Ces travaux se concentrent sur la résolution de problèmes de mécanique des fluides compressibles. De nombreuses méthodes numériques ont depuis plusieurs décennies été développées pour traiter ce type de problèmes. Cependant, l'évolution et la complexité des architectures informatiques nous poussent à actualiser et repenser ces méthodes numériques afin d'utiliser efficacement les calculateurs massivement parallèles. Au moyen de modèles de performance, nous analysons une méthode numérique de référence de type Lagrange-Projection afin de comprendre son comportement sur les supercalculateurs récents et d'en optimiser l'implémentation pour ces architectures. Grâce au bilan de cet analyse, nous proposons une formulation alternative de la phase de projection ainsi qu'une nouvelle méthode numérique plus performante baptisée Lagrange-Flux. Les développements de cette méthode ont permis d'obtenir des résultats d'une précision comparable à la méthode de référence. / This works are dedicated to hydrodynamics. For decades, numerous numerical methods has been developed to deal with this type of problems. However, both the evolution and the complexity of computing make us rethink or redesign our numerical solver in order to use efficiently massively parallel computers. Using performance modeling, we perform an analysis of a reference Lagrange-Remap solver in order to deeply understand its behavior on current supercomputer and to optimize its implementation. Thanks to the conclusions of this analysis, we derive a new numerical solver which by design has a better performance. We call it the Lagrange-Flux solver. The accuracy obtained with this solver is similar to the reference one. The derivation of this method also leads to rethink the Remap step.

Les turbines à gaz aéronautiques doivent satisfaire des normes d'émissions polluantes toujours en baisse. La formation de polluants est directement liée à la qualité du mélange d’air et de carburant en amont du front de flamme. Ainsi, leur réduction implique une meilleure prédiction de la formation du spray et de son interaction avec l'écoulement turbulent gazeux. La simulation aux grandes échelles (SGE) semble un outil numérique approprié pour étudier ces mécanismes. Le but de cette thèse est d’évaluer l'impact de modèles d'injection simplifiés sur la SGE de l'écoulement diphasique évaporant d’une configuration complexe. La configuration cible choisie est un brûleur aéronautique installé sur le banc expérimental MERCATO. Le banc expérimental est equipé d’un système d’injection d'air vrillé et d’un système d'injection liquide avec un atomiseur pressurisé swirlé représentatif de foyers aéronautiques réels. Dans un premier temps, un modèle d'injection simplifié pour atomiseurs pressurisés swirlés négligeant les effets de l'atomisation sur la dynamique du spray est présenté. L'objectif principal de ce modèle réside dans la reproduction de conditions d’injection similaires pour des traitements Eulériens et Lagrangiens de la phase particulaire. Dans un second temps, la composante Lagrangienne de ce modèle d'injection est combinée à un modèle d'atomisation secondaire de la litérature pour permettre une prise en compte partielle des phénomènes de pulvérisation liquide. Les SGE de l'écoulement diphasique évaporant de la configuration MERCATO présentées comportent deux aspects. Premièrement, différents modèles d’injection sont évalués pour quantifier leur impact sur la dynamique de la phase particulaire. Deuxièmement, une comparaison de simulations Euler-Euler et Euler-Lagrange reposant sur un modèle d'injection unifié est effectuée. / Aeroautical gas turbines need to satisfy growingly stringent demands on pollutant emission. Pollutant emissions are directly related to the quality of fuel air mixing prior to combustion. Therefore, their reduction relies on a more accurate prediction of spray formation and interaction of the spray with the gaseous turbulent flowfield. Large-Eddy Simulation (LES) seems an adequate numerical tool to predict these mechanisms. The objective of this thesis is to evaluate the impact of simplified injection methods on the LES of the evaporating two-phase flow inside a complex geometry. The chosen target configuration is an aeronautical combustor installed on the MERCATO test-rig. The experimental setup includes an air-swirler injection system and a pressureswirl atomizer typical of realistic aeronautic combustors. In a first step, a simplified injection model for pressure swirl atomizers neglecting the impact of liquid disintegration on spray dynamics is presented. The main objective of this model lies in the reproduction of similar injection conditions for Eulerian and Lagrangian representations of the dispersed phase. In a second step, the Lagrangian injection method is combined to a secondary breakup model of the literature to partly account for the liquid disintegration process. The presented LES’s of the evaporating two-phase flow inside the MERCATO geometry consider two different aspects. First, the impact of injection modeling on spray dynamics is assessed. Second, Euler-Euler and Euler-Lagrange simulations relying on the common simplified injection model are compared.

