Les vésicules sont utilisées d'une manière extensive comme modèle pour comprendre les dynamiques et les déformations des globules rouges au niveau individuel, mais aussi concernant les phénomènes collectives et la rhéologie. La membrane de la vésicule résiste à la flexion mais pas au cisaillement, contrairement aux globules rouges, néanmoins elles partagent plusieurs propriétés dynamiques avec les globules rouges, comme le tank-treading (mouvement en chenille de char) et le tumbling (mouvement de bascule) sous écoulement de cisaillement, ou les formes parachutes et slippers (pantoufles) sous un écoulement de Poiseuille. Les globules rouges sont connus pour former des trains de cellules (clusters) dans la microcirculation attribués à la nature attractive des interactions hydrodynamiques. Nous avons étudié numériquement plusieurs types de problème comme:(i) les dynamiques de cellules isolées, (ii) le couplage hydrodynamique entre globules rouges (en utilisant les vésicules comme modèle) soumis à un écoulement de Poiseuille sous différent confinements; (iii) l'agrégation des globules rouges et la formation de rouleaux; et (iv) le rôle des macromolécules dans la formation de clusters sous écoulement. les résultats obtenus apportent un nouveau regard à la physique des objets déformables et sont transposables au cas de l'écoulement des globules rouges dans la microcirculation. / Vesicles are extensively used as a model for understanding dynamicsand deformation of red blood cells at the individual level but also regarding collective phenomena and rheology. Vesicles' membranes withstand to bending butdo not have a shear resistance, unlike red blood cells, but they still share several dynamical properties with red blood cells, like tank-treading and tumbling under linear shear flow, or parachute and slipper shapes under Poiseuille flow. The red blood cells are known to form train of cells in the microcirculation attributed to attractive hydrodynamic interactions. We investigate numerically several kind of problems such as: (i) the dynamics of isolated cells; (ii) the hydrodynamic coupling between the red blood cells (by using vesicles as a model) subject to a Poiseuille flow under different confinements; (iii) the aggregation of red blood cells and formation of rouleaux; and (iv) the contribution of macromolecules in the formation of clusters under flow condition. The obtained results give a new insight into thephysics of deformable objects under confinement that are transposable to the flow of red blood cells in the microcirculation.

Cette thèse a consisté à élaborer une méthode qui permet de résoudre l’équation intégrale comportant comme inconnues les courants et les charges introduite récemment par Taskinen et Ylä-Oijala par une méthode d’éléments frontière sans aucune contrainte de continuité au niveau des interfaces des éléments aussi bien pour les courants que pour les charges. Nous avons d’abord montré comment on pouvait construire cette équation de façon simple et similaire à celle des formulations intégrales usuelles en imposant au problème intérieur relatif au système de Picard, qui est en fait une extension du système de Maxwell, des conditions aux limites adéquates. Pour des géométries régulières de l’objet diffractant, nous avons établi de façon théorique la stabilité et la convergence des schémas numériques ci-dessus en montrant que cette équation peut être décomposée sous la forme d’un système elliptique coercif et d’un opérateur compact dans le cadre des fonctions de carré intégrable.Toute cette étude a été confirmée par des tests numériques tridimensionnels. Comme pour les équations intégrales usuelles de seconde espèce, le cadre théorique valable pour des surfaces régulières ne l’est plus pour des surfaces avec des singularités. L’utilisation formelle de cette équation,pour des surfaces singulières, a donné des résultats entachés d’erreur. Nous avons mis en évidence l’origine des instabilités numériques à l’origine de ces erreurs lorsque les géométries sont singulières en développant une version bidimensionnelle de cette équation. Cette version nous a permis en particulier de montrer que les instabilités étaient dues à des oscillations parasites concentrées autour des singularités de la géométrie. Dans ce cadre nous avons pu mettre en oeuvre plus aisément des approches pour supprimer ou atténuer ces oscillations parasites ou leur effet sur les calculs en champ lointain. Nous avons montré qu’un procédé d’augmentation des degrés de liberté pour la charge par rapport au courant pouvait sensiblement réduire ces instabilités. A la suite de l’amélioration observée sur les résultats dans le cas 2D, nous avons transposé cette procédure au cas tridimensionnel. A travers divers tests, nous avons constaté l’amélioration de la qualité de l’approximation amenée par la procédure de stabilisation / The objective of this thesis was to develop a method that solves the integral equation whose unknowns are the currents and the charges, recently introduced by Taskinen and Ylä-Oijala, by a boundary element method without any continuity constraint at the interfaces of the elements,for both the unknowns. We first show how to construct this equation in a simple way, similar tothe usual integral formulations, through imposing to the internal problem related to the Picard system,which is an extension of the Maxwell system, appropriate boundary conditions. For regular geometries, we have established a theoretical background ensuring the stability and the convergence of numerical scheme, by proving that this equation can be decomposed in a coercive elliptic and a compact parts in the context of square integrable functions. Our study was validated by three-dimensional numerical tests. In the case of usual integral equations of the second kind, the theoretical background for smooth surfaces is no longer valid when the surfaces is singular. The formal use of this equation for singular surfaces gave erroneous results. We pointed out the origin of numerical instabilities bydeveloping a two-dimensional version of this equation. This version has allowed us to show that the instabilities were due to parasitic oscillations accumulating on the geometrical singularities. In this context, we have implemented some approaches to reduce this parasitic oscillations on the calculations in the far field.We have shown that the method of increasing the freedom degrees for the charges relatively to the current could significantly reduces these instabilities. As a result, we have implemented this procedure in three-dimensional case. Throughout various tests, we noted the improvement on the approximation brough bay to the stabilization procedure

