L’analyse de texture est une composante du traitement d’image qui suscite beaucoup d’intérêt tant les applications qu’elle recouvre sont diverses. En imagerie médicale, les signaux enregistrés sous forme d’images telles que les radiographies de l’os ou les mammographies, présentent une micro-architecture fortement irrégulière qui invite à considérer la formation de ces textures comme la réalisation d’un champ aléatoire. Suite aux travaux précurseurs de Benoit Mandelbrot, de nombreux modèles dérivés du champ brownien fractionnaire ont été proposés pour caractériser l’aspect fractal des images et synthétiser des textures à rugosité prescrite. Ainsi l’estimation des paramètres de ces modèles, a notamment permis de relier la dimension fractale des images à la détection de modifications de la structure osseuse telle qu’on l’observe en cas d’ostéoporose. Plus récemment, d’autres modèles de champs aléatoires, dits anisotropes, ont été utilisés pour décrire des phénomènes présentant des directions privilégiées, et détecter par exemple des anomalies dans les tissus mammaires.Cette thèse porte sur l’élaboration de nouveaux modèles de champs anisotropes, permettant de contrôler localement l’anisotropie des textures. Une première contribution a consisté à définir un champ brownien fractionnaire anisotrope généralisé (GAFBF), et un second modèle basé sur une déformation de champs élémentaires (WAFBF), permettant tous deux de prescrire l’orientation locale de la texture. L’étude de la structure locale de ces champs est menée à l’aide du formalisme des champs tangents. Des procédures de simulation sont mises en oeuvres pour en observer concrètement le comportement, et servir de benchmark à la validation d’outils de détection de l’anisotropie. En effet l’étude de l’orientation locale et de l’anisotropie dans le cadre des textures soulève encore de nombreux problèmes mathématiques, à commencer par la définition rigoureuse de cette orientation. Notre seconde contribution s’inscrit dans cette perspective. En transposant les méthodes de détection de l’orientation basées sur la transformée en ondelettes monogéniques, nous avons été en mesure, pour une vaste classe de champs aléatoires, de définir une notion d’orientation intrinsèque. En particulier l’étude des deux nouveaux modèles de champs anisotropes introduits précédemment, a permis de relier formellement cette notion d’orientation aux paramètres d’anisotropie de ces modèles. Des connexions avec les statistiques directionnelles sont également établies, de façon à caractériser la loi de probabilité des estimateurs d’orientation.Enfin une troisième partie de la thèse est consacrée au problème de la détection de lignes dans les images. Le modèle sous jacent est celui d’une superposition de lignes diffractées (c-a-d convoluées par un noyau de flou) et bruitées, dont il s’agit de retrouver les paramètres de position et d’intensité avec une précision sub-pixel. Nous avons développé dans cet objectif une méthode basée sur le paradigme de la super-résolution. La reformulation du problème en termes d’atomes 1-D a permis de dégager un problème d’optimisation sous contraintes, et de reconstruire ces lignes en atteignant cette précision. Les algorithmes employés pour effectuer la minimisation appartiennent à la famille des algorithmes dits proximaux. La formalisation de ce problème inverse et sa résolution, constituent une preuve de concept ouvrant des perspectives à l’élaboration d’une transformée de Hough revisitée pour la détection ‘continue’ de lignes dans les images. / Texture analysis is a component of image processing which hold the interest in the various applications it covers. In medical imaging, the images recorded such as bone X-rays or mammograms show a highly irregular micro-architecture, which invites to consider these textures formation as a realization of a random field. Following Benoit Mandelbrot’s pioneer work, many models derived from the fractional Brownian field have been proposed to characterize the fractal behavior of images and to synthesize textures with prescribed roughness. Thus, the parameters estimation of these models has made possible to link the fractal dimension of these images to the detection of bone structure alteration as it is observed in the case of osteoporosis. More recently, other models known as anisotropic random fields have been used to describe phenomena with preferred directions, for example for detecting abnormalities in the mammary tissues.This thesis deals with the development of new models of anisotropic fields, allowing to locally control the anisotropy of the textures. A first contribution was to define a generalized anisotropic fractional Brownian field (GAFBF), and a second model based on an elementary field deformation (WAFBF), both allowing to prescribe the local orientation of the texture. The study of the local structure of these fields is carried out using the tangent fields formalism. Simulation procedures are implemented to concretely observe the behavior, and serve as a benchmark for the validation of anisotropy detection tools. Indeed, the investigation of local orientation and anisotropy in the context of textures still raises many mathematical problems, starting with the rigorous definition of this orientation. Our second contribution is in this perspective. By transposing the orientation detection methods based on the monogenic wavelet transform, we have been able, for a wide class of random fields, to define an intrinsic notion of orientation. In particular, the study of the two new models of anisotropic fields introduced previously allowed to formally link this notion of orientation with the anisotropy parameters of these models. Connections with directional statistics are also established, in order to characterize the probability distribution of orientation estimators.Finally, a third part of this thesis was devoted to the problem of the lines detection in images. The underlying model is that of a superposition of diffracted lines (i.e, convoluted by a blur kernel) with presence of noise, whose position and intensity parameters must be recovered with sub-pixel precision. We have developed a method based on the super-resolution paradigm. The reformulation of the problem in the framework of 1-D atoms lead to an optimization problem under constraints, and enables to reconstruct these lines by reaching this precision. The algorithms used to perform the minimization belong to the family of algorithms known as proximal algorithms. The modelization and the resolution of this inverse problem, provides a proof of concept opening perspectives to the development of a revised Hough transform for the continuous detection of lines in images.

