Abstract: Road traffic accidents claim more than 1,500 lives each year in Canada and affect society adversely, so transport authorities must reduce their impact. This is a major concern in Quebec, where the traffic-accident risks increase year by year proportionally to provincial population growth. In reality, the occurrence of traffic crashes is rarely random in space-time; they tend to cluster in specific areas such as intersections, ramps, and work zones. Moreover, weather stands out as an environmental risk factor that affects the crash rate. Therefore, traffic-safety engineers need to accurately identify the location and time of traffic accidents. The occurrence of such accidents actually is determined by some important factors, including traffic volume, weather conditions, and geometric design. This study aimed at identifying hotspot locations based on a historical crash data set and spatiotemporal patterns of traffic accidents with a view to improving road safety. This thesis proposes two new methods for identifying hotspot locations on a road network. The first method could be used to identify and rank hotspot locations in cases in which the value of traffic volume is available, while the second method is useful in cases in which the value of traffic volume is not. These methods were examined with three years of traffic-accident data (2011–2013) in Sherbrooke. The first method proposes a two-step integrated approach for identifying traffic-accident hotspots on a road network. The first step included a spatial-analysis method called network kernel-density estimation. The second step involved a network-screening method using the critical crash rate, which is described in the Highway Safety Manual. Once the traffic-accident density had been estimated using the network kernel-density estimation method, the selected potential hotspot locations were then tested with the critical-crash-rate method. The second method offers an integrated approach to analyzing spatial and temporal (spatiotemporal) patterns of traffic accidents and organizes them according to their level of significance. The spatiotemporal seasonal patterns of traffic accidents were analyzed using the kernel-density estimation; it was then applied as the attribute for a significance test using the local Moran’s I index value. The results of the first method demonstrated that over 90% of hotspot locations in Sherbrooke were located at intersections and in a downtown area with significant conflicts between road users. It also showed that signalized intersections were more dangerous than unsignalized ones; over half (58%) of the hotspot locations were located at four-leg signalized intersections. The results of the second method show that crash patterns varied according to season and during certain time periods. Total seasonal patterns revealed denser trends and patterns during the summer, fall, and winter, then a steady trend and pattern during the spring. Our findings also illustrated that crash patterns that applied accident severity were denser than the results that only involved the observed crash counts. The results clearly show that the proposed methods could assist transport authorities in quickly identifying the most hazardous sites in a road network, prioritizing hotspot locations in a decreasing order more efficiently, and assessing the relationship between traffic accidents and seasons. / Les accidents de la route sont responsables de plus de 1500 décès par année au Canada et ont des effets néfastes sur la société. Aux yeux des autorités en transport, il devient impératif d’en réduire les impacts. Il s’agit d’une préoccupation majeure au Québec depuis que les risques d’accidents augmentent chaque année au rythme de la population. En réalité, les accidents routiers se produisent rarement de façon aléatoire dans l’espace-temps. Ils surviennent généralement à des endroits spécifiques notamment aux intersections, dans les bretelles d’accès, sur les chantiers routiers, etc. De plus, les conditions climatiques associées aux saisons constituent l’un des facteurs environnementaux à risque affectant les taux d’accidents. Par conséquent, il devient impératif pour les ingénieurs en sécurité routière de localiser ces accidents de façon plus précise dans le temps (moment) et dans l’espace (endroit). Cependant, les accidents routiers sont influencés par d’importants facteurs comme le volume de circulation, les conditions climatiques, la géométrie de la route, etc. Le but de cette étude consiste donc à identifier les points chauds au moyen d’un historique des données d’accidents et de leurs répartitions spatiotemporelles en vue d’améliorer la sécurité routière. Cette thèse propose deux nouvelles méthodes permettant d’identifier les points chauds à l’intérieur d’un réseau routier. La première méthode peut être utilisée afin d’identifier et de prioriser les points chauds dans les cas où les données sur le volume de circulation sont disponibles alors que la deuxième méthode est utile dans les cas où ces informations sont absentes. Ces méthodes ont été conçues en utilisant des données d’accidents sur trois ans (2011-2013) survenus à Sherbrooke. La première méthode propose une approche intégrée en deux étapes afin d’identifier les points chauds au sein du réseau routier. La première étape s’appuie sur une méthode d’analyse spatiale connue sous le nom d’estimation par noyau. La deuxième étape repose sur une méthode de balayage du réseau routier en utilisant les taux critiques d’accidents, une démarche éprouvée et décrite dans le manuel de sécurité routière. Lorsque la densité des accidents routiers a été calculée au moyen de l’estimation par noyau, les points chauds potentiels sont ensuite testés à l’aide des taux critiques. La seconde méthode propose une approche intégrée destinée à analyser les distributions spatiales et temporelles des accidents et à les classer selon leur niveau de signification. La répartition des accidents selon les saisons a été analysée à l’aide de l’estimation par noyau, puis ces valeurs ont été assignées comme attributs dans le test de signification de Moran. Les résultats de la première méthode démontrent que plus de 90 % des points chauds à Sherbrooke sont concentrés aux intersections et au centre-ville où les conflits entre les usagers de la route sont élevés. Ils révèlent aussi que les intersections contrôlées sont plus à risque par comparaison aux intersections non contrôlées et que plus de la moitié des points chauds (58 %) sont situés aux intersections à quatre branches (en croix). Les résultats de la deuxième méthode montrent que les distributions d’accidents varient selon les saisons et à certains moments de l’année. Les répartitions saisonnières montrent des tendances à la densification durant l’été, l’automne et l’hiver alors que les distributions sont plus dispersées au cours du printemps. Nos observations indiquent aussi que les répartitions ayant considéré la sévérité des accidents sont plus denses que les résultats ayant recours au simple cumul des accidents. Les résultats démontrent clairement que les méthodes proposées peuvent: premièrement, aider les autorités en transport en identifiant rapidement les sites les plus à risque à l’intérieur du réseau routier; deuxièmement, prioriser les points chauds en ordre décroissant plus efficacement et de manière significative; troisièmement, estimer l’interrelation entre les accidents routiers et les saisons.