De nombreux systèmes fluides dans les domaines de la biologie ou encore de la cosmétique sont limités par une interface dont les propriétés mécaniques régissent la stabilité. En particulier, les objets tels que des gouttes, vésicules ou polymersomes se déforment dans un écoulement simple et mènent à une grande richesse de dynamiques spatio-temporelles contrôlées par la nature des matériaux qui composent l'interface. Les travaux présentés concernent l'étude numérique de la déformation de ces objets dans un écoulement de Stokes, en particulier dans des situations où les viscosités de l'interface jouent un rôle important. Un code de calcul couplant intégrales de frontières et éléments finis a été utilisé afin de décrire la physique interfaciale et étudier leur comportement une fois plongés dans un écoulement. Ces travaux ont permis d'étudier l'influence des viscosités interfaciales sur la dynamique d'une goutte dans un écoulement extensionnel plan, leur influence sur sa dynamique de déformation et sur les conditions de rupture de celle-ci. Les études réalisées sur une vésicule fortement dégonflée et plongée dans un écoulement cisaillé ont caractérisé la bifurcation entre les deux familles de forme existantes dans ces conditions. Ces formes ayant une influence sur la dynamique de la vésicule dans l'écoulement, celle-ci a été étudiée dans le cadre d'un écoulement infini puis proche d'une paroi parallèle à l'écoulement. Enfin, de premiers résultats sur la dynamique d'un polymersome dans un écoulement cisaillé permettent de construire un diagramme de phase illustrant les différents comportement de cet objet en fonction de la viscosité de la membrane et du taux de cisaillement / There are many fluid systems in the biology, food industry, pharmacology or cosmestics fields that are bound by an interface which mechanical properties rule the system stability. Objects like droplets, vesicles or polymersomes change their shape in a simple flow which lead to a wealth of space and time dynamics. These properties are controlled by the nature of the interface material. The aim of this work is the numerical study of the deformation of droplets, vesicles and polymersomes in a Stokes flow, especially when the interfacial viscosities play an important role. A numerical computation code coupling boundary integrals and finite elements was used to describe the interfacial physics of these objects and study their behaviour when immerged in a flow. Multiple resolution strategies where developped to this end in order to optimize the numerical computation in the cas of an interface with viscosities.Using this work, the influence of interfacial viscosities on the dynamics of a droplet in an extensional flow is studied : in particular, their influence on the stretching dynamics of a droplet and its break up conditions was characterized. The study of a vesicle, droplet bounded by a lipid bilayer, strongly deflated and immerged in a shear flow detailed the bifurcation between two shape types existing for this system. These shapes have an influence on the vesicle dynamics under flow, which is studied for an unbounded flow and a near-wall flow. Finally, we show first results about the dynamics of a polymersome in a shear flow. We used them to build a phase diagram for the behaviour of this object depending on the membrane viscosity and the shear rate

