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La simulation de fluide fait l’objet de recherches actives en infographie. Largement utilisée dans le domaine des jeux vidéos ou de l’animation, elle permet de simuler le comportement des liquides, des gaz et autres phénomènes pouvant être apparentés à un fluide. Pour cela, la simulation de fluide dispose d’outils de calcul numériques adaptés, permettant de produire des animations visuellement réalistes pour un temps de calcul raisonnable. Ce mémoire décrit les deux principales approches utilisées en simulation de fluide : l’approche eulérienne et l’approche lagrangienne, ainsi que certains outils numériques associés, que sont les différences finies et les fonctions de lissage. Chaque approche et chaque outil numérique possède ses avantages et ses inconvénients. Les noyaux constants par morceaux constituent un nouvel outil de calcul numérique et ouvrent de nouvelles possibilités à la simulation de fluide. Ils seront étudiés en détails puis intégrés dans une simulation de fluide eulérienne. L’atout notable qu’apportent les noyaux constants par morceaux est la possibilité d’augmenter la précision des calculs là où cela est jugé nécessaire dans la simulation. En augmentant la précision des calculs aux endroits clés, où sont susceptibles d’apparaitre des effets visuellement attrayants comme les tourbillons ou les remous, nous améliorons la qualité des animations.

Dans ce travail nous considérons des problèmes de planification de production sur plusieurs sites avec transport de produits entre ces sites. L’objectif est de synchroniser les deux problèmes (planification et transport) et de construire une solution globale. Le système de production sur chaque site est modélisé comme un problème de Capacitated Lot-Sizing où nous travaillons avec stock et ressources. Le transport de produits entre les sites se ramène à une version simplifiée du Vehicle Routing Problem où le temps est discrétisé. D’abord nous proposons un modèle linéaire en nombres entiers que nous appelons le « Lot-Sizing and Vehicle Routing Problem » (LSVRP). Puis nous présentons deux cas particuliers : le Single-item LSVRP (SLSVRP) et le Single-level LSVRP (1-LSVRP). Les problèmes sont traités ici par six heuristiques que nous avons développé. Quatre de ces méthodes sont des heuristiques qui utilisent la programmation en nombres entiers et prennent en compte la relaxation linéaire de quelques variables du problème. Elles s’appuient sur l’exploration partielle de l’arbre de décision et la fixation de variables. Les deux autres sont spécifiques pour les cas particuliers. La première, qui traite le S-LSVRP, est basée sur la propagation des ordres de production sur chaque site. Puis à chaque itération elle calcule le plan de transport compatible et essaie d’améliorer la solution en modifiant la production sur les sites. L’autre méthode consiste en une relaxation lagrangienne qui travaille sur une modélisation du 1-LSVRP en un problème de flot. Des résultats numériques et des analyses sont présentés pour évaluer l’efficacité de ces heuristiques. / In this work we consider some problems of scheduling both a production distributed on several sites and the transportation of items between those sites. By doing so, the objective is to synchronize the two components and to build a better overall solution. The production system on each site is modeled as a Capacitated Lot-Sizing Problem where stock both on resources and produced items is available. The inter-site items transportation is a simplified version of the Vehicle Routing Problem where time is discretized. We first propose a mixed integer linear programming formulation that we call “The Lot-Sizing and Vehicle Routing Problem” (LSVRP). Then we present two particular cases : The Single-item LSVRP (S-LSVRP) and The Single-level LSVRP (1-LSVRP). All those cases are treated here by the six heuristics we develloped. Four of those methods are MIP based heuristics and take in account the the linear relaxation of some variables of the problem. They rely on partial decision tree exploration along with variable fixing. The other two are specifics for the two particular cases. The one who treats the S-LSVRP is based on production order propagation over the sites. Then, at each iteration, it computes a compatible transportation schedule and it tries to improve the solution by modifying the production on the sites. The other method consists in a lagrangian relaxation that works with an adaptation of the 1-LSVRP into a flow problem. Computational results and analysis are presented to evaluate the efficiency of those heuristics.

