À toutes les échelles de l'Astrophysique, l'impact de l'ionisation venant des étoiles massives est une question cruciale. A l'échelle galactique, l'ionisation peut réguler la formation des étoiles en soutenant les nuages moléculaires contre l'effondrement gravitationnel et à l'échelle stellaire, diverses indications pointent vers une naissance possible du système solaire à proximité des étoiles massives. À l'échelle du nuage moléculaire, il est clair que le gaz chaud et ionisé comprime le gaz froid qui l'entoure, conduisant à la formation des piliers, des globules, et des coquilles de gas dense dans lesquelles des coeurs pré-stellaires sont observés. Quels sont les mécanismes de formation de ces structures? La formation de ces coeurs pré-stellaires est-elle déclenchée par l'ionisation ou préexistante ? Les étoiles massives ont-elles un impact sur la distribution en densité du gaz environnant ? Ont-elles un impact sur la distribution des étoiles en fonction de leur masse (la fonction de masse initiale, IMF) ? Cette thèse vise à apporter des éléments de réponse à ces questions, en se concentrant en particulier sur la compréhension de la formation des structures entre le gaz froid et ionisé. Nous présentons l'état de l'art des travaux théoriques et des observations des régions ionisées (régions Hii) et nous introduisons les outils numériques qui ont été développés pour modéliser l'ionisation dans les simulations d'hydrodynamique turbulente effectuées avec le code HERACLES. Grâce aux simulations, nous présentons un nouveau modèle pour la formation des piliers basés sur la courbure et l'effondrement de la coquille dense sur elle-même et un nouveau modèle pour la formation de globules basé sur la turbulence du gaz froid. Plusieurs diagnostics ont été développés pour tester ces nouveaux modèles sur les observations. Si les piliers sont formés par l'effondrement de la coquille dense sur elle-même, le spectre en vitesse d'un pilier en formation présente un spectre avec une composante décalée vers le rouge et une composante décalée vers le bleu correspondant aux parties de la coquille en avant-plan et en arrière-plan qui rentrent en collision sur la ligne de visée. Si les globules émergent en raison de la turbulence du nuage moléculaire, le spectre en vitesse de ces globules est décalé à des vitesses différentes de celles de la coquille, des piliers et des coeurs denses qui suivent l'expansion globale de la région H ii. Un autre diagnostic est l'impact de la compression sur la fonction de densité de probabilité (PDF) du gaz froid. La distribution a un double pic lorsque la pression dynamique turbulente est faible par rapport à la pression du gaz ionisé. Il s'agit de la signature de la compression causée par l'expansion de la bulle ionisée. Quand la turbulence est élevée, les deux pics fusionnent et la compression peut encore être identifiée, mais la signature est moins claire. Nous avons utilisé des cartes de densité de colonne Herschel et des données de raies moléculaires pour caractériser la structure en densité et vitesse de l'interface entre le gaz ionisé et le gaz froid dans plusieurs régions : RCW 120, RCW 36, Cygnus X, la Nébuleuse de la Rosette et de l'Aigle. En plus des diagnostics issus des simulations, des prédictions analytiques des paramètres de la coquille et des piliers ont été testées et confrontées aux observations. Dans toutes ces régions, les modèles analytiques et les diagnostics issus des simulations donnent des résultats concluants. La structure en vitesse d'un pilier en formation dans la nébuleuse de la Rosette suggère qu'il a été formé par l'effondrement de la coquille sur elle-même et la dispersion des vitesses moyennes des globules dans Cygnus X et dans la Nébuleuse de la Rosette tend à confirmer leur origine turbulente. La compression due au gaz ionisé est visible sur la PDF du gaz froid dans la plupart des régions étudiées. Ce résultat est important pour le lien entre l'IMF et les propriétés globales du nuage. Si l'IMF peut être déduite de la PDF d'un nuage, l'impact des étoiles massives sur la PDF doit être pris en compte. En outre, nous présentons des simulations dédiées de RCW 36 qui suggèrent que les coeurs denses au bord du gaz ionisé ne sont pas pré-existants, leur formation a été déclenchée par la compression due à l'ionisation. En conséquence, l'ionisation des étoiles massives est un processus clé qui doit être pris en compte pour la compréhension de l'IMF. En annexe, nous présentons également des travaux réalisés en parallèle de cette thèse : l'échange de charge dans la collision entre vents planétaires et stellaires, en collaboration avec le professeur E. Chiang, à l'école d'été ISIMA 2011 à Pékin; et le test de site en sub-millimétrique sur la station Concordia en Antarctique avec l'équipe CAMISTIC (PI : G. Durand).

