Ce travail porte sur la modélisation des supraconducteurs à haute temperature critique (SHTC) et il est realisé dans le cadre du projet européen BIG–POWA. Ce projet réunit partenaires industriels et universitaires et a comme objectif la conception et l'exploitation de nouveaux câbles SHTC à base de fil OPIT Bi-2223, en particulier pour usage alternatif. Le but de ce travail est l'amélioration du modèle numérique supraconducteur récemment introduit dans le logiciel de calcul par éléments finis Flux3D®. Le modèle numérique utilise des modèles macroscopiques et permet accéder aux différentes grandeurs électromagnétiques. Pour faire évoluer le modèle on a integré le caractère anisotrope des phénomènes et on a pris en compte le caractère axisymetrique de certains dispositifs. Une approche expérimentale (mesures de pertes AC, études en régime de surintensité) permet de valider et de compléter la partie modélisation.

La méthode des éléments finis stochastiques (MEFS) a été développée pour modéliser l'aléa sous la forme de variables aléatoires de type quelconque dans le cadre de la mécanique linéaire élastique. Elle consiste à écrire les composantes de la réponse aléatoire du système sous la forme d'une série polynomiale de variables aléatoires (baptisée chaos polynomial), dont les coefficients sont obtenus par une méthode de type Galerkin. Le champ d'application de cette méthode étant limité, de nouvelles méthodes, dites non intrusives, permettant le calcul du développement de la réponse dans la base du chaos polynomial ont été recherchées.<br />Les méthodes MEFS et non intrusive ont été testées et comparées sur des exemples de mécanique élastique linéaire. Enfin les approches non intrusives ont été utilisées dans un cas de mécanique de la rupture non linéaire.

La méthode Symbolique Implicite Monte Carlo permet d'obtenir une approximation de la solution de l'équation du transport. Dans la méthode originelle, les fonctions d'approximation étaient choisies constantes par morceaux. On démontre qu'en prenant des fonctions linéaires par morceaux, cette méthode possède alors la limite diffusion, c'est à dire qu'en milieu diffusif, elle approche la solution de l'équation de diffusion même lorsque la taille des mailles est grande vis à vis du libre parcours, à condition que celle ci reste suffisante pour résoudre l'échelle de la diffusion. On montre que les conditions aux limites en milieu diffusif approchent, sous certaines hypothèses, les conditions aux limites exactes, ce qui autorise un traitement précis des couches limites sans devoir les mailler finement. On présente des tests numériques étayant cette analyse. On étudie également des schémas aux éléments finis linéaires discontinus et on explique pourquoi ces schémas possèdent la même limite diffusion ainsi que les mêmes conditions aux limites en milieu diffusif que la méthode Symbolique Implicite Monte Carlo.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur des méthodes d'homogénéisation et d'approximation numérique pour des écoulements mono ou multiphasiques en milieux poreux hétérogènes. Les applications visées proviennent des problèmes de l'ingénierie pétrolière, la gestion des déchets radioactifs et la gestion des ressources en eau souterraines. On s'intéresse à des méthodes numériques pour le calcul des coefficients effectifs obtenus par des méthodes asymptotiques de mise à l'échelle, à des méthodes d'éléments finis mixtes, à des méthodes de volumes finis et à leur implémentation. Des méthodes numériques ont été développées pour la simulation des écoulements miscibles ou immiscibles en milieux poreux hétérogènes. Trois thèmes sont abordés. Le premier traite de l'homogénéisation pour des écoulements mono ou multiphasiques en milieux poreux. Les résultats de convergence obtenus sont établis à l'aide de la convergence à deux échelles et/ou la L-convergence. Le calcul des paramètres effectifs nécessite la résolution de problèmes locaux sur une cellule de base. Les méthodes numériques utilisées sont de type éléments finis conformes, éléments finis mixtes et volumes finis. Nous avons développé une plate-forme (Homogenizer++), en Java, de calcul de paramètres effectifs. Homogenizer++ est basée sur une Interface Homme Machine conviviale et utilisée comme un pré-processing à des simulations numériques d'écoulements en milieux poreux hétérogènes. Le deuxième thème porte sur l'approximation numérique de systèmes d'écoulements diphasiques miscibles ou immiscibles en milieux poreux. Le modèle miscible fait intervenir une équation elliptique couplée à une équation de diffusion-convection-réaction linéaire. Tandis que le modèle immiscible fait intervenir une équation elliptique couplée à une équation de diffusion-convection nonlinéaire et dégénérée. On utilise une méthode d'éléments finis mixtes pour l'approximation de l'équation elliptique combinée à un schéma volumes finis pour l'équation de diffusion-convection. Pour chaque système, on montre que le schéma est $L^\infty$ et BV stables, sous une condition CFL, et satisfait le principe du maximum discret. Ensuite, on établit des résultats de convergence vers la solution faible du problème. Les simulations numériques réalisées confirment l'efficacité des schémas numériques proposés. Un estimateur a posteriori d'un schéma volume finis pour l'équation de Darcy a été développé pour des maillages anisotropiques. On montre théoriquement et numériquement l'efficacité de cette méthode d'adaptation de maillage. Enfin le dernier thème concerne des méthodes d'approximation numérique pour des problèmes de ressources en eau souterraines. Une méthode sans maillage couplée à un algorithme génétique a été développée et implémentée pour une équation de diffusion modélisant un écoulement monophasique en milieux poreux. Puis on montre numériquement l'efficacité d'une méthode combinant les éléments frontières et un algorithme génétique pour un problème d'intrusion d'eau marine dans les nappes aquifères.

