The computational analysis of vortex shedding flow is presented, using the commercially available computational fluid dynamics(CFD) software package PHOENICS. In this analysis it is shown how the use of the conventional PHOENICS default first-order hybrid-upwind convective differencing scheme provides an excellent example of the effects of multidimensional false diffusion. These effects are substantially reduced with the introduction of an alternative scheme, SUCCA ( Skew Upwind Corner Convection Algorithm), for the modelling of convective transport in 2D and 3D analyses; resulting in the promotion of continuous vortex shedding for the 2D model. The mechanism of pulsating flow influence on the vortex shedding process has also been simulated. The results show that a complex transient phenomenon such as vortex shedding can be analysed using the PHOENICS code but only with the implementation of an alternative convection algorithm. The results also demonstrate the SUCCA scheme's ability to accurately represent convective transport and hence substantially reduce the effects of multidimensional false diffusion in numerical flow analyses.

Ce travail de recherche vise à proposer et à valider une modélisation fine des dallages pour le calcul des déplacements et des contraintes créés par des chargements de courte et de longue durée. On ne s'intéresse qu'au cas particulier des dallages industriels rigides en béton non armé. Cette recherche se situe dans un contexte global, visant à améliorer les règles de dimensionnement des dallages existants actuellement en France. Tous les spécialistes du domaine confirment que le fonctionnement des dallages industriels est fortement marqué par les effets du retrait du béton, en particulier par le caractère non uniforme de sa distribution sur l'épaisseur du dallage. Ces effets ont une influence significative sur le comportement des dallages, surtout lorsqu'ils sont couplés à des variations de température dans l'épaisseur. Une analyse poussée de ce phénomène s'est imposée et a été menée. On traite ensuite de l'utilisation du logiciel aux éléments finis CESAR-LCPC appliqué à la modélisation des dallages, ainsi que des résultats obtenus. Des simulations variées des dallages isolés, puis goujonnés, sont effectués sous des chargements mécaniques et thermiques, à l'aide d'un modèle tridimensionnel multicouche élastique, prenant en compte la possibilité d'un décollement entre le dallage et sa fondation. Ce travail de modélisation aboutit à la conception d'un module spécifique aux dallages, greffé sur CESAR-LCPC. Ce module facile à l'accès servira à simplifier les différentes étapes pour modéliser un dallage, sans avoir vraiment besoin de maîtriser CESAR-LCPC. Ce module est utilisé pour comparer les résultats de CESAR-LCPC à ceux d'autres logiciels issus de la profession (TASPLAQ et DALLIA).

