des Vikings, ce peuple incarne l'esprit d’une immense solidarité primitive ayant su résister rudement au joug du christianisme et à la domination du Latin en Europe occidentale. Cette image n’est pas sans ses contradictions et, s’il est vrai que l’écriture était encore inconnue en Scandinavie durant les premiers siècles de l’expansion viking, on sait maintenant que le commerce et la colonisation, autant que les célèbres raids, motivèrent l’irruption des peuples scandinaves sur la scène médiévale. Quant aux navires de ces marchands, colonisateurs, pêcheurs et guerriers, ils apparaissent, un peu à l’image des Vikings eux-mêmes, sur le grand tableau de l’histoire nautique sous l’enseigne d’une originalité et d’une technicité sans parallèle. Comment les Vikings construisaient-ils leurs navires, en leur donnant une symétrie, un équilibre et une finesse si achevés? Les premiers ethnologues qui se sont intéressés à cette question ont privilégié les idées issues d'une tradition acquise par des générations de constructeurs, et d'astuces simples pour équilibrer tribord et bâbord. Puis, ils se sont rapidement tournés vers les techniques inhérentes à la construction à clin : utilisation de planches fendues et non sciées et de rivets abondants témoignant d’une sidérurgie acquise depuis peu. Le problème que présentent ces navires, est que leur construction artisanale demeure conforme à l’image reçue des Vikings, mais que leur conception architecturale, réalisée selon des connaissances théoriques très exactes, brise la notion d’une Scandinavie médiévale illettrée et coupée des grands centres du savoir. Ce travail s’intéresse précisément à la conception architecturale des navires scandinaves du VIIIe au XIe siècle pour montrer comment ils s’insèrent dans un haut savoir européen dès leur apparition. Il explore ensuite les liens qui unissent ce savoir théorique aux aspects véritablement originaux des navires vikings, en l’occurrence leur construction à clin et leur homogénéité sur une grande région à travers plus de cinq siècles. Au terme de cette recherche, l'analyse réalisée sur le maître-couple de trois épaves vikings, une épave antique et une épave scandinave pré-viking, a permis de mettre en évidence plusieurs indices de l'utilisation du système de conception géométrique apparaissant pour la première fois dans les traités d'architecture navale de la Renaissance, et ce, sur chacune de ces épaves. Les résultats obtenus démontrent qu'il est possible d'employer un système transversal de conception pour des navires vraisemblablement construits bordé premier et assemblés à clin. / According to the popular image of the Vikings, this people embodied a spirit of immense solidarity that resisted the yoke of Christianity and the dominance of Latin in Western Europe. This image is not without its contradictions, and while it is true that writing was unknown in Scandinavia during the early centuries of the Viking expansion, we now know that trade and colonization, as much as their famous raids, motivated the irruption of the Scandinavian people on the medieval stage. However, there is an important area where the contradictions between the image of the Vikings and archaeological data still remain intact : the Vikings ships. These ships were designed for traders, settlers, fishermen and warriors. Like the Vikings themselves, their ships reflect a genius of unparallelled originality and high performance. How did the Vikings build their ships, conferring them with such impressive symmetry, balance and finesse? The first ethnologists who studied this issue favoured ideal notions of traditions compiled over generations of builders, along with simple tips for balancing portside and starboard. Following this reductive cultural representation, they then quickly turned to the essential elements of clinker built construction: use of split planks and a great number of iron rivets, evidence of a new metallurgy. The problem with these ships is that, while their construction is made using traditional methods fitting to the popular image of the Vikings, their architectural design, deriving from very refined knowledge, contradicts the idea of an illiterate medieval Scandinavia cut off from the main centres of learning. This work focuses on the architectural design of Scandinavian ships from the eighth to the eleventh century, to show their place in high European knowledge. It then seeks to understand the links between the theoretical and practical aspects of Vikings ships : the clinker built construction and a great homogeneity over more than five centuries. Analysis of the master frames of five wrecks – three Viking ships, one Ancient wreck and a pre-Viking Scandinavian vessel – has found positive indicators of the use of geometric design principles that were formerly thought to be original in Renaissance shipbuilding treatises. Each wreck showed signs of the application of these design principles. The results show moreover that it was possible to use a transverse system of hull design for ships that were built shell-first in the clinker style.