La gestion thermique est un des moyens de réduction de la consommation spécifique d’un véhicule. Avec le réchauffement climatique, les normes de dépollution deviennent de plus en plus sévères et les constructeurs automobiles cherchent à améliorer le rendement des véhicules. Le but de ces travaux de recherche est de valoriser, par simulation numérique, les nouveaux systèmes de gestion thermique en fonction du cycle d’homologation et de la température ambiante.Un modèle de simulation 1-D du moteur et de ses circuits de refroidissement et de lubrification ont été développés en utilisant le logiciel GT-Suite. Quatre cycles d’homologation ont été choisis : NEDC, WLTC, AH et AU. De plus, un nouveau cycle a été proposé durant cette étude. Le bilan d’énergie effectué pendant les différentes phases des cycles souligne l’importance du stockage et de la récupération d’énergie.Le stockage d’énergie dans un volume eau et/ou d’huile abouti à l’amélioration de la montée en température des deux fluides. Plusieurs configurations ont été proposées comme, par exemple, un carter d’huile multifonctionnel.Ainsi, une réduction importante de la consommation en carburant est obtenue.La récupération de chaleur au sein des gaz d’échappement est ensuite mise en oeuvre. L’échangeur est caractérisé sur un banc d’essais puis modélisé. Le réchauffement indirect et direct d’huile abouti à une réduction importante des frottements et de la consommation. Une configuration est proposée afin de contrôler la température maximale de l’huile.Finalement, différentes stratégies comme : le type d’huile, l’isolation du moteur, une température de régulation plus élevée etc… ont été étudiées et valorisées. / Thermal management proved itself in improving the fuel efficiency of the engine. Nowadays, automotive companies tend to apply different strategies to answer the greenhouse severe laws. The PhD aim is to valorize and analyze the different thermal management strategies with numerical simulations over different driving cycles and ambient conditions. A 1-D simulation code of the engine and its hydraulic circuits were built using GT-Suite. Four known driving cycles were chosen: NEDC, WLTC, AH and AU. In addition, an in-house developed driving cycle was introduced. An energy balance made over the different stages of the driving cycles underlines the importance of the heat storage and the exhaust heat recovery strategies.Heat recovery was applied over the coolant and the oil at ambient temperatures of -7°C and 20°C. Hot coolant storage and hot oil storage led to improve the coolant and lubricant initial temperatures respectively. Different configurations (total of 7) were proposed and studied. A multifunctional oil sump was introduced. Important fuel consumption savings were obtained. Exhaust heat recovery was then valorized. Heat exchanger was characterized over experimental setup then added to the engine model. Indirect and direct heating of the lubricant as well as both strategies back to back were tested. Remarkable friction reduction and fuel savings were obtained. Special configuration was proposed to control the lubricant high temperature instead of the bypass on the exhaust line. The study ended by valorizing minor strategies as the oil’s grade influence, the engine insulation, high temperature set point …