La première partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration théorique de processus adiabatiques permettant le transfert de population entre un état initial et un état cible d'un système quantique. La stratégie du passage adiabatique parallèle pour laquelle les paramètres de couplage sont conçus de telle sorte que la différence des valeurs propres du système reste constante à chaque instant, permet de minimiser à zéro les transitions non-adiabatiques données par la formule DDP. Cette technique permet de combiner à la fois l'efficacité énergétique des méthodes impulsion-pi et la robustesse du passage adiabatique. La seconde partie de cette thèse concerne les effets de la dissipation sur le passage adiabatique. La formule de probabilité de transition d'un système à deux niveaux tenant compte des effets de la dissipation est établie. Cette formule permet de reformuler la solution générale d'un système dissipatif à deux niveaux dans la limite adiabatique qui est valable au-delà du régime de faible dissipation. / The first part of this thesis is devoted to the theoretical analysis of adiabatic processes allowing the transfer of population from an initial state to a target state of a quantum system. The strategy of parallel adiabatic passage, in which the coupling parameters are specifically designed to optimize the adiabatic passage corresponding to parallel eigenvalues at all times, allows one to combine the energetically efficiency of pi-pulse and related strategies with the robustness of standard adiabaticpassage. The second part of this thesis concerns the effects of the dissipation in adiabatic passage. The non-adiabatic transition probability formula of a two state system with dissipation is established. This formula allows on in particular to derive the general solution of a dissipative two-level system in the adiabatic limit which is valid beyond weak dissipation regimes.

Les Matrices de Comparaison de Produits (MCP) sont largement répandues sur le web. Elles fournissent une représentation simple des caractéristiques d'un ensemble de produits. Cependant, le manque de formalisation et la grande diversité des MCP rendent difficile le développement de logiciels pour traiter ces matrices. Dans cette thèse, nous développons deux approches complémentaires pour la formalisation de MCP. La première consiste en une description précise de la structure et la sémantique d'une MCP sous la forme d'un meta-modèle. Nous proposons aussi une transformation automatique d'une MCP vers un modèle de MCP conforme au meta-modèle. La seconde approche consiste à synthétiser des modèles de caractéristiques attribués à partir d'une classe de MCP. Grâce nos contributions, nous proposons une approche générique et extensible pour la formalisation et l'exploitation de MCP. / Product Comparison Matrices (PCMs) abound on the Web. They provide a simple representation of the characteristics of a set of products. However, the lack of formalization and the large diversity of PCMs challenges the development of software for processing these matrices. In this thesis, we develop two complementary approaches for the formalisation of PCMs. The first one consists in a precise description of the structure and semantics of PCMs in the form of a metamodel. We also propose an automated transformation from PCMs to PCM models conformant to the metamodel. The second one consists in synthesizing attributed feature models from a class of PCMs. With our contributions, we propose a generic and extensible approach for the formalization and exploitation of PCMs.

