Le développement de méthodes numériques pour simuler les équations de Navier-Stokes en présence de parois rigides est un sujet en très actif. Si la littérature abonde de résultats de convergence et de stabilité, les méthodes à pas fractionnaire introduisent très généralement, des erreurs de couche limite pour la pression. Ce problème, déjà présent près de parois conformes à la discrétisation, devient particulièrement critique près de parois non-conformes, une situation que l'on rencontre dès que l'on souhaite s'affranchir de toute forme de remaillage avec des objets mobiles, par exemple. L'objectif de cette thèse est de résoudre les équations de Navier-Stokes incompressible pour obtenir avec précision le champ de vitesse et le champ de pression par une méthode de différence finie. Cette question nous a conduit à reformuler le problème de Stokes instationnaire à deux dimensions à l'aide de la fonction courant psi et d'une fonction phi conjuguée de la pression. Nous avons implémenté une première méthode pour traiter le problème de Stokes dans cette représentation. Le développement d'un schéma original pour résoudre le problème de Poisson-Neumann en domaine irrégulier, nous a permis de proposer une seconde méthode de résolution du problème de Stokes incompressible dans une formulation plus classique, Pression-vitesse-vorticité. Ces deux types d'algorithmes permettent d'obtenir une convergence d'ordre 2 en espace pour tous les champs du problème.

Micro-assembly processes suffer from some breaches due to the continuing trend towards an increase in the production capabilities as well as in the size reduction of the components manipulated. Usual manipulating schemes have reached their limit and capillary forces constitute a valuable alternative strategy. The goal of this work is to describe the dynamics of liquid bridges in the application of micro-assembly processes. The description is obtained using the Kelvin-Voigt model, with a spring, a damper, and a mass connected in parallel, supported by numerical simulations, analytical approximations and experiments. The works is divided into three parts. First we present important aspects of microfluidics, as well as the constitutive equations and an overview of numerical approaches used to describe fluid flow problems with moving interfaces. The second part is devoted to the capillary rise case, intended to validate and to compare the numerical approaches to analytical laws and experimental results. The implementation of the slipping and the dynamic contact angles is discussed. The last part focuses on the dynamics of the liquid bridge. The liquid bridge is confined between two circular and parallel plates and presents an axial symmetry. The description reveals that the stiffness depends on the surface tension and on the shape of the air/liquid interface, the damping coefficient depends on the viscosity and the volume of liquid and the equivalent mass depends on the density and the volume.

Ce travail est consacré à l'étude de problèmes de couplage fluide-structure par des méthodes de frontière immergée et de pénalisation.<br />Dans une première partie nous abordons les différents aspects de la simulation numérique de modèles couplant un fluide et une structure (formulation de l'écoulement, localisation de la structure et prise en compte des interactions), puis nous présentons les modèles sur lesquels nous nous concentrons dans la suite: fluide incompressible/membrane élastique et fluide incompressible/solide rigide.<br />Dans la deuxième partie nous étudions la stabilité numérique d'une formulation level-set de la méthode de frontière immergée pour le couplage fluide/membrane élastique. Une nouvelle condition de stabilité pour ce modèle est dérivée par analyse d'un modèle linéarisé 1D, puis validée numériquement en 2D.<br />Enfin la troisième partie est consacrée à l'analyse numérique d'une méthode de pénalisation pour le couplage fluide/solide rigide, dans laquelle la vitesse rigide est calculée par projection. Nous montrons la convergence du problème pénalisé vers une formulation faible du couplage, et illustrons ce résultat sur des tests numériques en sédimentation.

Within the general context of solid-state sintering process, this work presents a numerical modeling approach, at the particle scale, of ceramic particle packing consolidation. Typically, the sintering process triggers several mass transport paths that are thermally activated. Among those diffusion paths, the most important ones are: surface diffusion, grain boundary diffusion and volume diffusion. Including this physics into a high-performance computing framework would permit to gain precious insights about the driving mechanisms. The aim of the present work is to develop a model and a numerical strategy able to integrate the different diffusion mechanisms into continuum mechanics framework. In the cases of surface diffusion and volume diffusion, the mass flux is calculated as a function of the surface curvature Laplacian and the hydrostatic pressure gradient, respectively. The physical model describing these two transport mechanisms is first presented within the framework of continuum mechanics. Then the numerical strategy developed for the simulation of the sintering of many particles is detailed. This strategy is based on a discretization of the problem by using a finite element approach coupled with a Level-Set method used to describe the particles free surface. This versatile strategy allows us to perform simulations involving a relatively large number of particles. Furthermore, a mesh adaptation technique allows the particles surface description to be improved, while the number of mesh elements is kept reasonable. Several 3D simulations, performed in a parallel computing framework, show the changes occurring in the structure of 3D granular stacks.