Dans cette thèse, les propriétés rhéologiques du sang sont étudiées suivant deux approches differentes. Les propriétés de l'écoulement du plasma sont analysées selon trois modes différents : sous cisaillement, en extension et en constriction. Jusqu'à présent, le plasma était considéré comme un fluide newtonien, et le comportement complexe du sang était simplement attribué à la présence des globules rouges. Les expériences menées ont montré un comportement visco-élastique du plasma, que doit désomais être pris en compte dans les études futures. La deuxième axe traite des globules rouges. Leur assemblage en agrégats rectilignes est à l'origine du comportement rhéofluidifiant, mais les causes de la formation des agrégats restent encore vagues. L'énergie d'interaction entre deux cellules et la distribution des tailles des clusters dans des canaux microfluidiques ont été mesurées en présence de dextran et de fibrinogène. Comme les agrégats sont normalement cassés à des taux de cisaillement élevés, on a cru qu'ils ne jouaient pas de rôle dans l'écoulement du sang. Mais le fait que le nombre de clusters augmente à des concentrations physiologiques de fibrinogène, même pour des taux de cisaillement correspondant à ceux du système microvasculaire, il est clair que l'agrégation ne peut pas être négligée dans la description de l'écoulement du sang en le réseau capillaire.

L'objectif principal de cette thèse est consacré à l'étude de la dynamique et la rhéologie d'une suspension de particules denses qui se comportent comme des fluides complexes. La premier partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la déformation, le comportement dynamique et la rhéologie d'une suspension de vésicule (un modèle simple pour les globules rouges) sous l'action d'un écoulement externe appliqué (cisaillement simple et Poiseuille confiné) dans la limite de faible nombre de Reynolds. L'étude basée sur des simulations numériques en utilisant la méthode des intégrales de frontière. Cette étude est inspirée par le comportement des globules rouges dans le système microvasculaire. Notre étude est ensuite consacrée aux effets du confinement et du nombre capillaire sur la forme, le comportement dynamique et la viscosité effective d'une suspension de vésicules. Nous avons montré que pour des membranes rigides (nombre capillaire petit), on peut observer en plus de la forme parachute et pantoufle, les formes suivantes : (i) forme d'oscillation centrée, (ii) forme d'oscillation décentrée et (iii) la forme cacahuète. Egalement, nous avons examiné l'influence du contraste de viscosité sur la dynamique et la rhéologie d'une vésicule. Nous avons montré qu'il existe une phase de "coexistence" entre la forme pantoufle et la forme parachute. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons proposé un modèle analytique et une étude numérique pour étudier les propriétés dynamiques et rhéologiques d'une suspension de particules rigides sous écoulement de Poiseuille confiné. Le débit, la dissipation et la viscosité apparente sont étudiés en fonction de la structure des plaques dans le canal. Egalement, l'étude numérique d'une suspension de particules sphériques (formes des chaînes de particules) est en accord qualitatif avec le modèle analytique qui considère les longues plaques. Cette étude numérique est basée sur une méthode de la dynamique des particules du fluide, où les particules sont représentées par un champ scalaire ayant une viscosité élevée à l'intérieur.