Les outillages de mise en forme à chaud sont soumis à des sollicitations thermomécaniques transitoires. Ils sont donc confrontés à la fissuration par fatigue. Le but de ce travail est d'étudier le comportement et la durée de vie en fatigue des aciers d'outillage, notamment leurs résistances à la propagation de fissure. Dans un premier temps, les chargements thermiques imposés aux outillages de fonderie sous pression de magnésium et d'emboutissage à chaud ont été évalués. Ensuite, le comportement et la durée de vie de l'acier à haute conductivité thermique HDC1 ont été étudiés et comparés à l'acier AISI H11 (acier de référence) en fonction de la température. L'acier HDC1 présente un adoucissement cyclique stable à 20°C et 300°C. Par contre, l'intensité d'adoucissement est plus importante à hautes températures. La durée de vie a été étudiée en utilisant les lois de Manson-Coffin et de Basquin. A hautes températures, l'oxydation devient un mécanisme d'endommagement primordial pour l'acier HDC1 et provoque des durées de vie plus courtes que celles observées sur l'acier AISI H11. La résistance à la propagation de fissure de fatigue a été déterminée dans des aciers à la température ambiante par le biais de critères : l'amplitude de facteur d'intensité de contrainte (∆K) et l'amplitude d'ouverture en pointe de fissure (∆CTOD). La méthode de corrélation d'images a permis de mesurer (∆COD) et d'évaluer (∆CTOD). L'ensemble de ces résultats a permis de mettre en évidence l'effet de fermeture de fissure et le comportement plastique en pointe de fissure. ∆CTOD présente un bon critère pour rationaliser la propagation de fissure dans les aciers étudiés.Enfin, la simulation numérique de la propagation de fissure en fatigue a été menée dans l'acier AISI H11 à 600°C par la méthode de relâchement des nœuds en éléments finis. L'effet des modèles de comportement monotone (élastoplastique) et cyclique (élastoviscoplastique) a été étudié sur le calcul de l'ouverture de fissure et la plasticité en pointe de fissure. L'influence du modèle de comportement est faible sur le calcul de l'amplitude d'ouverture de fissure ∆COD, du fait d'une plasticité confinée en pointe de fissure. Alors que, le modèle de comportement cyclique est mieux adapté pour décrire la plasticité en pointe de fissure. / Hot metal forming tools are subjected to cyclic thermomechanical loading and damage by complex fatigue/wear/oxidation interactions. Thermal solicitations were measured on high pressure die casting and hot stamping processes. Based on thermal measurements, the isothermal fatigue behaviour and lifetime of a new high conductivity steel HDC1 were investigated at different temperatures and strain amplitude then compared to AISI H11 steel. As AISI H11, continue cyclic softening was observed in HDC1 at all temperatures. The Manson-Coffin and Basquin laws were used for life prediction models under different temperatures. It was observed that the fatigue/oxidation interaction was a principal damage mechanism of the HDC1 steel at high temperature. Fatigue crack propagation in steels was investigated at room temperature in SENT specimens. A digital image correlation technique was used to evaluate crack opening (∆COD) and crack tip opening displacement (∆CTOD) ranges. Crack growth rate were investigated using ∆K (Paris law) and ∆CTOD criteria. It was observed that the cyclic crack tip plasticity control the crack propagation resistance. Crack closure could be evaluated by ∆CTOD.Finite element method by debond technique was used to model the crack propagation of AISI H11 at 600°C using both monotonic elasto-plastic (EP) and cyclic elasto-viscoplastic (EVP) constitutive laws materials. The comparison of ∆COD calculated and measured had shown that monotonic EP and cyclic EVP had no significant effect on the ∆COD, mainly due to the small-scale yielding conditions. It is however observed that the cyclic constitutive law was the best suitable model for the crack tip plasticity effect.