In this thesis, the image segmentation methods based on the Mumford&amp / #8211 / Shah variational approach have been studied. By obtaining an optimum point of the Mumford-Shah functional which is a piecewise smooth approximate image and a set of edge curves, an image can be decomposed into regions. This piecewise smooth approximate image is smooth inside of regions, but it is allowed to be discontinuous region wise. Unfortunately, because of the irregularity of the Mumford Shah functional, it cannot be directly used for image segmentation. On the other hand, there are several approaches to approximate the Mumford-Shah functional. In the first approach, suggested by Ambrosio-Tortorelli, it is regularized in a special way. The regularized functional (Ambrosio-Tortorelli functional) is supposed to be gamma-convergent to the Mumford-Shah functional. In the second approach, the Mumford-Shah functional is minimized in two steps. In the first minimization step, the edge set is held constant and the resultant functional is minimized. The second minimization step is about updating the edge set by using level set methods. The second approximation to the Mumford-Shah functional is known as the Chan-Vese method. In both approaches, resultant PDE equations (Euler-Lagrange equations of associated functionals) are solved by finite difference methods. In this study, both approaches are implemented in a MATLAB environment. The overall performance of the algorithms has been investigated based on computer simulations over a series of images from simple to complicated.

L'objet de cette thèse a été de développer un code de calcul pour la simulation d'écoulements diphasiques de fluides non miscibles, incompressibles et isothermes afin de l'appliquer au phénomène de fragmentation d'un jet liquide, et plus particulièrement à la désintégration assistée d'une nappe de liquide par deux écoulements d'air portés à haute vitesse.<br /><br />Les choix des hypothèses physiques et des schémas numériques associés ont été fait afin de respecter au mieux la physique complexe de brisure d'un jet liquide. La résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles est faite de façon directe par le biais d'une méthode de projection. La méthode naissante et prometteuse Level-Set assure quant à elle le suivi numérique de la surface de séparation entre deux fluides non miscibles. Enfin, la méthode Ghost Fluid permet un traitement correct des discontinuités à la traversée de l'interface en préservant au niveau discret les conditions de saut entre équilibre des forces de capillarité, de pression et de viscosité. Les bonnes aptitudes de tels schémas numériques sont montrées à travers une batterie de cas tests académiques.<br /><br />Les mécanismes physiques mis en jeu lors de l'atomisation primaire d'un jet liquide ont fait l'objet de nombreuses études théoriques et expérimentales. Les instabilités se développant à la surface du liquide sont multiples et clairement tridimensionnelles. Actuellement et malgré beaucoup d'efforts de recherche, aucune théorie ou modèle ne rend compte rigoureusement de ce phénomène. Or, il est montré que l'outil numérique peut apporter une lumière nouvelle. Par exemple, l'impact de la couche limite gazeuse sur la fréquence d'oscillation est étudié. Nous avons également pu retrouver par la simulation la dynamique ligamentaire intrinsèque à la désintégration assistée d'un jet liquide.

Dans le cadre de la simulation du procédé de consolidation de pièces céramiques ou composites CerMet par frittage, cette thèse se propose de modéliser et de simuler deux aspects particuliers du frittage. Le premier consiste à prendre en compte l'effet d'éléments dopants sur l'évolution microstructurale d'un élément volumique représentatif d'un compact de poudre. Pour cela les chemins de diffusion tels que la diffusion volumique et de surface sont pris en compte. Le second aspect est en relation avec l'élaboration de matériaux composites à dispersoïdes et l'étude de l'évolution de leur microstructure par simulation numérique selon les caractéristiques des inclusions ne participant pas au processus de frittage. Ces simulations reposent sur le développement de la méthode Level-Set qui permet de suivre tous les changements de topologie qui interviennent au cours du frittage à l'échelle des grains.Des résultats concluants ont été obtenus à partir de la simulation de l'effet du dopage, dans le cas particulier de l'alumine dopée magnésie, puis généralisés au cas du codopage. Pour les multimatériaux, la première étape de la modélisation a consisté à considérer des inclusions ayant le même type de loi de comportement que la matrice céramique, à savoir élastique, linéaire et isotrope. Cependant, les propriétés des matériaux seront différentes. Du point de vue numérique, la complexité du problème a consisté à bien gérer les deux phases solides, et en particulier leur interface commune en vue de la résolution de l'équilibre mécanique par éléments finis, en utilisant plusieurs fonctions Level-Set.