J'ai caractérisé expérimentalement la formation de clusters au cours du passage de globules rouges (GRs) sains et drépanocytaires dans microcapillaires droites. L'effet de l'agrégation a été également étudié. J'ai montré que la formation des clusters dans des conditions physiologiques est due à la combinaison des interactions hydrodynamiques et des celles causées par les macromolécules du plasma. En effet, les interactions macromoléculaires ne sont pas complètement atténuées sous contraintes de cisaillement physiologiques et au contraire ils contribuent à la stabilité des clusters. En outre, j'ai découvert la présence d’une distribution bimodale en ce qui concerne les distances entre les cellules constituant les clusters hydrodynamiques.En plus, j'ai étudié expérimentalement le comportement collectif des globules rouges drépanocytaires oxygénés et leur distribution radiale le long de microcapillaires cylindriques avec un diamètre comparable à ces des veinules et des artérioles humaines. J'ai trouvé que les GRs montrent une distribution hétérogène en fonction de leur densité: les cellules plus légères ont tendance à rester prés du centre du canal, alors que la plupart des cellules denses (et aussi plus rigides) auto-marginent sous des conditions définies. L'agrégation semble d'inhiber l'auto-margination en fonction des patients et en particuliers des facteurs d’agrégation: le dextrane, par exemple, favorise l'auto-margination dans certains patients et il la diminue dans des autres. Le plasma montre de contraster l'auto-margination des GRs dans tous les sujets, en soulignant l'importance des protéines et des molécules adhésives du plasma dans les phénomènes d'agrégation. Finalement, j'ai observé que l'auto-margination se manifeste naturellement au cours de l’écoulement de globules rouges drépanocytaires. / I experimentally characterized the clustering formation of healthy and sickle red blood cells (RBCs) flowing through straight micro-capillaries. The effect of aggregation was also investigated. I found that cluster formation under physiological conditions is most likely caused by a combination of hydrodynamic and macromolecule-induced interactions. Macromolecule-induced interactions are not fully overcome by shear stresses within the physiological range, and they contribute to cluster stability. Moreover, I found that a pronounced bimodal distribution of the cell-to-cell distances in the hydrodynamic clusters is produced.Additionally, I investigated experimentally the collective behavior of oxygenated sickle RBCs and their distribution along cylindrical micro-capillaries with diameters comparable to a human venule or arteriole. I have shown that there is a heterogeneous distribution of RBCs according to their density: low-density cells tend to stay closer to the center of the channel, while most dense cells (also more rigid) self-marginated under defined conditions. Aggregation seems to inhibit self-margination depending on the aggregative factor and patient: dextran allows self-margination in some patients and inhibits it in others. Plasma inhibits self-margination of cells in all cases, highlighting the importance of the plasma proteins and adhesive molecules in the aggregation phenomena.

Dans ce travail, nous développons un cadre de calcul dédié à la simulation d'écoulements à plusieurs fluides. Nous présentons des validations et vérifications de ces méthodes sur des problèmes de capture d'interfaces et de simulations de bulles visqueuses.Nous montrons ensuite que ce cadre de calcul est adapté à la simulation d'objet rigides en écoulement.Puis, nous étendons ces méthodes à la simulation d'objets déformables simulant le comportement des globules rouges : les vésicules. Nous validons aussi ces simulations.Enfin nous appliquons les précédents modèles à des problèmes ouverts de microfluidique tels que la séparation d'une suspension dans une bifurcation microfluidique et la rhéologie en milieu confiné. / In this work, we develop a framework dedicated to the simulation of multi-fluid systems. We present validations and verifications of these methods on interface capture problems and viscous bubbles simulations.We then show that this framework is well fitted for the simulation of the rigid bodies flow.Next, we extend these methods to the simulation of deformable objects reproducing the behavior of red blood cells: the vesicles. We also validate these simulations.Finally, we apply the previous models to open micro-fluidic problems such as the splitting of a suspension at a bifurcation and the rheology in a confined environment.