La réduction des émissions polluantes est actuellement un enjeu majeur au sein du secteur aéronautique. Parmi les solutions développées par les motoristes, la combustion en régime pauvre apparaît comme une technologie efficace pour réduire l’impact de la combustion sur l’environnement.Or, ce type de technologie favorise l’apparition d’instabilités de combustion issues d’un couplage thermo-acoustique. Des études expérimentales précédemment menées à l’ONERA ont mis en évidence l’importance de l’atomisation au sein d’un injecteur multipoint sur le phénomène d’instabilités de combustion. L’objectif de cette thèse est de mettre en place la méthodologie multi-échelle pour reproduire les phénomènes de couplage entre l’atomisation du jet liquide en présence d’un écoulement gazeux transverse (configuration simplifiée d’un point d’injection d’un injecteur multipoint) et d’une perturbation acoustique imposée, représentative de l’effet d’une instabilité de combustion. Ce type d’approche pourra, à terme, être utilisé pour la simulation instationnaire LES d’un système de combustion, et permettra de déterminer les temps caractéristiques de convection du carburant liquide pouvant affecter les phénomènes d’évaporation et de combustion, et donc l’apparition des instabilités de combustions. Afin de valider cette approche,les résultats issus des simulations sont systématiquement comparés aux observations expérimentales obtenues dans le cadre du projet SIGMA. Dans un premier temps, une simulation du jet liquide en présence d’un écoulement gazeux transverse est réalisée. Cette simulation a permis de valider l’approche multi-échelle : pour cela, les grandes échelles du jet, ainsi que les mécanismes d’atomisation reproduits par les simulations, sont analysés. Ensuite, l’influence d’une perturbation acoustique sur l’atomisation du jet liquide est étudiée. Les comportements instationnaires du jet et du spray issu de l’atomisation sont comparés aux résultats expérimentaux à l’aide des moyennes temporelles et des moyennes de phase. / The reduction of polluting emissions is currently a major issue in the aeronautics industry.Among the solutions developed by the engine manufacturers, lean combustion appears as an effectivetechnology to reduce the impact of combustion on the environment. However, this type oftechnology enhances the onset of combustion instabilities, resulting from a thermo-acoustic coupling.Experimental studies previously conducted at ONERA have highlighted the importanceof atomization in a multipoint injector to the combustion instabilities. The aim of this thesis isto implement the multi-scale methodology to reproduce the coupling phenomena between theatomization of the liquid jet in the presence of a crossflow (which is a simplified configuration ofan injection point of a multipoint injector) and an imposed acoustic perturbation, representativeof the effect of combustion instabilities. This type of approach can ultimately be used for the unsteadysimulation of a combustion system, and will determine the characteristic convection timesof the liquid fuel that can affect the phenomena of evaporation and combustion, and therefore theappearance of combustion instabilities. In order to validate this approach, the results obtainedfrom the simulations are systematically compared with the experimental observations obtainedwithin the framework of the SIGMA project. First, a simulation of the liquid jet in gaseous crossflowis performed. This simulation enabled us to validate the multi-scale approach : to this end,the large scales of the jet, as well as the atomization mechanisms reproduced by the simulations,are analyzed. Then, the influence of an acoustic perturbation on the atomization of the liquidjet is studied. The unsteady behavior of the jet and the spray resulting from the atomization arecompared with the experimental results using time averages and phase averages.