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux structures d’une image en général, et plus particulièrement aux gradients et aux contours. Ces dernières se sont révélées très importantes ces dernières années pour de nombreuses applications en infographie,telles que la réalité augmentée et la stylisation d’images et de vidéos. Le but de toute analyse des structures d’une image est de décrire à un haut-niveau la compréhension que l’on peut avoir de son contenu et de fournir les bases nécessaires à l’amélioration de la qualité des applications citées au-dessus, notamment la lisibilité, la précision, la cohérence spatiale et temporelle.Dans une premier temps, nous démontrons le rôle important que ces structures jouent pour des applications de type composition “Focus+Context”. Une telle approche est utilisée en réalité augmentée pour permettre la visualisation de parties d’une scènes qui sont normalement derrières ce que l’on peut observer dans un flux vidéo. L’utilisation d’une segmentation et de lignes caractéristiques permettent de mettre en avant et/ou de révéler les relations d’ordre entre les différents objets de la scène. Pour la synthèse d’images guidée par une fonction d’importance, de multiples styles de rendu sont combinés de manière cohérente grâce à l’utilisation d’une carte de gradients et une de saillance.Dans un deuxième temps, nous introduisons une nouvelle techniques qui permet de reconstruire de manière continue un champ de gradient, et ceci sans trop lisser les détails originaux contenus dans l’image. Pour cela, nous développons une nouvelle méthode d’approximation locale et de plus haut-degré pour des champs de gradients discrets et non-orientés. Cette méthode est basée sur le formalisme“moving least square” (MLS). Nous démontrons que notre approximation isotrope et linéaire est de meilleure qualité que le classique tenseur de structure : les détails sont mieux préservés et les instabilités sont réduites de manière significative. Nous démontrons aussi que notre nouveau champ de gradients apporte des améliorations à de nombreuses techniques de stylisation.Finalement, nous démontrons que l’utilisation d’une technique d’analyse de profil caractéristique par approximation polynomiale permet de distinguer les variations douces des zones dures. Les paramètres du profil sont utilisés comme des paramètres de stylisation tels que l’orientation des coups de pinceau, leur taille et leur opacité. Cela permet la création d’une large variété de styles de ligne. / In this thesis we consider in general image structures and more specifically, imagegradient and contours. They have been proven useful in recent years for variouscomputer graphics applications, such as Augmented Reality (AR), image and videostylization. The goal of analyzing image structures is to describe a high level understandingof image contents and to provide a powerful support to improve thequality of applications, such as visual legibility, accuracy, spatial and temporal coherence.We first demonstrate the important role of image structures in Focus+Contextcompositing. For Focus+Context rendering in AR, a technique dedicated to the visualizationof hidden scenes in video streams, the use of screen segmentation andfeature lines significantly emphasizes the depth cues of occluded scenes, and revealsthe correct occluding order. For importance-driven image synthesis, multiplerendering styles are combined in a coherent manner by using image gradient fieldand saliency map.In the second part, we thus introduce a new approach to estimate a continuousgradient field without oversmoothing the original details contained in an image.For this purpose, we develop a new and higher-order local approximation methodof discrete non-oriented gradient fields based on a moving least square (MLS) formalism.We show that our isotropic linear approximation outperforms classicalstructure tensor: image details are better preserved and instabilities are significantlyreduced. We demonstrate how our non-oriented MLS gradient field benefitsto various image stylization approaches.Finally, we demonstrate that the use of a feature profile analysis for image lineextraction via fitting techniques permits to distinguish sharp and smooth features.Profile parameters are then mapped to stylistic parameters such as brush orientation,size or opacity to give rise to a wide range of line-based styles.