The sequence-dependent curvature and flexibility of DNA is critical for many biochemically important processes. However, few experimental methods are available for directly probing these properties at the base-pair level. One promising way to predict these properties as a function of sequence is to model DNA with a set of base-pair parameters that describe the local stacking of the different possible base-pair step combinations. In this dissertation research, we develop and study a computational model for predicting the diffusion coefficients of short, relatively rigid DNA fragments from the sequence and the base-pair parameters. We focus on diffusion coefficients because various experimental methods have been developed to measure them. Moreover, these coefficients can also be computed numerically from the Stokes equations based on the three-dimensional shape of the macromolecule. By comparing the predicted diffusion coefficients with experimental measurements, we can potentially obtain refined estimates of various base-pair parameters for DNA. Our proposed model consists of three sub-models. First, we consider the geometric model of DNA, which is sequence-dependent and controlled by a set of base-pair parameters. We introduce a set of new base-pair parameters, which are convenient for computation and lead to a precise geometric interpretation. Initial estimates for these parameters are adapted from crystallographic data. With these parameters, we can translate a DNA sequence into a curved tube of uniform radius with hemispherical end caps, which approximates the effective hydrated surface of the molecule. Second, we consider the solvent model, which captures the hydrodynamic properties of DNA based on its geometric shape. We show that the Stokes equations are the leading-order, time-averaged equations in the particle body frame assuming that the Reynolds number is small. We propose an efficient boundary element method with a priori error estimates for the solution of the exterior Stokes equations. Lastly, we consider the diffusion model, which relates our computed results from the solvent model to relevant measurements from various experimental methods. We study the diffusive dynamics of rigid particles of arbitrary shape which often involves arbitrary cross- and self-coupling between translational and rotational degrees of freedom. We use scaling and perturbation analysis to characterize the dynamics at time scales relevant to different classic experimental methods and identify the corresponding diffusion coefficients. In the end, we give rigorous proofs for the convergence of our numerical scheme and show numerical evidence to support the validity of our proposed models by making comparisons with experimental data. / text

La profilométrie optique est une technique de métrologie de surface rapide et non destructive. Dans ce mémoire, nous avons abordé cette problématique par des méthodes inverses de diffraction électromagnétique et dans une configuration de type Microscopie Tomographique Optique par Diffraction (ODTM). La surface est sondée par un éclairement sous plusieurs angles d'incidences ; la mesure en amplitude et en phase du champ lointain diffracté constitue les données du problème. Des profils de surfaces ont été reconstruits en considérant différents modèles de diffraction, parmi lesquelles une méthode approchée fondée sur les approximations de diffusion simple et de paraxialité. La résolution latérale de cette méthode et des techniques classiques de profilométrie est limitée par le critère d'Abbe-Rayleigh, défini sur la base de l'ouverture numérique pour l'éclairement et la détection du champ. Afin de dépasser cette limite de résolution, nous avons développé une méthode itérative de Newton-Kantorovitch régularisée. L'opérateur de diffraction y est rigoureusement modélisé par une méthode des moments, résolution numérique des équations du formalisme intégral de frontière, et l'expression de la dérivée de Fréchet de cet opérateur est obtenue par la méthode des états adjoints, à partir du théorème de réciprocité. Pour les surfaces unidimensionnelles métalliques, notre technique permet d'inverser à partir de données synthétiques des surfaces très rugueuses avec une résolution au delà du critère d'Abbe-Rayleigh. / Optical profilometry is a nondestructive and fast noncontact surface metrology technique. In this thesis, we have tackled this issue with inverse scattering electromagnetic methods and in an Optical Digital Tomographic Microscopy (ODTM) configuration. The surface is probed with illuminations under several incidence angles; the measure of far scattered field amplitude and phase constitutes the problem data. Surface profiles have been reconstructed using different scattering models among which an approximate theory based on single scattering and paraxiality. The lateral resolution of this technique and classical profilometric approaches is limited by the so-called Abbe-Rayleigh's criterion defined out of the numerical aperture for illumination and field detection. In order to overpass this resolution limit, we have developed a regularized iterative Newton-Kantorovitch's method. The scattering operator is rigorously modelized with the method of moments, that is a numerical solution of boundary integral equations, and its Fréchet derivative adjoint states expression is deduced from the reciprocity theorem. For one-dimensional metallic surfaces, our method succeeds in inverting from synthetic data very rough surfaces with the resolutions beyond the Abbe-Rayleigh's criterion. The performance of this technique and inversion conditions clearly differ from one polarization to the other : in the TM case, interactions at longer distance than in the TE case improve yet the resolution. This work includes also an experimental validation of our inverse model on grooves in indium phosphure substrate at 633 nm.