Dans le domaine du forgeage à chaud de pièces aéronautiques, les matrices en acier sont couramment rechargées, sur quelques millimètres d’épaisseur, par un alliage base cobalt (Stellite 21) déposé par procédé de soudage à l’arc (MIG). Dans le cadre de ce travail de thèse, ce rechargement « classique» est comparé à des rechargements Stellite 21 et Stellite 6 déposés par deux procédés émergents dans ce domaine, le PTA et le LASER. L’objectif est d’apporter des éléments de compréhension aux mécanismes d’endommagement de surface, notamment par écoulement plastique, de ces différents rechargements afin de dégager des voies d’amélioration pour augmenter la durée de vie des matrices. Pour cela, des essais tribologiques (semi-industriels et laboratoire) ont été mis en œuvre pour créer des endommagements de surface comparables à ceux observés sur matrices industrielles. Associées à ces essais, des investigations microstructurales, structurales et mécaniques multi-échelles ont été réalisées (traction, flexion, microdureté, MO, MEB, MEB-STEM, DRX, EBSD). Selon les couples « nuance/procédé » de rechargement, des mécanismes de déformation plastique par glissement des dislocations parfaites et par transformation de phase CFC en HC ont été identifiés. L’activation de ce dernier a pu être reliée à la température de transformation allotropique CFC/HC du cobalt. Cette température dépend à la fois (i) des éléments d’addition, variant en fonction de la nuance déposée (Cr, C,...), (ii) de la dilution (variation de la teneur en Fe) liée aux paramètres de soudage et (iii) du nombre de couches déposées. De plus, une influence significative de la transformation de phase sur l’évolution du coefficient de frottement a été mise en évidence. En effet, dans le cas où la transformation de phase n’est pas observée, le coefficient de frottement est stable durant l'essai alors qu'une chute de la courbe de coefficient de frottement a été reliée avec la transformation de phase CFC en HC. Parallèlement, l'écoulement plastique des dendrites est observé en extrême surface sur quelques dizaines de micromètre d'épaisseur dans la direction de glissement. Cet écoulement est associé à une forte texturation morphologique et cristallographique de la phase identifiée (CFC ou HC), avec une orientation des plans de plus grande densité atomique parallèlement à la surface de glissement. Les résultats montrent également que sous sollicitations tribologiques, un important durcissement est observé en surface (jusqu'à 90%) et une corrélation a pu être établie entre l'augmentation de la microdureté et le taux de déformation plastique. / In the field of hot forging of aeronautical parts, the steel dies are commonly hardfaced, on few millimeters thick, by a cobalt-based alloy (Stellite 21) deposited by arc welding (MIG). As part of this thesis, this "classic" hardfacing is compared to Stellite 21 and Stellite 6 hardfacings deposited by two emerging processes in this area, the PTA and the LASER one. The objective is to assess surface damage mechanisms, especially induced by plastic strain, of these various hardfacings. Tribological tests (laboratory and semi-industrial) were used to create surface damage comparable to those observed in industrial dies. Associated with these tests, multiscale microstructural, structural and mechanical investigations have been performed (tensile, bending, microhardness, OM, SEM, STEM, XRD, EBSD). According to the « material/process » couple, plastic strain mechanisms by perfect dislocation glide and by FCC to HCP phase transformation have been identified. The activation of the latter has been connected to the temperature of the allotropic phase transformation (FCC/HCP) in cobalt. This temperature depends on (i) the alloying elements, varying according to the deposited grade (Cr, C, ...), (ii) the dilution (Fe content evolution) connected to the welding parameters and (iii) the number of deposited layer. Moreover, a significant influence of the phase transformation on the evolution of the friction coefficient has been evidenced. Indeed, if the phase transformation is not observed, the friction coefficient is stable during the test, while a drop of the friction coefficient curve is connected with the FCC to HCP phase transformation. Moreover, the plastic flow of dendrites is observed at the extreme surface, on a few tens of micrometres in thickness, in the direction of sliding. It is associated with a high morphologic and crystallographic texturing of the identified phase (FCC or HCP), with the highest atomic density planes mostly oriented parallel to the sliding surface. The results also show that, under tribological laodings, a significant hardening is observed on the surface (up to 90%) and a correlation has been established between the increase in the microhardness and the plastic deformation ratio.