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La thèse propose une étude de l’architecture navale égyptienne de la Basse Époque (722-332 avant J.C.). Les vestiges iconographiques, épigraphiques et archéologiques existant sur ce sujet sont très maigres. Ainsi les recherches proposées se fondent principalement sur des nouvelles données archéologiques. Les fouilles menées par l’Institut d’Archéologie Sous-Marine (IEASM) en Égypte ont permis de découvrir plus de soixante bateaux datés du XIe au Ier s. av. J.-C dans les ports et les canaux de la ville engloutie de Thônis-Héracléion. En excellent état de conservation, il s’agit de la plus grande accumulation des bateaux antiques jamais retrouvés et au moins dix-huit d’entre eux sont datables de la Basse Epoque. La construction du bateau 17, qui constitue le sujet principal de la thèse, a été étudiée pendant trois saisons des fouilles (2009-2011). Le volume des nouvelles informations acquises est considérable et permet non seulement d’analyser en détail la construction du bateau en question mais aussi de tirer les conclusions plus générales concernant les principes et les méthodes de l’architecture navale en Egypte caractéristiques de cette époque. Plusieurs décisions techniques restent uniques à la tradition d’architecture navale égyptienne ainsi que l’est le choix d’essences locales pour la construction. Les traits de construction analysés dans la thèse sont systématiquement comparés aux documents iconographiques, épigraphiques et archéologiques disponibles. Il faut souligner l’importance de la description du bateau égyptien « baris » par Hérodote (« Histoires » II.96, env. 450 av. J.-C.) qui correspond bien à la construction du bateau 17 d’Héracleion. La première version du modèle 3D de ce bateau permet d’évaluer ses capacités techniques principales. La thèse proposera une comparaison entre le génie maritime égyptien de la Basse Epoque et ceux de la Méditerranée contemporaine. / The thesis is devoted to the study of Ancient Egyptian boatbuilding during the Late Period (722-332 BC). Iconographic, epigraphic and archaeological evidence on the subject being so scarce, the thesis is based mainly on a recently acquired archaeological data. Underwater excavations by the European Institute of Underwater Archaeology (IEASM) in Egypt allowed locating more than sixty ships dating from the 11th to 1st century BC in the harbour area and channels of the submerged city of Thonis-Heracleion. At least eighteen of these well-preserved ships are dated to the Late Period. The construction of ship 17 that has been studied during three excavation seasons (2009-2011) constitutes the main subject of current thesis. The considerable volume of new data allows not only to consider in detail the construction of the ship in question but also to propose several general conclusions on the constructional principles and methods characteristic to the Late Period. Many of these are unique to the Ancient Egyptian boatbuilding tradition as is the choice of local wood species for the construction. New archaeological data is compared throughout the research to existing iconographic, epigraphic and archaeological evidence. It is necessary to underline the importance of the description by Herodotus (“Histories” II.96, c.450 BC) of the local Egyptian ship “baris” as it corresponds well to the construction of ship 17. First version of the three-dimensional model of this ship allows estimating its major technical characteristics. The thesis proposes a comparison between the Late Egyptian and contemporary shipbuilding traditions of the Mediterranean.

Depuis les années 1980, des épaves de grands navires construits à clin de la fin du Moyen-Age ont été découvertes sur les littoraux des mers septentrionales et occidentales. Elles ont régulièrement suscité individuellement un intérêt de la communauté scientifique en regard de leur architecture, puisque la fin du Moyen-Age correspond historiquement à l’apparition puis à la diffusion et à l’adaptation de la construction navale à franc-bord d’origine méditerranéenne en Europe du Nord et de l’Ouest. Pourtant, la comparaison des différentes épaves entre elles pour étudier les développements de la construction navale à clin de cette période est très récente et généralement rattachée à l’analyse des épaves nouvellement trouvées.Cette thèse étudie l’ensemble des navires de plus de 20 m de long susceptibles, par leur architecture, d’avoir évolué en haute mer sur les routes du commerce lointain. En regard du contexte technique et historique, cette étude est limitée géographiquement aux mers nordiques et chronologiquement au Moyen-Age tardif et au début de la période moderne.Le navire résulte à la fois des technique de construction navale et de la demande de ses commanditaires. Durant la période d’étude envisagée dans la thèse, les marchands, qui sont également les affréteurs, constituent les principaux armateurs avec les gens de mer, marins et capitaines, qui régulièrement sont propriétaires en totalité ou en partie des grands bâtiments.De ce fait, le contexte historique, affectant les activités de commerce et de transport, contribue à expliquer les développements de la construction navale. De plus, l’analyse technique des épaves permet de comprendre comment les charpentiers de marine ont pu répondre à la demande de ces propriétaires. Pour cela, la reconstitution des épaves, comme celle de l’Aber Wrac’h 1(France), est essentielle, car les données relatives à la construction, la conception et la forme des navires fournissent des éléments de comparaison scientifique fiables en regard des typologies chronologiques et régionales et permettent de replacer le navire dans son contexte historique et socio-économique. / Since the 1980s, several wrecks of large clinker ships adting from the late Middle Ages were found on the coasts of Northern and Atlantic seas. The scientific community was regularly interested in the architecture of each site as the late Middle Ages historically corresponds to the appearance, dissemination and adaptation of the carvel shipbuilding from the Mediterranean in Northern and Western Europe. Yet the comparison of the different wrecks themselves to study the development of the clinker shipbuilding of this period is recent and usually linked to the analysis of newly found wrecks.This thesis explores all vessels over a length of 20 meters, which were able, according to their architecture, to sail on open seas for long-distance trade. Due to the technical and historical context, this study is limited geographically to the nordic seas and chronologically to the Late Middle Ages and early modern period.The ship results from the shipbuilding technology and the demand of its owners. During the late Middle Ages, the merchant class, which was the principal user, was also the main shipowner with the seafarers, sailors and captains, who regularly owned all or part of large vessels.Therefore, the historical context, affecting trade and transport activities, helps to explain the developments in shipbuilding. Therefore, technical analysis of wrecks allows understanding how the shipwrights and carpenters could meet the demand of those owners. Hence, there construction of the wreck, such as Aber Wrac’h 1 (France), is essential because the data about the building, design and shape of the vessels provide reliable scientific information for comparison in terms of chronological and regional typologies and help to place the ship in its historical, environmental and socio-economic context.