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Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le travail a été réalisé en collaboration avec le laboratoire de mécanique acoustique de Marseille, France. Les simulations ont été menées avec les langages Matlab et C. Ce projet s'inscrit dans le champ de recherche dénommé caractérisation tissulaire par ultrasons. / Plusieurs études ont démontré une association entre l’agrégation érythrocytaire du milieu sanguin et plusieurs anomalies hémorhéologiques. Cette agrégation peut être quantifiée à l'aide du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Pour décrire l’interaction entre l'onde ultrasonore et les tissus biologiques, on se sert de modèles. Ainsi, le modèle de facteur de structure (MFS) est utilisé pour évaluer le coefficient de rétrodiffusion des globules rouges agrégés. Toutefois, ce modèle numérique ne permet pas des mesures en temps réel du niveau d’agrégation et n'informe pas sur la structure du milieu sanguin comme par exemple la taille de l’agrégat. Pour pallier à ces difficultés, nous proposons un modèle où la théorie du milieu effectif est combinée au modèle de facteur de structure. Tout en permettant une mesure en temps réel de l’agrégation, ce modèle nommé TMEMFS fournit en plus deux indices structuraux de l’agrégation: le rayon de l’agrégat ainsi que sa compacité. Par le biais de simulations numériques en 3D, on a comparé le coefficient de rétrodiffusion suivant les modèles MFS et TMEMFS. Ceci dans le but de vérifier que dans la solution du problème direct, les propriétés acoustiques des globules rouges et les propriétés structurales du milieu agrégeant correspondaient à la réalité. Pour simuler des agrégats de globules rouges, une disposition hexagonale compacte a été utilisée. Les effets du rayon et de la compacité sur le coefficient de rétrodiffusion ont été étudiés. Basé sur la microstructure sanguine considérée, les résultats obtenus avec le modèle TMEMFS sont semblables à ceux du modèle MFS. Ce travail constitue un support théorique pour une mesure quantitative in vivo de l’agrégation érythrocytaire à des fins diagnostics. / Many studies have reported that an enhanced level of red blood cell aggregation is associated with the presence of hemorheological disorders. Pathological aggregation has been characterized by quantitative ultrasound based on the backscattering coefficient. In order to describe the interaction between the incident ultrasound and the interrogated biological tissues, mathematical models are used. Mathematical modeling is known to be the optimal way to describe the interaction occurring between ultrasound and tissues at the cellular level. The structure factor model (SFM), considered as the exact scattering model has been developed to predict the backscattering coefficient from blood. However, the numerical SFM cannot be applied in real time for practical measurements and does not provide aggregate size to assess the level of aggregation. Therefore, we come up with a new model based on the effective medium theory in order to tackle this difficulty. The effective medium theory combined with the structure factor model (EMTSFM) can be applied in real time and contrary to the SFM provides two indices of the aggregate state in vivo: aggregate size and compactness. Based on a 3D simulation study, the backscattering coefficients (BSCs) predicted by the effective medium theory combined with the Structure Factor Model (EMTSFM) are compared to the BSCs computed with SFM. Our aim here is to assess the accuracy of the EMTSFM against the SFM by comparing their BSC in the framework of a forward problem, i.e., the calculation of the BSC from the known acoustic and structure aggregate parameters. This was done in order to validate the proposed model. To simulate aggregates, RBCs are stacked following a hexagonal close packing scheme. The influences of the aggregate radius and compactness on the BSC are studied as well. The results showed good agreement between the SFM and the EMTSFM based on our simulated microstructure of RBC aggregates. Our work provides thus the theoretical background to assess locally the aggregation level for diagnosis purposes.