Ce travail concerne la généralisation d'un modèle de dépôt de particules. La première partie présente l'approche de modélisation adoptée pour simuler le dépôt de particules colloïdales et traite du raccord entre le Modèle de Langevin Généralisé qui calcule le transport des particules dans le coeur de l'écoulement et le Modèle de Proche Paroi (MPP) destiné au voisinage de la paroi. Le raccord est assuré par l'équilibre du flux de particules traversant l'interface entre les modèles. La validation est assurée par le passage en particules fluides en vérifiant que le raccord est valable dans le cas limite du fluide. Ce travail a donné lieu à des développements théoriques et numériques sur les statistiques conditionnées d'une particule traversant une interface. Des calculs de dépôt de particules montrent que le MPP reproduit correctement les résultats expérimentaux pour des écoulements isothermes. Dans un écoulement non isotherme, les particules peuvent faire l'expérience du phénomène de thermophorèse (qui est le mécanisme de déplacement des particules induit par un gradient de température) qui peut considérablement influencer le dépôt de particules. Nous avons choisi de modéliser la thermophorèse dans le MPP. Nous étudions d'abord la thermophorèse en milieu gazeux car elle est très bien expliquée par la théorie cinétique des gaz. L'étude de la thermophorèse en milieu liquide est plus ardue car elle ne dispose pas encore de théorie unifié ni de travaux expérimentaux qui étudient ce phénomène. La dernière partie est consacrée à la prise en compte du phénomène de thermophorèse en liquide dans le MPP. Cette étude fournit de nouveaux résultats numériques de dépôt en milieu liquide / We present new results obtained with the generalisation to non isothermal flows of a Near-Wall particle deposition Model (NWM). This work is divided in two parts. The first part consists in coupling the Generalised Langevin Model used to compute the particles statistics in the core of the flow with the NWM that calculates particles motion in the vicinity of the wall. In order to achieve the coupling, we focus on the balance of fluxes of fluid particles crossing the interface between the models. This amounts to assessing if the coupling is valid in the fluid limit case, as non-physical accumulation of fluid particles can occur at the interface. It has lead to theoretical and numerical developments on the conditional statistics of particles crossing an interface. The particle deposition rate is then computed with inertial particles and the model reproduces satisfactorily experimental studies in isothermal flow. In the case of non isothermal flows, particles can experience thermophoresis (which is a mechanism that induces a particle flux in the presence of a temperature gradient) that may strongly affect the particle deposition rate. We thus choose to model thermophoresis in NWM to predict accurate particule deposition in non isothermal flows. We first investigate thermophoresis in gas as it is well explained. Thermophoresis in liquids is then studied. In contrast to the gases, the theory and experiment of thermophoresis in liquids are far from being well established. The last part of this work, dedicated to the modelisation of thermophoresis in liquids in the NWM has lead to new promising numerical results of particle deposition enhanced by thermophoresis