L’alliage L-605 est un superalliage base cobalt combinant une haute résistance et une bonne ductilité, de plus il est biocompatible et présente une bonne résistance a la corrosion. Dû a son inertie chimique dans le corps humain, ce matériau a été utilise avec succès pour fabriquer des valves cardiaques et des stents. Le contrôle de la microstructure peut influencer grandement les propriétés mécaniques : notamment un raffinement des grains est susceptible d’augmenter d’avantage la résistance et serait intéressant pour permettre de fabriquer des stents selon une architecture plus fine. L’ajustement de la distribution de taille de grains à travers le phénomène de recristallisation lors de la déformation à chaud apparait comme une solution pratique pour ajuster les propriétés mécaniques du matériau. Pour contrôler la microstructure et choisir les conditions de procédé optimales, les mécanismes mis en jeu lors de la recristallisation dynamique et l’effet des conditions de déformation sur la taille de grain doivent être compris et prévisibles par des outils théorique. Les propriétés mécaniques du matériau à haute température sont déterminées par des essais de compression à chaud. L’évolution microstructurale du matériau lors de la compression est analysée par microscopie optique et électronique (EBSD, TEM). Le phénomène de recristallisation dynamique continue est mis en évidence, et procède par nucléation de nouveaux grains aux joints de grain. La corrélation entre le comportement mécanique à chaud et l’évolution microstructurale est déterminée expérimentalement. Les conditions optimales de déformation impliquant la recristallisation dynamique sont déterminées, et la microstructure résultante est étudiée en détail. De nouveaux outils théoriques permettant de prévoir les conditions de recristallisation et d’extraire les paramètres physiques du matériau a partir des données expérimentales sont proposés. Enfin, la recristallisation dynamique est modélisée analytiquement, et permet de prédire le comportement mécanique et l’évolution de la taille de grain lors de la déformation. / Co-20Cr-15W-10Ni alloy (L-605) is a cobalt-based superalloy combining high strength with keeping high ductility, biocompatible and corrosion resistant. It has been used successfully for heart valves for its chemical inertia, and this alloy is a good candidate for stent elaboration. Control of grain size distribution can lead to significant improvement of mechanical properties: in one hand grain refinement enhance the material strength, and on the other hand large grains provide the ductility necessary to avoid the rupture in use. Therefore, tailoring the grain size distribution is a promising way to adapt the mechanical properties to the targeted applications. The grain size can be properly controlled by dynamic recrystallization during the forging process. Therefore, the comprehension of the recrystallization mechanism and its dependence on forging parameters is a key point of microstructure design approach. The optimal conditions for the occurrence of dynamic recrystallization are determined, and correlation between microstructure evolution and mechanical behavior is investigated. Compression tests are carried out at high-temperature on Thermec-master Z and Gleeble forging devices, followed by gas or water quench. Mechanical behavior of the material at high temperature is analyzed in detail, and innovative methods are proposed to determine the metallurgical mechanisms at stake during the deformation process. Mechanical properties of the material after hot-working and annealing treatments are investigated. The grain growth kinetics of L-605 alloy is determined, and experimental results are compared with the static recrystallization process. Microstructures after hot deformation are evaluated using SEM-EBSD and TEM. Significant grain refinement occurs by dynamic recrystallization for high temperature and low strain rate (T≥1100 ◦ C, strain rate < 0.1s−1), and at high strain rate (strain rate > 10s−1). Dynamic recrystallization is discontinuous and takes place from the grain boundaries, leading to a necklace structure. The nucleation mechanism is most likely to be bulging from grain boundaries and twin boundaries. A new insight of the modeling of dynamic recrystallization taking as a starting point the experimental data is proposed. By combining the results from the mechanical behavior study and microstructure observation, the recrystallization at steady-state is thoroughly analyzed and provides the mobility of grain boundaries. The nucleation criterion for the bulging from grain boundaries is reformulated to a more general expression suitable for any initial grain size. Nucleation frequency can be deduced from experimental data at steady-state through modeling, and is extrapolated to any deformation condition. From this point, a complete analytical model of the dynamic recrystallization is established, and provides a fair prediction on the mechanical behavior and the microstructure evolution during the hot-working process.

Les verres métalliques ont commencé à être produit dans les années 1960 et sous forme massive dans les années 1980. De nombreuses études se sont intéressées à ces matériaux sous leur forme amorphe et ont conclu qu’ils avaient une forte résistance mécanique mais présentaient un comportement très fragile. Dans le cadre du projet EDDAM débuté en 2011, ces matériaux ont été introduits sous forme de petites sphères dans une matrice d’aluminium. Le premier objectif de notre étude est de voir si le verre métallique sous cette forme permet de le rendre peu fragile. Le second objectif est de trouver une alternative aux renforts céramique dans les composites à matrice métallique qui présentent une faible cohésion à l’interface matrice/inclusion. Dans le but de caractériser l’endommagement dans des nouveaux composites amorphe-cristallins métalliques, la tomographie aux rayons X a été utilisée. Cette technique permet de caractériser de manière non destructive l’endommagement des matériaux et de le visualiser en 3D. Cela apporte une contribution à l’étude des matériaux composites par rapport aux techniques classiques utilisées. L’objectif général de cette thèse a été d’étudier l’endommagement en termes d’amorçage, de croissance et de coales- cence des