Cette thèse a pour objectif d'étudier la modélisation et la résolution numérique de la macroségrégation pendant la solidification de lingots d'alliages métalliques binaires. La macroségrégation est une hétérogénéité de la concentration en éléments d'alliages à l'échelle du lingot. Ces changements de concentration affectent de manière importante les propriétés mécaniques et chimiques du matériau. Il est donc essentiel de pouvoir prédire ces hétérogénéités pour assurer la qualité des lingots. Après avoir décrit le contexte tant industriel que bibliographique de ce travail, nous préciserons les différents modèles implémentés dans le code de calcul THERCAST, un logiciel de solidification développé au CEMEF. La description des équations macroscopiques employées sera précédée d'une discussion sur la manière de valider la modélisation de la macroségrégation. Nous aborderons ensuite la théorie du remaillage adaptatif et nous décrirons les éléments essentiels de la stratégie de remaillage développée dans le cadre de cette thèse. Ces modèles seront appliqués à la simulation de la solidification de plusieurs lingots. La validation se fera sur un lingot de petite taille par comparaison avec des résultats expérimentaux et des simulations avec d'autres logiciels. Ensuite nous analyserons en détail les prédictions de THERCAST sur un lingot plan, un lingot 3D similaire à un lingot industriel et finalement un lingot plus petit qui nous permettra une étude numérique plus complète. Les limitations de notre modélisation et les phénomènes qu'elle a permis de mettre en évidence seront enfin discutés et permettront de définir quelques orientations intéressantes pour poursuivre cette étude de la macroségrégation.

Les propriétés des matériaux ferroélectriques proviennent principalement de l'influencedes conditions aux limites et des déformations sur la polarisation. Cette influence est encoreplus grande à de petites échelles ou des structures particulières de la polarisation apparaissent,comme les vortex dans les cubes quantiques ou des structures en rayures dans lescouches minces. Pour le calcul, à très basses échelles, de telles structures de polarisation, lesHamiltonien effectifs, basés sur les calculs ab-initio sont les plus utilisés. Parallèlement Lesmodèles continus sont préconisés à plus grandes échelles. Néanmoins, il n'existe pas de lienentre ces deux modèles. Le but de cette thèse est alors de construire une approche permettantde relier ces deux modèles et par cela même ces différentes échelles.Notre modèle se base sur un Hamiltonien effectif écrit pour le titanate de baryum enfonction de la polarisation et des déformations. Cet Hamiltonien est reformulé de façon àdécrire un milieu continu. Les difficultés de cette reformulation proviennent des interactionsnon locales. Le résultat est alors un système d'équations aux dérivées partielles, décrivantl'équilibre et les conditions aux limites. La température est ensuite introduite de façon effectivedans les coefficients de ces équations. Notre modèle ressemble fortement aux modèlesde Landau.Une telle approche est appliquée dans les cubes quantiques et les couches minces óu l'organisationdes domaines dépend de la taille. Les résultats montrent l'implication de la méthodedes éléments finis sur la précision. La formation de vortex dans les cubes quantiquesest bien reproduite. L'agencement en domaines de polarisation alternée dans les couchesminces est elle aussi bien reproduite pour les couches minces. De plus en augmentant l'épaisseurde ces couches minces, la périodicité de cet agencement alterné est modifié, comportementdécrit par la loi de Kittel qui est ici calculée et comparée aux résultats expérimentaux.