On s'intéresse dans ce mémoire aux équations de la magnétohydrodynamique (MHD) dans des milieux hétérogènes, i.e. dans des milieux pouvant présenter des variations (éventuellement brutales) de propriétés physiques. En particulier, on met ici l'accent sur la résolution des équations de Maxwell dans des milieux avec des propriétés magnétiques inhomogènes. On présentera une méthode non standard pour résoudre ce problème à l'aide d'éléments finis de Lagrange. On évoquera ensuite l'implémentation dans le code SFEMaNS, développé depuis 2002 par J.-L. Guermond, C. Nore, J. Léorat, R. Laguerre et A. Ribeiro, ainsi que les premiers résultats obtenus dans les simulations de dynamo. Nous nous intéresserons par exemple au cas de la dynamo dite de Von Kármán, afin de comprendre l'expérience VKS2. En outre, nous aborderons des cas de dynamo en précession, ou encore le problème de la dynamo au sein d'un écoulement de Taylor-Couette. / We focus on the magnetohydrodynamics (MHD) equations in hetereogeneous media, i.e. media with (possibly brutal) variations on the physical properties. In particular, we are interested in solving the Maxwell equations with discontinuous magnetic properties. We introduce a method that is, to the best of our knowledge, new to solve this problem using only Lagrange Finite Elements. We then discuss its implementation in SFEMaNS, a numerical code developped since 2002 by J.-L. Guermond, C. Nore, J. Léorat, R. Laguerre and A. Ribeiro. We show the results of the first dynamo simulations we have been able to make with this solver. For instance, we present a kinematic dynamo in a VKS setup, as well as some results about dynamo action induced either by a Taylor-Couette flow, or by a precessionnally driven flow.

[pt] No atual modelo econômico do setor elétrico, é necessário identificar os agentes beneficiados pelos serviços ancilares à transmissão de potência de forma a alocar adequadamente os custos de investimento, de operação e manutenção do equipamento necessário para a prestação do serviço. Entre os serviços ancilares, destaca-se o suporte de potência reativa para a regulação de tensão. Este trabalho apresenta um método baseado nos multiplicadores de Lagrange de um problema de otimização associado ao cálculo das medidas corretivas necessárias para lidar com níveis de tensão inadequados. Dois critérios de otimização são definidos: mínimo corte de carga e mínima alocação de potência reativa. Os multiplicadores de Lagrange definem a responsabilidade de cada barra quando ocorrem violações de tensão no sistema. O método permite não só identificar as barras beneficiadas pelo equipamento de compensação de potência reativa como também alocar os custos entre elas. É priorizada a confiabilidade do sistema, analisando as contingências possíveis e considerando suas respectivas probabilidades de ocorrência. O programa computacional NH2, desenvolvido pelo CEPEL, é a ferramenta básica para o desenvolvimento deste trabalho. O método é aplicado, a título de ilustração, ao sistema IEEE - RTS de 24 barras e ao sistema da Área Rio. Os resultados obtidos são comparados com um método já existente, que define fatores de alocação de custos medindo os benefícios às barras devido ao suporte de potência reativa. Esta comparação, benefício x responsabilidade, e a própria teoria dos dois métodos, mostram que o método proposto identifica mais adequadamente as barras e os respectivos fatores para a repartição dos custos. / [en] It is important to identify the agents that take advantage of the ancillary services for system operation in the nowadays electricity market. The actual economic design requires that the costs of investment, operation and maintenance of the necessary equipment should be properly allocated between these agents. Among the ancillary services, the reactive power support for voltage regulation is quite important. It is presented a method that identifies the buses that take advantage of the reactive power equipment and allocates the costs between each one of them. The power system reliability is taken into account. The analysis considers possible contingencies and their respective probability of occurrence. The computer program NH2, developed by CEPEL, is the main tool for the development of this work. The method is based on the Lagrangian multipliers of an optimal power flow problem (OPF) associated to corrective measures necessary to deal with voltage violations. Two different objective functions are used: minimum load shedding and minimum reactive power injection. The Lagrangian multipliers define the responsibility of each bus when system voltage violations occur. For the purpose of illustration, the method is applied on the 24 bus IEEE Reliability Test System and on Área Rio system. Results are compared with those produced by other existing method that defines cost allocation factors measuring the benefit due the reactive support. This comparison, benefit x responsibility, and the theory used by both methods, show that the proposed method identifies more appropriately the buses and the corresponding factors to allocate the costs.