matériaux composites amorphe-cristallins métallique par tomographie aux rayons X lors d’essais de traction monotone in situ. Les matériaux sélectionnés sont constitués d’une matrice aluminium ("molle" de type 1070A ou "dure" de type 5083) et de renforts en verre métallique Zr57Cu20Al10Ni8Ti5 de taille peu dispersée et répartis de manière homogène, avec différentes fractions volumiques (1%, 4% et 10%). Les matériaux composites ont été élaborés par la voie de la métallurgie des poudres au Spark Plasma Sintering (SPS) suivi d’une étape d’extrusion à chaud. Une attention particulière a été portée sur la caractérisation microstructurale des constituants de base. L’analyse qualitative a permis de comparer l’ensemble des composites fabriqués au SPS et ceux extrudés à chaud après SPS. Les différents modes d’amorçage de l’endommagement ont été observés ainsi que la croissance et la coa- lescence amenant la rupture des composites. L’analyse quantitative a été essentiellement consacrée au premier stade de l’endommagement. La croissance et la coalescence étant très rapide, il a été difficile de les suivre lors des essais interrompus. La modélisation d’un composite amorphe-cristallin métallique à matrice molle a été introduite dans le but de reproduire l’endommagement observé lors des analyses expérimentales. Cette première approche nécessite d’être approfondie dans le but de prédire, compte tenu des propriétés mécaniques des différentes phases et de la fraction volumique des renforts, le mode d’endommagement préférentiel apparaissant dans les composites étudiés. Elle montre cependant les prémices d’une modélisation innovante basée sur la microstructure expérimentale. / Metallic glasses have been produced in the 1960s and bulk metallic glasses in the 1980s. Many studies, focused on these materials in their amorphous state, concluded that they had high mechanical strength but shown low ductility. As part of EDDAM project that started in 2011, these materials were introduced as small particles in an aluminum matrix. The first objective of this study is to see if the metallic glass is less brittle in this form. The second objective is to find an alternative of ceramic reinforcements in metal matrix composites. These materials have low cohesion at the matrix/inclusion interface. In order to characterize the damage in new amorphous-crystalline composite, X-ray tomography was used. This allows to characterize damage in materials and to obtain a 3D viewing. The main objective of this thesis was to study damage (nucleation, growth and coalescence) in composite materials using X-ray tomography during tensile tests. Selected materials are constituted of an aluminum matrix and small metallic glass reinforcements (Zr57Cu20Al_10Ni8Ti5). Composites with different volume fractions (from 1vol.% to 10vol.%) were prepared by Spark Plasma Sintering (SPS) and hot extrusion. A particular attention was paid to the microstructural characterization of the basic constituents. Qualitative analysis was used to compare SPS composites with SPS plus hot extrusion composites. Damage nucleation, growth and coalescence were observed. Quantitative analysis was mainly devoted to the first damage step. Growth and coalescence were difficult to follow due to fast rupture and interrupted tensile tests. The modeling of an amorphous-crystalline composite has been introduced in order to reproduce experimental damage analyses. The first approach requires further investigation to predict damage with different volume fractions. However, this part shows the beginning of an innovative model based on the experimental microstructure.

Dans ce travail nous avons abordé l'évolution spatiale et temporelle du système d'interaction entre le point chaud de Tristan da Cunha et la dorsale de l'Atlantique Sud. Le point chaud de Tristan da Cunha et les structures associées du fond océanique (à savoir la chaîne volcanique de Walvis dans la plaque africaine et l'élévation du Rio Grande dans la plaque sud-américaine) sont parmi les plus importantes de l'océan l'Atlantique Sud. Cependant, ce système est moins étudié que les systèmes présents dans l'Atlantique Nord (par exemple Açores et Islande), et leur origine et évolution restent sujets à débat. La compilation des données de sondage bathymétrique hébergées auprès du Centre National de Données Géophysique (National Geophysical Data Center - NGDC), et les données de bathymétrie dérivées de l'altimétrie de satellites furent utilisées pour l'élaboration d'un modèle numérique de terrain (MNT) de l'ensemble de l'Atlantique Sud. Les données d'anomalie à l'air libre dérivées de l'altimétrie de satellites et les données d'épaisseurs sédimentaires furent utilisées pour le calcul de l'anomalie de Bouguer réduite au manteau (Mantle Bouguer Anomaly - MBA) et avec les données des isochrones du fond océanique furent calculées l'anomalie résiduelle de Bouguer réduite au manteau (Residual Mantle Bouguer Anomaly - RMBA), la bathymétrie résiduelle et des nouveaux pôles du mouvement relatif entre les plaques de l'Amérique du Sud et Afrique. Les données de géoïde dérivées de l'altimétrie de satellites et le Modèle Gravitationnel de la Terre (Earth Gravitational Model - EGM2008) furent utilisés pour la séparation des différentes composantes dans le signal du géoïde, grâce à des filtres retenant différents ordres et degrés d'harmoniques sphériques. À partir des reconstructions cinématiques basées sur les nouveaux pôles calculés dans ce travail, et en se basant surl'hypothèse communément admise que l'île volcanique de Tristan da Cunha se situe à