With strict environmental regulations, gas turbine emissions have been heavily constrained. This requires operating conditions wherein thermo-acoustic flame instabilities are prevalent. During this process the combustor acoustics and combustion heat release fluctuations are coupled and can cause severe structural damage to engine components, reduced operability, and inefficiency that eventually increase emissions. In order to develop an engine without these problems, there needs to be a better understanding of the physics behind the coupling mechanisms of this instability. Among the several coupling mechanisms, the “velocity coupling” process is the main focus of this thesis. The majority of literature has treated axisymmetric disturbance fields which are typical of longitudinal acoustic forcing and axisymmetric excitation of ring vortices. Two important non-axisymmetric disturbances are: (1) transverse acoustics, in the case of circumferential modes of a multi-nozzle annular combustor and (2) helical flow disturbances, seen in the case of swirling flow hydrodynamic instabilities. With significantly less analytical treatment of this non-axisymmetric problem, a general framework is developed for three-dimensional swirl-stabilized flame response to non-axisymmetric disturbances. The dynamics are tracked using a level-set based G-equation applicable to infinitely thin flame sheets. For specific assumptions in a linear framework, general solution characteristics are obtained. The results are presented separately for axisymmetric and non-axisymmetric mean flames. The unsteady heat release process leads to an unsteady volume generation at the flame front due to the expansion of gases. This unsteady volume generation leads to sound generation by the flame as a distributed monopole source. A sound generation model is developed where ambient pressure fluctuations are generated by this distributed fluctuating heat release source on the flame surface. The flame response framework is used to provide this local heat release source input. This study has been specifically performed for the helical flow disturbance cases to illustrate the effects different modes have on the generated sound. Results show that the effects on global heat release and sound generation are significantly different. Finally, the prediction from the analytical models is compared with experimental data. First, a two-dimensional bluff-body stabilized flame experiment is used to obtain measurements of both the flow and flame position in time. This enables a local flame response comparison since the data are spatially resolved along the flame. Next, a three-dimensional swirl-stabilized lifted flame experiment is considered. The measured flow data is used as input to the G-equation model and the global flame response is predicted. This is then compared with the corresponding value obtained using global CH* chemilumenescence measurements.

Mes recherches ont porté sur l'analyse des équations à double non linéarité, le transport neutronique et la mécanique des textiles, et plus récemment sur la méthode Level Set et ses applications au couplage fluide-structure, notamment dans le domaine biomécanique.

The aim of this research dissertation is at studying natural and mixed convections of fluid flows, and to develop and validate numerical schemes for interface tracking in order to treat incompressible and immiscible fluid flows, later. In a first step, an original numerical method, based on Finite Volume discretizations, is developed for modeling low Mach number flows with large temperature gaps. Three physical applications on air flowing through vertical heated parallel plates were investigated. We showed that the optimum spacing corresponding to the peak heat flux transferred from an array of isothermal parallel plates cooled by mixed convection is smaller than those for natural or forced convections when the pressure drop at the outlet keeps constant. We also proved that mixed convection flows resulting from an imposed flow rate may exhibit unexpected physical solutions; alternative model based on prescribed total pressure at inlet and fixed pressure at outlet sections gives more realistic results. For channels heated by heat flux on one wall only, surface radiation tends to suppress the onset of recirculations at the outlet and to unify the walls temperature. In a second step, the mathematical model coupling the incompressible Navier-Stokes equations and the Level-Set method for interface tracking is derived. Improvements in fluid volume conservation by using high order discretization (ENO-WENO) schemes for the transport equation and variants of the signed distance equation are discussed