L'approche Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) est une méthode de calcul pour simuler des écoulements fluides avec une méthode Lagrangienne de type suivi de particules. A l'inverse des méthodes Euleriennes, ce type d'approche ne nécessite pas de maillage. C'est là l'un des atouts majeurs de l'approche SPH puisqu'elle permet de s'affranchir des méthodes de suivi d'interfaces couramment utilisées dans les approches Euléeriennes (par exemple Volume-of-Fluid, Level-Set ou Front-Tracking). L'approche SPH est donc de plus en plus utilisée dans les domaines de l'hydro-ingénierie et de la géophysique notamment de part le traitement naturel des écoulements à surface libre dans la méthode SPH. Cependant, l'approche SPH n'est utilisée que depuis peu pour simuler des écoulements multiphasiques complexes et de nombreux problèmes restent en suspens, notamment concernant une formulation adéquate ou le micro-mélange aux interfaces. L'un des principaux enjeux de ces travaux de thèse est d'analyser de façon objective les différentes approches de type SPH existantes et d'évaluer leur capacité à simuler des écoulements multiphasiques complexes. Ainsi, la modélisation des phénomènes liés à la tension de surface a été réalisée et validée via l'utilisation de techniques de type Continuum Surface Force. Les phénomènes de convection naturelle ont quant à eux été modélisés grâce à une nouvelle formulation plus générale (non-Boussinesq). Une partie de ces travaux est dédiée à l'étude des problèmes de micro-mélange aux interfaces: les effets indésirables (notamment la fragmentation de l'interface) sont analysés et des solutions sont proposées. Une autre part de travail porte sur la modélisation des mouvements ascendants de bulles dans des liquides, avec l'inclusion des interactions entre bulles. Des simulations SPH ont été réalisées pour différents régimes d'écoulement, chacun d'eux correspondant à un ratio spécifique entre la tension de surface, la viscosité et la flottabilité. Les prédictions numériques de la topographie des bulles, de leur vitesse ainsi que de leur coefficient de trainée ont été validées. Pour ce faire, les résultats numériques ont été comparés non seulement aux données expérimentales de référence mais également à d'autres simulations numériques de bulles ascendantes. Dans ces travaux de thèse, une étude détaillée des concepts liés aux contraintes d'incompressibilité a été réalisée. Dans cet objectif, deux traitements différents ont été comparés: l'approche faiblement compressible (où une équation d'état adéquate est choisie) et l'approche incompressible (où une projection des champs de vitesse sur un espace sans divergence est réalisée de deux facons différentes). La pertinence de ces modèles pour des simulations d'écoulements multiphasiques est également évaluée. Les problèmes associés aux paramètres numériques sont discutés et un choix approprié de ces paramètres est proposé. Pour ce faire, de nombreux calculs de validation en deux et trois dimensions ont été réalisés. Enfin, une extension est proposée pour simuler les phénomènes liés à l'ébullition via une approche SPH. Ce sujet étant encore en friche, de nouvelles idées et schémas sont proposés pour le changement de phase liquide-vapeur dans l'approche SPH / Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a fully Lagrangian, particle based approach for fluid-flow simulations. One of its advantages over Eulerian techniques is no need of a numerical grid. Therefore, there is no necessity to handle the interface shape as it is done in Volume-of-Fluid, Lavel-Set or Front-Tracking methods. Thus, the SPH approach is increasingly used for hydro-engineering and geophysical applications involving free-surface flows where the natural treatment of evolving interfaces makes it an attractive method. However, for real-life multi-phase simulations this method has only started to be considered and many problems like a proper formulation or a spurious fragmentation of the interface remain to be solved. One of the aims of this work is to critically analyse the existing SPH variants and assess their suitability for complex multi-phase problems. For modelling the surface-tension phenomena the Continuum Surface Force (CSF) methods are validated and used. The natural convection phenomena are modeled using a new, more general formulation, beyond the Boussinesq approximation. A substantial part of the work is devoted to the problem of a spurious fragmentation of the interface (the micro-mixing of SPH particles). Its negative effects and possible remedies are extensively discussed and a new variant is proposed. Contrary to general opinion, it is proven that the micro-mixing is not only the problem of flows with neglegible surface tension. A significant part of this work is devoted to the modelling of bubbles rising through liquids, including bubble-bubble interactions. The SPH simulations were performed for several flow regimes corresponding to different relative importance of surface tension, viscosity and buoyancy effects. The predicted topological changes, bubble terminal velocity and drag coefficients were validated with respect to reference experimental data and compared to other numerical methods. In the work, fundamental concepts of assuring the incompressibility constraint in SPH are also recalled. An important part of work is a thorough comparison of two different incompressibility treatments: the weakly compressible approach, where a suitably chosen equation of state is used, and truly incompressible method (in two basic variants), where the velocity field is projected onto a divergence-free space. Their usefulness for multi-phase modelling is discussed. Problems associated with the numerical setup are investigated, and an optimal choice of the computational parameters is proposed and verified. For these purposes the study is supported by many two- and three-dimensional validation cases. In addition, the present work opens new perspectives to future simulations of boiling phenomena using the SPH method. First ideas and sketches for the implementation of the liquid-vapour phase change are presented

Dans cette thèse on utilise une méthode de Galerkin discontinue (GD) pour modéliser la propagation des ondes dans un matériau endommagé. Deux modèles différents pour la description de l’endommagement ont été considérés. Dans la première partie de la thèse on utilise un modèle d’endommagent assez général, basé sur une modélisation micromécanique. Pour ce modèle on établit un critère de stabilité basé sur une densité critique de fissuration. On développe aussi une méthode numérique GD capable de capturer les instabilités au niveau microscopique. On construit une solution exacte pour analyser la précision de la méthode proposée.Plusieurs résultats numériques vont permettre d’analyser la propagation des ondes dans les configurations planes et anti-planes. Dans la deuxième parte de la thèse on étudie la propagation des ondes dans un milieux fissuré (microfissures en contact avec frottement). La méthode numérique développée utilise une technique GD et la méthode du Lagrangien augmenté. En utilisant cette méthode on a pu calculer numériquement la vitesse de propagation moyenne dans un matériau endommagé. On a pu comparer les résultats obtenus avec les formules analytiques obtenues avec des approches micromécaniques. Finalement, on a utilisé les calculs numériques pour étudier la propagation des ondes après un impact sur une plaque céramique pour les deux modèles mécaniques considérés. / A discontinuous Galerkin (DG) technique for modeling wave propagation in damaged (brittle) materials is developed in this thesis. Two different types of mechanical models for describing the damaged materials are considered. In the first part of the thesis general micro-mechanics based damage models were used. A critical crack density parameter, which distinguishes between stable and unstable behaviors, wascomputed. A new DG-numerical scheme able to capture the instabilities and a micro-scale time step were proposed. An exact solution is constructed and the accuracy of the numerical scheme was analyzed. The wave propagation in one dimensional and anti-plane configuration was analyzed through several numerical computations. In the second part of the thesis the wave propagation in cracked materials with a nonlinear micro-structure (micro-cracks in frictional contact) was investigated. The numerical scheme developed makes use of a DG-method and an augmented Lagrangian technique. The effective wave velocity in a damaged material, obtained by a numerical upscaling homogenization method, was compared with analytical formula of effective elasticity theory. The wave propagation (speed, amplitude and pulse length) in micro-cracked materials in complex configurations was studied. Finally, numerical computations of blast wave propagation,for the both models, illustrate the role played by the micro-cracks orientation and by the friction.