La circulation sanguine joue un rôle vital en microcirculation, et ce pour le transport de l'oxygène, le dioxide de carbone et d'autres nutriments. Les globules rouges (GR) constituent la majorité des cellules du sang, c'est pourquoi par "écoulement sanguin", nous entendrons "écoulement d'une suspension de GR". Pendant longtemps l'écoulement sanguin était vu comme un phénomène passif où les GR sont considérés comme des cargos d'oxygène. La vision moderne est tout autre: l'écoulement sanguin est bel et bien un phénomène actif. Les GR ainsi que les cellules endothéliales (qui tapissent les faces internes des vaisseaux sanguins) sont impliquées dans un grand nombre de signalisations biochimiques induites par les contraintes hydrodynamiques, la route vers des régulations vasomotrices sans l'intervention du système nerveux. Par exemple, les GR ne transportent pas que l'oxygène, mais également de l'ATP (adenosine triphosphate), qui est libérée suite à des changements de conformation de protéines membranaires induite par les contraintes hydrodynamiques. Cette thèse est dédiée à la circulation sanguine et son couplage avec la signalisation biochimique ayant lieu en microcirculation. Plus précisément, les questions traités dans cette thèse sont i) la dynamique des GR, ii) le problème de la diffiusion-advection d'espèces chimiques au sein des écoulements sanguins, et iii) le rôle de la géométrie des réseaux vasculaires dans le processus de la signalisation biochimique mentionnés plus haut. Dans un premier temps nous analysons la dynamique de GR dans un écoulement de Poiseuille en présence de valeurs réalistes de contraste de viscosité. Dans un deuxième temps nous développons un modèle de diffusion-advection et le couplons aux écoulements sanguins en adoptant la méthode de Boltzmann sur réseaux; nous exploitons ensuite formulation en l'appliquant au problème de la libération de l'ATP par les GR sous écoulement. Enfin nous présentons des résultats préliminaires pour la problématique générale de l'écoulement sanguin mettant en jeu l'ATP libéré par les GR et la signalisation de calcium par les cellules endothéliales. Cette étude constitue un premier pas vers le problème général et ambitieux de la régulation locale mechano-biochimique impliquée dans la microcirculation. / Blood flow in microcirculation is vital for oxygen, carbon dioxide and nutrients transport. Most of blood cells are red blood cells (RBCs), so that by blood flow we mean flow of a suspension of RBCs. For long time blood flow has been mainly considered as a passive phenomenon, in which RBCs are viewed as passive carriers of oxygen. The modern view is completely different: blood flow is more active than we thought. The RBCs as well as vascular endothelial cells covering the internal walls of blood vessels are involved in a number of biochemical signaling processes that are triggered by shear stress eliciting a number of biochemical events, and ultimately resulting into vasomotor regulation without participation of the nerve system. For example, RBCs do not only carry oxygen but also ATP (adenosine triphosphate) , the release of which occurs thanks to changes of RBC membrane protein conformations caused by shear stress. Released ATP reacts with some endothelial membrane receptors leading to vasodilation. This thesis is devoted to blood flow and its coupling to biochemical signaling. More precisely, we investigate i) the dynamics of RBCs, ii) the advection diffusion of chemicals in blood flow and the role of iii) the geometry of vessel networks, in the mentioned signaling processes in microcirculations. Firstly, we study the RBC dynamics in a pipe flow with realistic viscosity contrast values, where a link between shape dynamics and rheology is established. Secondly, we develop an advection-diffusion solver that can handle general moving curved boundaries based on lattice-Boltzmann method (LBM); we then implement it for the study of the problem of ATP release from RBCs under shear flow. Membrane tension and deformation induced by shear stress together with vessel network geometry contribute to ATP release. Finally we demonstrate the capability of applying our model and our numerical tool to the complete problem of blood under flow involving ATP release from RBCs and endothelial calcium signaling as a preliminary step to the ambitious task of mechano-involved local regulation events in microcirculation.

Globulettes have recently been found in the Rosette Nebula, the Carina Nebula and other nebulæ. They are expected to be seeds of brown dwarfs and free-floating planetary-mass objects. The size distribution in the Carina Nebula was found to follow a power-law, and the same power-function resulted in 880 +- 250 globulettes in total in the Rosette Nebula. Compared to the 145 observed objects in this nebula, many globulettes are beneath the resolution limit of the Nordic Optical Telescope, which was used to explore the Rosette Nebula. A simulation that arranged all these globulettes randomly in the nebula determined that some globulettes are captured by stars. They are believed to form into one or more planets, orbiting the star thereafter. The possibility that globulettes result into the formation of planets, orbiting a star, is some 4.75·10^2 per cent. According to this simulation, about 3.35·10^3 per cent of the stars with spectral type A to M host one or more planets that once have been globulettes. / <p>Validerat; 20101217 (root)</p>