La première partie de ce mémoire est consacrée à la résolution numérique du problème de Poisson avec conditions aux limites de Dirichlet dans un domaine prismatique ou axisymétrique, possédant une arête rentrante sur sa frontière. Nous présentons la Méthode de Fourier et du Complément Singulier consistant à combiner un développement en série (de Fourier) dans la direction parallèle à l'arête et la Méthode du Complément Singulier pour les problèmes bidimensionnels associés aux modes (de Fourier). L'analyse de la MFCS conduit à une vitesse de convergence optimale en O(h) lorsqu'on utilise les éléments finis de Lagrange P1 pour la discrétisation. La méthode ne requiert aucun raffinement de maillage au voisinage de la singularité. Nous nous intéressons ensuite au calcul de la densité de charge à la pointe d'une électrode lorsque celle-ci présente un faible rayon de courbureque nous abordons par la résolution du problème électrostatique. La relation entre le rayon de courbure et le champ électrique à la surface de la pointe est décrit par la loi empirique de Peek. Toutefois, celle-ci n'est valable que pour des électrodes minces à géométrie cylindriques ou sphériques. On justifie mathématiquement cette loi et on l'étend à d'autres géométries. A l'aide des développements asymptotiques multi-échelles, on établit explicitement le comportement de la densité de charge pour des géométries coincidant avec un cône à l'infini. Enfin, nous illustrons ce comportement asymptotique par des expériences numériques réalisées en dimension deux, et en dimension trois, pour des domaines axisymétriques. Les résultats sont comparés à ceux obtenue par une méthode intégrale.

Lorsque ce travail a démarré en 1972, la méthode des éléments finis sous l'impulsion de P. Silvester et de l'équipe de Mc Gill commençait à pénétrer dans le domaine de l'électrotechnique. Elle était alors en concurrence avec la méthode des différences finies longuement étudiée par E.A. Erdelyi et ses chercheurs de l'Université du Colorado. Ces deux méthodes étaient cependant considérées comme des outils mathématiques destinés au calcul des champs magnétiques (ou électriques) dont la connaissance permettait alors d'accéder à d'autres grandeurs dont la connaissance est nécessaire à l'ingénieur. Nous avons d'abord orienté notre recherche dans ce sens en essayant toutefois de rechercher plus une méthode de modélisation de la machine qu'un outil de calcul des champs. C'est la raison pour laquelle nos travaux ont été orientés vers la définition d'éléments permettant une bonne représentation de la géométrie de la machine. Ce souci de réaliser des modèles facilement utilisables nous a toujours guidés dans la construction d'un programme de calcul interactif dont le maniement par l'ingénieur puisse être rendu aisé grâce à l'existence de certains modules de contrôle des données et d'observation des résultats. Le souci de conserver à ce programme un temps de réponse suffisamment performant pour justifier l'utilisation conversationnelle nous a fait optimiser les algorithmes de résolution. L'ensemble ainsi construit constitue le système FLUX maintenant opérationnel et dont l'existence d'un manuel d'utilisation ne justifiait pas l'insertion au sein de cette thèse. L'expérience que nous avons acquise au cours de nos travaux et l'évolution des recherches maintenant très nombreuses effectuées sur la méthode des éléments finis nous a conduits à considérer la méthode des éléments finis comme un véritable instrument de conception assistée par ordinateur des dispositifs électromagnétiques. Lorsque l'on réfléchit à l'utilisation de l'ordinateur dans l'analyse des systèmes physiques on est très vite frappé par le rôle fondamental joué dans tous les exemples étudiés par le principe de décomposition et méthodologie de l'approximation. C'est la raison pour laquelle nous avons au cours de notre premier chapitre replacé les méthodes numériques dans le cadre de l'étude des systèmes où elles constituent une étape particulière de la décomposition et s'appuient toujours sur une méthode d'approximation. Le souci d'adapter la méthode des éléments finis à la conception assistée des dispositifs électromagnétiques les plus généraux nous obligeait à la recherche d'une formulation aussi générale que possible de la fonctionnelle énergétique dont l'optimisation sera la base de l'application de la méthode des éléments finis. Nous avons développé cette fonctionnelle (dans le chapitre II) pour l'analyse des champs tridimensionnels dans des milieux non linéaires pouvant être le siège de courants de Foucault. La fonctionnelle construite il restait à définir la décomposition du domaine et l'approximation des grandeurs physiques elles mêmes sur ce domaine, c'est l'objet du chapitre III où nous développons la construction des éléments finis de références que nous appelons simplexes et dont la connaissance (forme et fonctions de base) permet la construction de familles d'éléments dont l'assemblage permet la modélisation de tous les domaines rencontrés dans les applications pratiques. Enfin, la modélisation et la simulation de tout convertisseur électromécanique ne pouvait se concevoir sans un travail de réflexion approfondi sur les forces de toute nature dont ce convertisseur est le siège et sur les moyens d'évaluer ces forces. La dualité qui existe au sein de la fonctionnelle entre la notion de potentiel vecteur et celle de déplacement permet d'appliquer directement le principe des travaux virtuels pour obtenir à partir de la fonctionnelle d'énergie une formulation originale des forces exercées sur tout élément de surface soumis à un déplacement. La conclusion de notre travail développera quelques unes des directions de recherches dans lesquelles nous souhaiterions voir s'engager les travaux à venir...