Cette thèse est motivée par la modélisation et la simulation numérique des phénomènes d'interaction fluide-structure autour de valves cardiaques. L'interaction avec la paroi des vaisseaux est traitée avec une formulation Arbitraire Lagrange Euler (ALE), tandis que l'interaction avec les valves est traitée à l'aide de multiplicateurs de Lagrange, dans une formulation de type Domaines Fictifs (FD). Après une présentation de synthèse des diverses méthodes utilisées en interaction fluide-structure dans les écoulements sanguins, nous décrivons une méthode permettant de simuler la dynamique d'une valve immergée dans un écoulement visqueux incompressible. L'algorithme de couplage est partionné, ce qui permet de conserver des solveurs fluides et structures indépendants. Le maillage du fluide est mobile pour suivre la paroi des vaisseaux, mais indépendant du maillage des valves. Ceci autorise des très grands déplacements sans nécessiter de remaillage. Nous proposons une stratégie pour gérer le contact entre plusieurs valves. L'algorithme est totalement indépendant des solveurs de structures et est bien adapté au couplage fluide-structure partionné. Enfin, nous proposons un schéma de couplage semi-implicite permettant de mêler efficacement les formulations ALE et FD. Toutes les méthodes considérées sont accompagnées de nombreux tests numériques en 2D et 3D.

Cette thèse est motivée par la modélisation et la simulation numérique des phénomènes d'interaction fluide-structure autour de valves cardiaques. L'interaction avec la paroi des vaisseaux est traitée avec une formulation Arbitraire Lagrange Euler (ALE), tandis que l'interaction avec les valves est traitée à l'aide de multiplicateurs de Lagrange, dans une formulation de type Domaines Fictifs (FD). Après une présentation de synthèse des diverses méthodes utilisées en interaction fluide-structure dans les écoulements sanguins, nous décrivons une méthode permettant de simuler la dynamique d'une valve immergée dans un écoulement visqueux incompressible. L'algorithme de couplage est partitionné, ce qui permet de conserver des solveurs fluides et structures indépendants. Le maillage du fluide est mobile pour suivre la paroi des vaisseaux, mais indépendant du maillage des valves. Ceci autorise des très grands déplacements sans nécessiter de remaillage. Nous proposons une stratégie pour gérer le contact entre plusieurs valves. L'algorithme est totalement indépendant des solveurs de structures et est bien adapté au couplage fluide-structure partitionné. Enfin, nous proposons un schéma de couplage semi-implicite permettant de mêler efficacement les formulations ALE et FD. Toutes les méthodes considérées sont accompagnées de nombreux tests numériques en 2D et 3D.

With this thesis we bring some new results and improve some existing ones in conjugate duality and some of the areas it is applied in. First we recall the way Lagrange, Fenchel and Fenchel - Lagrange dual problems to a given primal optimization problem can be obtained via perturbations and we present some connections between them. For the Fenchel - Lagrange dual problem we prove strong duality under more general conditions than known so far, while for the Fenchel duality we show that the convexity assumptions on the functions involved can be weakened without altering the conclusion. In order to prove the latter we prove also that some formulae concerning conjugate functions given so far only for convex functions hold also for almost convex, respectively nearly convex functions. After proving that the generalized geometric dual problem can be obtained via perturbations, we show that the geometric duality is a special case of the Fenchel - Lagrange duality and the strong duality can be obtained under weaker conditions than stated in the existing literature. For various problems treated in the literature via geometric duality we show that Fenchel - Lagrange duality is easier to apply, bringing moreover strong duality and optimality conditions under weaker assumptions. The results presented so far are applied also in convex composite optimization and entropy optimization. For the composed convex cone - constrained optimization problem we give strong duality and the related optimality conditions, then we apply these when showing that the formula of the conjugate of the precomposition with a proper convex K - increasing function of a K - convex function on some n - dimensional non - empty convex set X, where K is a k - dimensional non - empty closed convex cone, holds under weaker conditions than known so far. Another field were we apply these results is vector optimization, where we provide a general duality framework based on a more general scalarization that includes as special cases and improves some previous results in the literature. Concerning entropy optimization, we treat first via duality a problem having an entropy - like objective function, from which arise as special cases some problems found in the literature on entropy optimization. Finally, an application of entropy optimization into text classification is presented.