Cette thèse est consacrée a l'étude des algorithmes en optimisation non convexe, a l'implémentation des codes a l'usage industriel et aux simulations numériques dans les problèmes de grande tailles. L'étude des problèmes quadratiques (convexes ou non convexes) sous contraintes linéaires et quadratiques ainsi que celle des méthodes de région de confiance pour minimisation d'une fonction de classe c#2, font l'objet de deux premiers chapitres. Les chapitres 3 et 4 sont réservés a l'optimisation non convexe (classification, dualité, stabilité et les algorithmes de sous gradients de resolution). Enfin, les simulations numériques dans les problèmes concrets de grande taille sont présentées et commentées dans le dernier chapitre

Ce travail est consacré à la simulation des transferts couplés, rayonnement-conduction-convection dans un milieu gaz - gouttelettes, semi-transparent, non gris, absorbant et diffusant. L'application de ce travail porte sur l'étude des rideaux d'eau utilisés en protection contre les incendies. En vue d'une optimisation, une étude fine des interactions rayonnement - matière est menée.<br /><br />Le but est de contribuer à la compréhension des phénomènes d'interaction, ainsi qu'à la réalisation d'outils prédictifs fiables simulant le comportement de sprays anti-incendie.<br /> <br />La description des transferts couplés de masse, quantité de mouvement et d'énergie est faite à partir d'une simulation eulérienne lagrangienne. Le modèle de propagation du rayonnement associe la théorie de Mie, le modèle Ck et une évolution de la méthode de Monte Carlo, nommée MMC 2.2, qui permet de bien prendre en compte la propagation du rayonnement dans un milieu de propriétés radiatives hétérogènes. Cette nouvelle version est validée puis comparée avec les autres techniques de type MMC déjà existantes dans la littérature. Ce travail met ensuite en avant les problèmes de simulations numériques liés à la modélisation 3D du transfert radiatif dans un milieu où la fonction de phase est fortement anisotrope (caractéristique de gouttes d'eau).<br /><br />Une étude complète (dynamique, thermique et rayonnement) permet la validation du code de calcul avec des données expérimentales. Puis, plusieurs configurations sont testées en vue d'améliorer l'atténuation du rayonnement (rampes, doubles rampes, augmentation du débit, différentes granulométries, ...)

Le problème de la gestion de la diversité est défini sur un ensemble partiellement ordonné d'élements possédant des demandes et des coûts unitaires de production. L'objectif est de produire un sous-ensemble de $k$ éléments références, $k$ étant un nombre donné, minimisant les coûts. Chaque élément non produit doit être remplacé par une référence qui lui est supérieure, ce qui implique un sur-coût. Après une étude théorique de complexité, nous modélisons ce problème grâce à un programme linéaire en nombres entiers, proche de ceux des problèmes de localisation $k$-médians. Pour résoudre ce programme, nous présentons un algorithme lagrangien, ainsi que de nombreux critères de fixation de variables permettant de réduire la taille du problème. Nous exploitons ensuite cet algorithme pour construire des solutions de bonne qualité. Nous développons enfin un algorithme exact de Séparation et Coupe. Nous étudions un certain type de coupes ainsi qu'une heuristique permettant de les générer. Nous concluons par des tests numériques effectués sur des instances réelles.

L'objet principal de cette thèse est d'étudier divers aspects de l'évolution d'un champ scalaire ou vectoriel, transporté par un champ de vitesse dont la statistique est donnée indépendamment du champ advecté. Ce faisant, on est amené également à étudier les courbes intégrales du champ de vitesse, appelées trajectoires Lagrangiennes. Après une introduction synthétique, plusieurs modèles et problèmes sont abordés. Notre modèle principal - baptisé après R. H. Kraichnan - suppose des champs de vitesse gaussiens delta-corrélés en temps. Sont étudiés les cas où la structure spatiale du champ de vitesse est soit lisse soit brownien fractionnaire (multidimensionnel). Un modèle où le champ de vitesse est corrélé en temps est également abordé. Parmi les problèmes étudiés sont les secteurs anisotropes de la quantité advectée, l'apparition d'intermittence spatiale, ou encore différents passages à la limite dans la statistique du champ de vitesse.