Nous sommes fonctionnellement et structurellement asymétriques. La symétrie parfaite que nous expérimentons subjectivement en observant l'espace qui nous entoure est, dans une certaine mesure, une illusion. La cognition visuospatiale, comme indiqué par les tâches de bissection de lignes, est généralement biaisée à gauche chez les sujets sains et à droite suite à des lésions de l'hémisphère droit causant la Négligence Spatiale Unilatérale (NSU). Ces biais peuvent être modulés et l'adaptation prismatique (AP) a démontré sa capacité à réduire les symptômes de la NSU et à induire des comportements similaires à la NSU chez les individus sains. La question de savoir comment ce type d'adaptation sensorimotrice module la cognition spatiale est encore débattue. L'objectif de cette thèse était d'utiliser des approches comportementales et physiologiques, pour examiner les mécanismes sous-jacents des effets de l'AP sur la cognition visuospatiale d'individus sains. Dans une 1ère étude comportementale, nous avons observé la présence d'une dynamique temporelle des effets survenant après l'AP. Suite à ce premier résultat, nous avons testé sur une période de temps plus longue les effets faisant suite à l'AP déviant la vision vers la droite ou la gauche, et nous avons dévoilé, dans une 2ème étude, des dynamiques temporelles différentes en fonction de la direction de l'AP. Dans une 3ème étude, nous avons utilisé la stimulation magnétique transcrânienne pour étudier la physiologie sous-tendant la modulation visuospatiale efficacement induite par l'AP. Les résultats de cette thèse appellent à un raffinement des modèles actuels de l'action de l'AP sur la cognition visuospatiale / We are functionally and structurally asymmetric. The perfect symmetry we subjectively experience through vision of the space around us is, to some extent, an illusion. Visuospatial cognition, as indexed by performance on line bisection tasks, is generally biased leftward in healthy individuals and pathologically rightward after right brain damage causing unilateral spatial neglect (USN). These biases can be modulated and prism adaptation (PA) is capable of both alleviating USN symptoms and inducing a rightward shift (the so-called “neglect-like behavior”) in healthy individuals. How this type of sensorimotor adaptation modulates spatial cognition is still debated. The goal of this thesis was to use both behavioral and physiological approaches to investigate the underlying mechanisms of PA’s effects on visuospatial cognition in healthy individuals. In a first behavioral study we found the presence of a temporal dynamic in PA after-effects. Based on this first finding we tested, over a longer period of time the PA after-effects following both right and leftward PA and unveiled, with the second study, different temporal dynamics depending on PA direction. In a third study we used transcranial magnetic stimulation to investigate the physiology underlying the effective visuospatial modulation induced by PA. The results of this thesis call for a refinement of the current models of PA action on visuospatial cognition

Cette thèse présente, dans un premier temps, une nouvelle approche pour traiter les lignes de transmission, appelée la Théorie des Lignes de Transmission Améliorée et Modifiée (TLTAM). Cette extension du formalisme classique de la théorie des lignes de transmission est directement dérivée des équations de Maxwell et ne se limite pas à la seule prise en compte du mode transverse électromagnétique (TEM). Tout en conservant la simplicité du formalisme classique, cette extension aboutit à la définition de paramètres linéiques évolués et associés au mode antenne de la ligne de transmission. Cette solution présente l’avantage d’être compatible avec les noyaux de calcul existants, tout en palliant certaines limitations de la théorie des lignes de transmission (TLT) classique. LA TLTAM est tout d’abord définie pour le cas élémentaire d’une ligne de transmission à conducteur unique. Elle est ensuite généralisée au cas d’un nombre quelconque de conducteurs. Les matrices de paramètres linéiques correspondants sont alors définies. Les capacités de cette nouvelle théorie sont démontrées et validées au moyen de confrontations avec la solution directe des équations de Maxwell et de résultats de mesure. Dans un deuxième temps, le traitement d’une ligne de transmission multiconducteur située à distance d’un plan de référence conducteur est effectué au moyen d’une nouvelle approche désignée sous le nom de Théorie des Lignes de Transmission à Double Référence Intégrée (TLTDRI). Cette approche permet de simplifier l’évaluation des paramètres linéiques du faisceau en scindant le problème initial en deux sous-ensembles de lignes de transmission couplées. Le premier sous-ensemble est composé d'un fil conducteur du faisceau choisi arbitrairement et le plan de référence et constitue le sous-ensemble externe. Le deuxième sousensemble est composé uniquement des fils conducteurs du faisceau, en l’absence du plan de référence et constitue un sous-ensemble interne dont la référence locale est le fil choisi précédemment. On montre alors que seul le sous-ensemble externe nécessite le calcul de paramètres linéiques évolués associés à TLTAM. Le calcul des paramètres linéiques dans le système à référence unique constituée par le plan de référence, est reconstitué à partir de formules de passage permettant leur expression à partir des paramètres linéiques des deux sousensembles. Cette approche est validée et ses résultats sont en très bon accord avec ceux fournis par un calcul numérique direct des équations de Maxwell