Cette thèse porte sur l’étude numérique de la dynamique des écoulements fluide-particules au sein des lits fluidisés denses. Le but de ces travaux est d’améliorer la compréhension des phénomènes qui s’y déroulent afin d’optimiser les performances des procédés industriels confrontés à ces écoulements diphasiques. En effet, la diversité des échelles de longueur et les différents types d’interaction fluide-solide et solide-solide rencontrées dans ce type de configuration rendent cette catégorie d’écoulement particulièrement complexe et intéressante à étudier. Le modèle développé à cet effet permet de suivre individuellement la trajectoire des particules et de traiter les collisions avec leurs voisines tandis que la phase fluide est décrite de façon localement moyennée. Dans ce mémoire, nous présentons tout d’abord les origines physiques du phénomène de fluidisation d’une population de particules et les grandeurs physiques qui le caractérisent. Puis nous détaillons le modèle Euler-Lagrange implémenté et présentons une série de tests de validation basés sur des résultats théoriques et des comparaisons à des résultats expérimentaux. Cet outil numérique est ensuite employé pour simuler et étudier des lits fluidisés comportant jusqu’à plusieurs dizaines de millions de particules. Enfin, nous comparons des simulations réalisées conjointement à l’échelle micro et avec le modèle développé au cours de cette thèse à l’échelle méso. / This thesis deals with numerical analysis of particulate flows within dense fluidized beds. The aim of this work is to improve phenomena understanding in such flows in order to optimize engineering processes design. Wide variety of length scales and various fluid-solid and solid-solid interactions makes complex and challenging this type of flows study. The present developed model permits individual particle tracking and handle particles collisions whereas fluid flow is space averaged. In this manuscript, we first present origins of fluidization phenomenon and describe the macroscopic quantities which characterize it. Then we introduce the Euler-Lagrange model we developed and detail its numerical implementation. Moreover, we present a bench of validation tests based both on theoretical results and experimental data comparison. This numerical tool is then used to simulate and study fluidized beds containing up to several tenth of millions particles. Finally, we compare simulations performed both at micro and meso scales, i.e. with the model developed during this thesis.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Neste trabalho abordaremos alguns tÃpicos matriciais e determinantes e sua aplicaÃÃo no Ensino MÃdio. Em especial a Matriz de Gram em uma transformaÃÃo linear que pode ser apli-cada, por exemplo, para calcular a Ãrea de um triÃngulo em funÃÃo dos seus lados e tambÃm o Gramiano (determinante da Matriz de Gram) que permite calcular o volume de um paralele-pÃpedo. Ambos podem ser aplicados no ensino mÃdio. Nesse trabalho tembÃm fazemos uma generalizaÃÃo do produto vetorial e algumas de suas propriedades envolvendo determinantes. Por fim mostramos a Identidade de Lagrange. / In this paper we discuss some topics and determinants matrix and its application in high school. In particular, the Gram matrix in a linear transformation which can be applied, for example, to calculate the area of a triangle in terms of their sides and also Gramiano (Gram matrix determinant) for calculating the volume of a parallelepiped. Both can be applied in high school. In this work we tembÃm a generalization of the vector product and some of its properties involving determinants. Finally we show the identity of Lagrange.