l'aplomb dela position actuelle du point chaud, la chronologie des phases de mise en place des structures volcaniques a pu être précisée. Ceci a mis en évidence l'existence de plusieurs sauts d'axes et des variations périodiques de l'apport magmatique à l'axe entrainant une alternance entre périodes de construction et de rupture du plateau axial. La comparaison détaillée de la position estimée pour le point chaud de Tristan da Cunha et de la localisation des structures volcaniques de la chaine Walvis dont les âges sont connus a souligné que la formation de la chaîne Walvis ne peut pas être expliquée dans sa totalité par un modèle d'évolution faisant appel à une interaction entre la dorsale de l'Atlantique Sud et un point chaud dont la position actuelle serait l'île de Tristan da Cunha. Ensuite, nous avons évalué l'évolution temporelle de l'influence du point chaud à l'axe de la dorsale, sur aux variations de la bathymétrie résiduelle (BR) et de l'anomalie résiduelle de Bouguer réduite au manteau (RMBA), et avec l'analyse des variations du taux d'ouverture et de la distance point chaud-dorsale. Les valeurs des anomalies de RMBA et BR, lors des premières étapes d'ouverture de l'Atlantique Sud, sont plus fortes sur la plaque africaine que sur la plaque sud-américaine. Cela suggère que la position du point chaud a été sous la plaque africaine depuis le début de l'ouverture. En synthèse, on observe trois différentes périodes dans le système d'interaction entre le point chaud de Tristan da Cunha et la dorsale de l'Atlantique Sud. Une période de rapprochement de la dorsale vers le point chaud entre 115 Ma et 100 Ma, lors de laquelle on remarque l'influence du point chaud sur la dorsale sur une distance d'au moins 150 km. Ensuite, entre 95 Ma et 60 Ma, on observe que la dorsale est à l'aplomb ou très proche (< 50 km) du point chaud. Et depuis 60 Ma, un éloignement graduel et progressif de la dorsale par rapport à la position du point chaud est observé. On a pu montrer que lors des périodes de rapprochement et de proximité de la dorsale au point chaud, les variations périodiques d'apport magmatique observées sont liées aux variations du flux de panache. A partir de l'analyse de l'évolution des structures volcaniques, en association avec les données d'anomalie à l'air libre et de géochimie, les structures volcaniques ont pu être divisées en deux groupes. Un groupe formé par la bordure nord-ouest de la chaîne Walvis et appelé première phase, cohérent avec l'évolution des structures dans un contexte de transition d'une mise en place à l'axe vers une situation intraplaque, en accord avec les trois étapes (rapprochement, fixation à l'aplomb et éloignement) décrites ci-dessus. L'autre groupe, formé par la bordure sud-est de la chaîne Walvis et appelé deuxième phase, montre une signature gravimétrique caractéristique d'une mise en place intraplaque, y compris pour les structures à l'âge desquelles la dorsale est à l'aplomb du point chaud. Les deux groupes possèdent signatures géochimiques différentes en termes de rapports Zr/Nb et d'abondance en Ti. Ensuite, à partir de l'analyse comparative des différents degrés d'harmoniques sphériques du géoïde et des nouveaux résultats de tomographie sismique disponibles dans la littérature, nous avons pu montrer l'existence d'une association en profondeur entre les panaches responsables des structures volcaniques de l'élévation du Rio Grande et de la chaîne Walvis et le superpanache africain. L'identification de trois anomalies mantéliques proches des îles de Gough et RSA semblent en faire une meilleure alternative d'emplacement que l'île de Tristan da Cunha, qui est l'hypothèse communément acceptée aujourd'hui.

Lors de la formation du point chaud dans une expérience de Fusion par Confinement Inertiel, le plasma au centre de la sphère de deutérium-tritium peut être loin de l'équilibre thermodynamique local. Dans la première partie, on décrit donc un modèle cinétique ionique de type Vlasov-Fokker-Planck susceptible de prendre en compte ces déséquilibres. Après avoir rappelé les grandes étapes pour résoudre numériquement le système obtenu, on introduit la notion de moyenne entropique pour définir un nouveau schéma numérique traitant les collisions ion-électron homogènes en espace. Ce schéma est conservatif, stable et entropique sous un critère de type CFL dans sa version explicite. Dans sa version semi-implicite, on établit que ce schéma conserve l'équilibre thermodynamique. Le temps de calcul pour résoudre les équations cinétiques étant très important, il est nécessaire d'étudier la possibilité de ne résoudre ces équations que là où c'est nécessaire c'est à dire principalement au centre de la sphère de deutérium-tritium. Dans la seconde partie, on propose donc une technique de couplage cinétique-fluide, la formation du point chaud étant traitée avec le modèle cinétique, le reste avec les équations d'Euler à deux températures (températures ionique et électronique). Les ions deutérium et tritium pouvant ne pas être à l'équilibre thermodynamique, on s'est ensuite posé la question de la validité des formules analytiques donnant le taux de réaction nucléaire, formules établies en supposant que le plasma est à l'équilibre thermodynamique. Dans la troisième partie, on propose donc une méthode de type Monte-Carlo pour résoudre numériquement les équations cinétiques de type Boltzmann qui décrivent les réactions de fusion thermonucléaire et on montre qu'effectivement, les déséquilibres thermodynamiques rencontrés lors de la formation du point chaud peuvent invalider les formules usuelles.