ainsi que ceux de la TLTAM. Elle permet une simplification très significative du traitement de l’interaction entre le faisceau de câble et la structure conductrice de référence. / This thesis presents, in a first step, a new approach to deal with transmission lines called the Modified Enhanced Transmission Line Theory (METLT). This extension of the classical formalism of the transmission line theory (TLT) is directly derived from Maxwell's equations without the restriction to the transverse electromagnetic (TEM) mode. This extension leads to the definition of enhanced per-unit-length (p.u.l.) parameters taking into account the antenna mode of the transmission line, while it keeps the simplicity of the classical formalism. This solution presents the advantage of being compatible with the existing TLT solvers while overcoming some limitations of the classical TLT. The METLT is firstly developed for the simple case of a single conductor transmission line. It is then generalized to the case of any number of conductors. The corresponding matrices of the p.u.l. parameters are then calculated. The capabilities of this new theory are demonstrated and validated by the means of comparisons with results obtained through a rigorous resolution of Maxwell's equations and measurements results. In a second step, a multi-conductor transmission line sufficiently far from the reference ground plane is assessed through a new approach called: Embedded Double Reference Transmission Line Theory (EDRTLT). This approach allows the simplification of the calculation of the harness p.u.l. parameters by splitting the first set of wires above a ground plane into two subsets of coupled transmission lines. The first subset consists in a conducting wire chosen arbitrarily and the reference ground plane and forms the external subset. The second subset consists only in the conducting wires of the harness, in the absence of the ground plane, and forms an internal subset which local reference is the wire chosen previously. We show that only the external subset requires the calculation of the enhanced p.u.l. parameters with the METLT. The calculation of the harness p.u.l. parameters in the system with a single reference, which is the ground plane only, is made through transformation formulae that allow their extraction from the p.u.l. parameters of the two subsets. This approach is validated and its results are in a very good agreement with those obtained by a rigorous resolution of Maxwell's equations and those of the METLT. It allows a great simplification to assess the interaction between the harness and the reference conducting structure.

Ce travail porte sur l’optimisation robuste des lignes de production au stade de la conception. La conception de telles lignes peut être interprétée comme un problème d’optimisation consistant à rechercher une configuration optimisant des objectifs individuels et à respecter les contraintes technologiques et économiques. Nous considérons deux types de lignes de production : l’assemblage et le transfert. Le premier peut être représenté comme un ensemble de stations ordonnées linéairement où les tâches sont exécutées de manière séquentielle. Le second type de ligne est constitué de machines de transfert comprenant plusieurs têtes multibroches. Toutes les tâches d’une même tête sont exécutées simultanément, tandis que les outils d’une machine fonctionnent en mode séquentiel. Nous décrivons différentes approches permettant de modéliser l’incertitude des données dans les problèmes d’équilibrage de ligne. Notre objectif est d’identifier les approches les mieux adaptées au contexte de la conception. En particulier, l’attention se concentre sur l’approche robuste. Nous proposons un nouveau critère d’optimisation basé sur le rayon de stabilité d’une solution réalisable. Ensuite, des formulations robustes sont présentées pour la conception des lignes d’assemblage et de transfert lorsque le temps de traitement des tâches est sujet à des incertitudes. Nous développons également des méthodes heuristiques dont les résultats sont utilisés pour renforcer les modèles mathématiques. Enfin, une nouvelle méthode de résolution hybride est élaborée pour résoudre différentes variantes des problèmes de maximisation du rayon de stabilité. / This work deals with a robust optimisation of production lines at the design stage. The design of such lines can be interpreted as an optimisation problem that consists in finding a configuration optimising individual objectives and respecting technological and economic constraints. We conside rtwo types of production lines: assembly and transfer lines. The first one can be represented as a set of linearly ordered stations where the tasks are executed sequentially. The second one is composed of transfer machines, including several multispindle heads. All tasks within a single head are executed simultaneously, while tools on a machine work in a sequential mode. We describe different approaches for modelling the uncertainty of data in line balancing problems. Our objective is to identify the approaches that best fit the context of the design. In particular, the attention concentrates on the robust approach. We propose a new optimisation criterion based on the stability radius of a feasible solution. Then, robust formulations are presented for the design of the assembly and transfer lines under variations of task processing times. We also develop heuristic methods whose results are used to improve mathematical models. Finally, a new hybrid resolution method is elaborated to solve different variants of the stability radius maximisation.