La présence d'objets métalliques en Imagerie par Résonance Magnétique provoque des dysfonctionnements qui peuvent se manifester par des artefacts, des échauffements, ... Dans le présent travail, on construit et étudie des modèles mettant en évidence le phénomène d'échauffement.<br /><br />Dans la première partie, on étudie l'antenne cage d'oiseau. On montre que les pulsations de résonance sont les valeurs propres d'un problème aux valeurs propres généralisé et on développe une méthode de calcul efficace de celles-ci. On étudie ensuite les propriétés du champ radiofréquence à l'aide de simulations numériques : mouvement de rotation en tout point et homogénéité au centre de l'antenne.<br /><br />Dans la deuxième partie, on modélise le problème magnétique associé à l'IRM par les équations de Maxwell avec le champ radiofréquence comme condition aux limites. On montre que ce problème est bien posé en dimension 3 et qu'il est équivalent à une série de problèmes axisymétriques bidimensionnels découplés. Des calculs numériques sont effectués sur les problèmes axisymétriques, qui confirment les résultats théoriques obtenus.

Dans le cadre de la simulation de procédés de mise à forme par la méthode des éléments finis, le formalisme Arbitraire Lagrangien Eulérien (ALE) permet de découpler le mouvement du maillage et de la matière. Pour de très grandes déformations, la qualité du maillage peut être ainsi améliorée sans avoir recours à une procédure de remaillage complexe et coûteuse. Un second domaine d'application du formalisme ALE est la simulation de procédés stationnaires pour lesquels le maillage peut rester fixe dans la direction de l'écoulement de matière. Ce type de maillage quasi eulérien permet de diminuer le nombre d'éléments finis du modèle numérique par rapport à une simulation lagrangienne classique. En conséquence, le temps de calcul est également réduit. Bien que le formalisme ALE ne soit pas nouveau, il est rarement utilisé en pratique. D'une part, les techniques de repositionnement de noeuds tridimensionnelles ne sont pas évidentes à mettre en oeuvre et, d'autre part, il n'existe pas de schéma de transfert de données précis adapté aux éléments finis à plus d'un point de Gauss tels que ceux utilisés en dynamique implicite. Cette thèse tente de combler ces deux lacunes: une méthode de repositionnement de noeud sur les surfaces libres du solide est présentée. Elle est très robuste et permet de conserver la forme des surfaces malgré le mouvement arbitraire du maillage. Concernant le transfert des données, un schéma de convection 3D précis au second ordre et utilisable pour des éléments finis à plusieurs points de Gauss est déduit d'un opérateur de projection. L'efficacité et la généralité de l'algorithme ALE qui en résulte sont ensuite démontrées sur une série d'applications de plus en plus complexes: impact d'une barre de Taylor, traction d'une barre d'Hopkinson, double extrusion, laminage, planage et profilage à froid. Dans chaque cas, les résultats ALE sont comparés avec des résultats lagrangiens traditionnels ainsi que des mesures expérimentales lorsque celles-ci sont disponibles.