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In this thesis, simulations are performed to study the motion ofindividual cells in flow, focusing on the hydrodynamics of actively swimming cells likethe self-propelling microorganisms, and of passively advected objects like the red bloodcells. In particular, we develop numerical tools to address the locomotion ofmicroswimmers in viscoelastic fluids and complex geometries, as well as the motion ofdeformable capsules in micro-fluidic flows. For the active movement, the squirmer is used as our model microswimmer. The finiteelement method is employed to study the influence of the viscoelasticity of fluid on theperformance of locomotion. A boundary element method is implemented to study swimmingcells inside a tube. For the passive counterpart, the deformable capsule is chosen as the modelcell. An accelerated boundary integral method code is developed to solve thefluid-structure interaction, and a global spectral method is incorporated to handle theevolving cell surface and its corresponding membrane dynamics. We study the locomotion of a neutral squirmer with anemphasis on the change of swimming kinematics, energetics, and flowdisturbance from Newtonian to viscoelastic fluid. We also examine the dynamics of differentswimming gaits resulting in different patterns of polymer deformation, as well as theirinfluence on the swimming performance. We correlate the change of swimming speed withthe extensional viscosity and that of power consumption with the phase delay of viscoelasticfluids. Moreover, we utilise the boundary element method to simulate the swimming cells in astraight and torus-like bent tube, where the tube radius is a few times the cell radius. Weinvestigate the effect of tube confinement to the swimming speed and power consumption. Weanalyse the motions of squirmers with different gaits, which significantly affect thestability of the motion. Helical trajectories are produced for a neutralsquirmer swimming, in qualitative agreement with experimental observations, which can beexplained by hydrodynamic interactions alone. We perform simulations of a deformable capsule in micro-fluidic flows. We look atthe trajectory and deformation of a capsule through a channel/duct with a corner. Thevelocity of capsule displays an overshoot as passing around the corner, indicating apparentviscoelasticity induced by the interaction between the deformable membrane and viscousflow. A curved corner is found to deform the capsule less than the straight one. In addition, we propose a new cell sorting device based on the deformability of cells. Weintroduce carefully-designed geometric features into the flow to excite thehydrodynamic interactions between the cell and device. This interaction varies andclosely depends on the cell deformability, the resultant difference scatters the cellsonto different trajectories. Our high-fidelity computations show that the new strategy achievesa clear and robust separation of cells. We finally investigate the motion of capsule in awall-bounded oscillating shear flow, to understand the effect of physiological pulsation to thedeformation and lateral migration of cells. We observe the lateral migration velocity of a cellvaries non-monotonically with its deformability. / <p>QC 20140313</p>

La mejora en términos de e¿ciencia en problemas de análisis de dispositivos pasivos de microondas y la dispersión de objetos es un tema de creciente interés. Pese a que el avance de la tecnología de computadores permite la ejecución de programas muy complejos, la e¿ciencia computacional sigue siendo importante debido a la tendencia de aumentar la frecuencia de trabajo en los citados problemas electromagné- ticos. En esta tesis se recogen una serie de herramientas para la mejora de la e¿ciencia de técnicas de análisis electromagnético en espacio abierto y cerrado mediante una recopilación de artículos indexados en prensa cientí¿ca, que se presentan de forma razonada. En primer lugar se aplica la transformada Wavelet en al análisis de dispersores cilíndricos mediante la técnica de la Ecuación Integral. Posteriormente se introducen distintas técnicas de discretización, así como rutinas de solución de problemas de autovalores y autovectores adaptadas a la estructura matricial y al procesado en paralelo en el entorno del análisis de dispositivos cerrados. En concreto, dichas técnicas se han aplicado al método denominado Boundary Integral Resonant Mode Expansion (BI-RME) en el dominio bidimensional. Este método realiza una expansión modal de una guía de ondas arbitraria en función de los modos correspondientes a una guía canónica de referencia. Finalmente se han introducido mejoras en la técnica BI-RME aplicada en entornos tridimensionales para el análisis de cavidades con geometría arbitraria. El objetivo en todos los casos consiste en obtener una mejora del tiempo de cálculo y en la memoria requerida, sin perder precisión en gran medida. Todo este trabajo se ha integrado en un software comercial existente, que se emplea actualmente en el diseño y la caracterización de dispositivos pasivos de microondas utilizados en aplicaciones espaciales. / Vidal Pantaleoni, A. (2013). Técnicas secuenciales y paralelas para la resolución de problemas computacionales en electromagnetismo [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/30776 / TESIS

Three-dimensional mathematical problems of the interaction between thermoelastic and scalar oscillation fields are considered in a general anisotropic case. An elastic structure is assumed to be a bounded homogeneous anisortopic body occupying domain $\Omega^+\sub\R^3$ , where the thermoelastic field is defined, while in the physically anisotropic unbounded exterior domain $\Omega^-=\R^3\\ \overline{\Omega^+}$ there is defined the scalar field. These two fields satisfy the differential equations of steady state oscillations in the corresponding domains along with the transmission conditions of special type on the interface $\delta\Omega^{+-}$. Uniqueness and existence theorems, for the non-resonance case, are proved by the reduction of the original interface problems to equivalent systems of boundary pseudodifferential equations ($\Psi DEs$) . The invertibility of the corresponding matrix pseudodifferential operators ($\Psi DO$) in appropriate functional spaces is shown on the basis of generalized Sommerfeld-Kupradze type thermoradiation conditions for anisotropic bodies. In the resonance case, the co-kernels of the $\Psi DOs$ are analysed and the efficent conditions of solvability of the transmission problems are established.