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La première préoccupation de cette thèse est le problème de deux fluides ou un fluide à deux phases, c’est-à-dire que nous nous sommes intéressés à la simulation d’écoulements impliquant deux ou plusieurs fluides visqueux incompressibles immiscibles de propriétés mécaniques et rhéologiques différentes. Dans ce contexte, nous avons considéré que l’interface mobile entre les deux fluides est représentée par la ligne de niveau zéro d’une fonction ligne de niveau et régie par l’équation d’advection, où le champ advectant est la solution des équations de Navier-Stokes. La plupart des méthodes de capture d’interface utilisent une grille cartésienne fixe au cours de la simulation. Contrairement à ces approches, la nôtre est fortement basée sur l’adaptation de maillage, notamment au voisinage de l’interface. Cette adaptation de maillage permet une représentation précise de l’interface, à l’aide de ses propriétés géométriques, avec un nombre de degrés de liberté minimal.La résolution d'un problème à deux fluides est résumée par les étapes suivantes:- Résoudre les équations de Navier-Stokes par la méthode de Lagrange-Galerkin d’ordre 1;- Traitement géométrique la tension de surface se basant sur la discrétisation explicite de l'interface dans le domaine de calcul;- Résoudre l'équation d’advection par la méthode des caractéristiques;- Les techniques de l'adaptation de maillage.On propose ici un schéma entre l’advection de l’interface, la résolution des équations de Navier-Stokes et l’adaptation de maillage. Certains résultats des exemples classiques pour les deux problèmes de monofluide et bifluide comme la cavité entrainée, la rémontée d’une bulle, la coalescence de deux bulles et les instabilités Rayleigh-Taylor sont étudiés en deux et trois dimensions.La deuxième partie de cette thèse est liée à l'optimisation des formes en mécanique des fluides. Nous construisons un schéma numérique en utilisant la méthode des lignes de niveau et l’adaptation de maillage dans le contexte des systèmes de Stokes. Le calcul de la sensibilité de la fonction objective est liée à la méthode de variation des limites d’Hadamard et les dérivées des formes sont calculées par la méthode de Céa. Un exemple numérique avec la fonction objective de la dissipation d'énergie est présenté pour évaluer l'efficacité et la fiabilité du schéma proposé. / The first concern of this thesis is the problem of two fluids flow or two-phase flow, i.e weare interested in the simulation of the evolution of an interface (or a free surface) between twoimmiscible viscous fluids or two phases of a fluid. We propose a general scheme for solving two fluids flow or two-phase flow which takes advantage of the flexibility of the level set method for capturing evolution of the interfaces, including topological changes. Unlike similar approaches that solve the flow problem and the transport equation related to the evolution of the interface on Cartesian grids, our approach relies on an adaptive unstructured mesh to carry out these computations and enjoys an exact and accurate description of the interface. The explicit representation of the manifold separating the two fluids will be extracted to compute approximately the surface tension as well as some algebraic quantities like the normal vector and the curvature at the interface.In a nutshell, the resolution of a two-fluid problem is summarized by the steps involves thefollowing ingredients:– solving incompressible Navier-Stokes equations by the first order Lagrange-Galerkin method;– geometrical treatment to evaluate the surface tension basing on the explicit discretisation of the interface;– solving the level set advection by method of characteristics; – the techniques of mesh adaptation.It is obvious that no numerical method is completely exact in solving the PDE problemat hand, hence, we need a discretized computational domain. However, the accuracy of numericalsolutions or the mass loss/gain can generally be improved with mesh refinement. The question thatarises is related to where and how to refine the mesh. At each time, our mesh adaptation producesthe adapted mesh based on the geometric properties of the interface and the physical properties ofthe fluid, simply speaking, only one adapted mesh at each time step to assume both the resolutionof Navier-Stokes and the advection equations. It answers to the need for an accurate representationof the interface and an accurate approximation of the velocity of fluids with a minimal number ofelements, then decreasing the amount of computational time. Some results of the classical examples for both problems of monofluid and bifluid flows as : lid-driven cavity, rising bubble, coalescence of two bubbles, and Rayleigh-Taylor instability are investigated in two and three dimensions.The second part of this thesis is related to shape optimization in fluid mechanics. We construct a numerical scheme using level set method and mesh adaptation in the context of Stokes systems. The computation of the sensitivity of objective function is related to the Hadamard’s boundary variation method and the shape derivatives is computed by Céa’s formal method. A numerical example with theobjective function of energy dissipation is presented to assess the efficiency and the reliability of theproposed scheme.