Un sillage est la zone de perturbations turbulentes que laisse derrière lui tout corps en mouvement dans un fluide. Parmi les sillages de corps profilés auxquels on s'intéresse ici, il convient de différencier les sillages de traînée, des sillages de corps propulsés. Dans ce dernier cas, la connaissance des caractéristiques de l'écoulement présente un intérêt certain pour la détection des véhicules. L'objectif de cette étude est d'apporter les informations expérimentales les plus complètes possibles sur l'évolution du champ de vitesse. Pour cela nous avons mis en place une expérience en soufflerie aérodynamique. Le nombre de Reynolds calculé à partir de la vitesse de l'écoulement amont et du diamètre de la maquette est de 5,8.104. Un système d'acquisition automatisé des trois composantes du vecteur vitesse instantanée qui utilise une sonde anémométrique à films chauds triples a été développé spécialement. Une exploration axiale comparative entre les sillages pur et autopropulsé du même corps est effectuée pour un vaste domaine qui s'étend du sillage proche au sillage lointain (de 0,2 à 50 diamètres de maquette en aval du corps) ce qui constitue un ensemble très complet de données. La connaissance de toutes les caractéristiques temporelles du champ de vitesse permet de disposer : - des trois composantes de la vitesse moyenne - des six composantes du tenseur de Reynolds - des moments d'ordre 3 de la vitesse - des densités spectrales de puissance selon les directions axiale, radiale et tangentielle - des trois composantes de la vitesse moyenne et des six composantes du tenseur de Reynolds, analysés en phase avec la rotation de l'hélice. Un résultat original de cette étude est la mise en évidence expérimentale de l'existence d'une affinité pour un sillage lointain de corps autopropulsé par hélice. Cependant, les lois d'évolution fournies par l'analyse des équations du mouvement et reposant sur la distinction entre deux régimes extrêmes d'écoulement ne paraît pas justifiée expérimentalement. Nous avons déterminé tous les termes de l'équation d'énergie cinétique turbulente accessibles à la mesure. On a ainsi pu montrer l'affinité des échanges turbulents en champ lointain dans les deux configurations. Pour le sillage de corps autopropulsé par hélice, le fait que la production d'énergie cinétique turbulente soit négligeable dans la zone affine est un résultat expérimental important. En reprenant l'analyse dimensionnelle du problème et en ajoutant à l'approximation dite de la " couche limite " la condition d'autopropulsion, on montre que ce terme de production est effectivement négligeable devant les autres. Dès la zone intermédiaire, la forme de la densité spectrale de puissance relative se conserve selon une direction radiale, en sillage pur ou autopropulsé. Cela traduit la conservation en proportion de la répartition de l'énergie entre les différentes structures turbulentes. Dans le cas du sillage autopropulsé, l'analyse des densités spectrales de puissance met en évidence un signal " large bande " auquel viennent s'ajouter des raies spectrales. La zone de sillage proche, jusqu'à deux diamètres en aval de la maquette, est très fortement marquée par ces phénomènes d'excitation induits par le passage périodique des pales. Ce constat nous a conduits à effectuer un traitement statistique de la vitesse en phase avec la rotation de l'hélice. On a obtenu une visualisation des structures organisées de l'écoulement présentes pour une région qui s'étend jusqu'à deux diamètres du corps en aval de celui-ci.

Cette thèse est une contribution à la réduction du bruit des CROR (Counter-Rotating Open Rotor). On s'intéresse plus particulièrement aux structures tourbillonnaires émises par l'hélice amont venant impacter les pales de l'hélice aval. L'objectif prévu de la thèse est d'explorer la possibilité de modification de ces structures en vue de réduire le bruit résultant de cette interaction au décollage. La première partie de la thèse est dédiée à leur caractérisation dans un cas particulier d'hélices (HTC5). La physique de formation de la nappe est d'abord décrite avec des outils numériques. Puis, l'essentiel de l'étude est mené sur une pale fixe reproduisant la loi de circulation d'une pale de l'hélice HTC5. Une étude expérimentale de cette pale fixe permet de déterminer les propriétés du tourbillon émis et d'éprouver la méthodologie numérique. Cette étape aboutit à la définition d'un modèle analytique permettant de décrire ce tourbillon. La seconde partie de cette thèse porte sur la modification de ces structures tourbillonnaires. Dans un premier temps, une application de concepts existant dans la littérature est réalisée sur la pale fixe de façon à observer leur impact sur les tourbillons. La réflexion menée sur ces résultats nous a amené à définir un nouveau concept de modification des structures tourbillonnaires : l'excroissance de bord d'attaque. Ce concept permet la génération de deux tourbillons co-rotatifs séparés par une zone de vorticité de signe opposé. La physique d'interaction entre ces deux tourbillons est étudiée. L'application de ce concept au CROR HTC5 permet de valider les gains acoustiques.