Cette thèse est consacrée à l’étude théorique ainsi qu’au traitement numérique de fluides incompressibles à surface libre. La première partie concerne un système d’équations appelé le système de Green–Naghdi. Comme le système de Saint-Venant, il s’agit d’une approximation d’eaux peu-profondes du problème de Zakharov. La différence est que le système de Green–Naghdi est d’un degré plus élevé en ordre d’approximation. C’est pourquoi il contient tous les termes du système de Saint-Venant plus de termes d’ordre trois non-linéairement dispersives. Autrement dit, le système de Green–Naghdi peut être vu comme une perturbation dispersive du système de Saint-Venant. Ce dernier système étant hyperbolique, il entre dans le cadre classique développé pour des systèmes hyperboliques. En particulier, il est entropique (au sense de Lax) et symétrique. On peut donc lui appliquer les résultats d’existence et d’unicité bien connus pour des systèmes hyperboliques. Dans la première partie de ce travail, on généralise la notion de symétrie à une classe plus générale de systèmes contenant le système de Green–Naghdi. Ceci nous permet de symétriser les équations de Green–Naghdi et d’utiliser la symétrie obtenue pour déduire un résultat d’existence globale après avoir ajouté un terme dissipative d’ordre 2 au système. Ceci est fait en adaptant l’approche utilisée dans la littérature pour des systèmes hyperboliques. La deuxième partie de ce travail concerne le traitement numérique des équations de Navier–Stokes à surface libre avec un terme de tension de surface. Ici, la surface libre est modélisée en utilisant la formulation des lignes de niveaux. C’est pourquoi la condition cinématique (condition de l’évolution de surface libre) s’écrit sous la forme d’une équation d’advection satisfaite par la fonction de ligne de niveaux. Cette équation est résolue sur une domaine de calcul contenant strictement le domaine de fluide, sur de petits sous-intervalles du temps. Chaque itération de l’algorithme global correspond donc à l’advection du domaine du fluide sur le sous-intervalle du temps associé et ensuite de résoudre le système de Navier–Stokes discrétisé en temps sur le domaine du fluide. Cette discrétisation en temps est faite par la méthode des caractéristiques. L’outil clé qui nous permet de résoudre ce système uniquement sur le domaine du fluide est l’adaptation de maillage anisotrope. Plus précisément, à chaque itération le maillage est adapté au domaine du fluide tel que l’erreur d’approximation et l’erreur géométrique soient raisonnablement petites au voisinage du domaine du fluide. La résolution du problème discrétisé en temps sur le domaine du fluide est faite par l’algorithme d’Uzawa utilisé dans la cadre de la méthode des éléments finis. Par ailleurs, la condition de glissement de Navier est traité ici en ajoutant un terme de pénalisation à la formulation variationnelle associée. / This thesis is about theoretical study and numerical treatment of some problems raised in incompressible free-surface fluid dynamics. The first part concerns a model called the Green–Naghdi (GN) equations. Similarly to the non linear shallow water system (called also Saint-Venant system), the Green–Naghdi equations is a shallow water approximation of water waves problem. Indeed, GN equation is one order higher in approximation compared to Saint-Venant system. For this reason, it contains all the terms of Saint-Venant system in addition to some non linear third order dispersive terms. In other words, the GN equations is a dispersive perturbation of the Saint-Venant system. The latter system is hyperbolic and fits the general framework developed in the literature for hyperbolic systems. Particularly, it is entropic (in the sense of Lax) and symmertizable. Therefore, we can apply the well-posedness results known for symmetric hyperbolic system. During the first part of this work, we generalize the notion of symmetry to a more general type of equations including the GN system. This lets us to symmetrize the GN equation. Then, we use the suggested symmetric structure to obtain a global existence result for the system with a second order dissipative term by adapting the approach classically used for hyperbolic systems. The second part of this thesis concerns the numerical treatment of the free surface incompressible Navier–Stokes equation with surface tension. We use the level set formulation to represent the fluid free-surface. Thanks to this formulation, the kinematic boundary condition is treated by solving an advection equation satisfied by the level set function. This equation is solved on a computational domain containing the fluid domain over small time subintervals. Each iteration of the algorithm corresponds to the adevction of the fluid domain on a small time subinterval and to solve the time-discretized Navier–Stokes equations only on the fluid domain. The time discretization of the Navier–Stokes equation is done by the characteristic method. Then, the key tool which lets us solve this equation on the fluid domain is the anisotropic mesh adaptation. Indeed, at each iteration the mesh is adapted to the fluid domain such that we get convenient approximation and geometric errors in the vicinity of the fluid domain. This resolution is done using the Uzawa algorithm for a convenient finite element method. The slip boundary conditions are considered by adding a penalization term to the variational formulation associated to the problem.