Durant cette thèse, nous avons réalisé une étude expérimentale 2D d'un milieu granulaire dense vibré dans des conditions proches de la transition de blocage. Une des particularités de notre dispositif expérimental est le rôle joué par la gravité, qui introduit une pression de confinement variable spatialement. De plus, en combinant notre étude dynamique du milieu granulaire à une approche rhéologique, cela nous a permis de préciser le rôle des vibrations sur la mobilité de l'intrus au sein de la phase dense agitée. Dans le chapitre 3, une étude macroscopique d'agitation et de compacité du milieu a été conduite. Un des résultats majeurs est l'obtention d'une expression reliant compacité, pression et agitation, différente de ce qui est attendu de l'équation d'état associée à la théorie cinétique des gaz granulaires. Cette expression est validée pour des milieux fortement dissipatifs associés à des grandes hauteurs d'empilement. En revanche, pour des faibles hauteurs d'empilement, on retrouve bien le comportement standard des gaz granulaires. L'observation d'un comportement inverse à celui attendu pour un gaz dissipatif illustre bien le caractère non collisionel du mode de transfert énergétique. Cela suggère entre autres, un rôle important de la structure de l'empilement dans la transmission de l'énergie, particulièrement au voisinage des configurations à faibles nombres de contacts. Une question centrale est donc de comprendre l'origine de la relation obtenue en clarifiant le rôle des transports élastiques dans ces empilements à la fois désordonnés et fragiles. Par exemple, expérimentalement, il serait intéressant de déterminer comment évolue le nombre de contacts moyen par grain lorsque la compacité diminue et que l'énergie cinétique moyenne stockée dans l'empilement chute fortement. Cette caractérisation du comportement macroscopique a été complétée par une étude microscopique de la mobilité individuelle des grains. Nous avons vu qu'au sein d'un même empilement vibré pouvaient coexister plusieurs régimes (bloqué, sous diffusif, diffusif) et que cela amenait à une certaine hétérogénéité de la dynamique du milieu. Au nal, nous avons caractérisé la mobilité moyenne des grains à travers la compacité locale du milieu mais aussi en introduisant une échelle de temps qui met en évidence un comportement non local, directement relié à une mesure de l'hétérogénéité dynamique de l'ensemble de l'empilement. Enfin, en analysant les champs de déplacement des grains et leurs corrélations spatiales, nous avons pu identifier une échelle spatiale mésoscopique homogène sur l'ensemble de la cellule et correspondant à des mouvements collectifs. Il serait intéressant par la suite d'étudier les relations entre cette échelle mésoscopique et la mobilité d'un grain. À cet effet, nous avons commencé à étudier la densité des modes propres associés à la matrice de corrélation des déplacements individuels des grains. Nous avons vu que pour les phases les plus bloquées, il existe de fortes analogies avec les modes "mous" identifiés pour les systèmes élastiques désordonnés proches de la transition de blocage. Cette partie de notre travail non rapportée dans cette thèse, nécessite donc quelques précautions et un développement plus approfondis. Le dernier chapitre complète notre description du milieu granulaire par l'étude de la mobilité d'un intrus au sein de la phase vibrée dans des conditions identiques à celle du chapitre 3. La densité de cet intrus est telle qu'il coule verticalement. Nous avons montré qu'il était possible à partir des trajectoires, de déduire une relation entre un coefficient de friction effectif et la vitesse locale de l'intrus. En outre, le comportement dynamique de la chute étant très intermittent, nous avons séparé et analysé les phases de blocage et de coulée. Il émerge de cette étude un comportement pathologique associé à la dynamique de blocage qui modifie fortement les lois d'écoulement et éventuellement la rhéologie du système. Nous avons finalement pu proposer une méthode permettant de déterminer une loi effective de rhéologie pour un milieu granulaire dense vibré. Une étude paramétrique complète variant la taille de l'intrus serait nécessaire pour compléter l'étude. Néanmoins, les premiers résultats semblent indiquer un comportement rhéologique similaire de celui observé dans les milieux granulaires cisaillés, c'est à dire l'existence d'un régime rhéo-épaississant tel que la friction effective augmente avec le taux de cisaillement. Cette étude a été complétée par l'analyse des champs de déplacement au passage de l'intrus. Ceci a permis de montrer que la coulée s'effectue à travers un couple intrus-vortex qui provoque des réorganisations à grande échelle à l'intérieur du milieu. Bien que ces résultats apportent une certain éclairage expérimental sur certains aspects de la transition de blocage, ils engendrent également de nombreuses questions qui appellent à des mesures complémentaires.

Résumé : Voir pdf pp. vii et viii

Nous avons démontré dans ce mémoire une nouvelle méthode de séparation d'espèces microscopiques quasi-isodensité, applicable à la séparation d'espèces biologiques ou bio-mimétiques, comme les vésicules lipidiques ou les globules rouges. Cette méthode s'appuie sur l'utilisation d'un champ de force acoustique programmé dans une cellule de SPLITT. Nous avons commencé par rappeler l'expression de la force acoustique subie par des micro-particules en suspensions dans un fluide résultant de la présence d'une onde ultrasonore, et montré que les conditions expérimentales de notre séparateur correspondent au domaine sur lequel cette expression est valide. L'effet principal de cette force acoustique est d'attirer les particules vers les noeuds de pression de l'onde stationnaire, dont le nombre et la position sont contrôlés par la fréquence de l'onde. Nous avons alors montré que la trajectoire de particules dans un canal mince sous l'effet d'un écoulement de fluide et d'une onde ultrasonore stationnaire peut être prédite en comparant deux temps, le temps de relaxation dans l'onde, pris par les particules pour converger vers les noeuds de pression, et le temps de résidence dans l'onde. Si le temps de résidence est plus grand que le temps de relaxation, les particules atteignent leur position d'équilibre ; dans le cas contraire, leur migration transverse est faible. Nous avons ensuite présenté l'outil principal dont nous nous sommes servis pour étudier le séparateur acoustique fluidique : le microscope holographique. Celui-ci permet d'extraire les positions tridimensionnelles d'objets en suspension dans un liquide en écoulement dans le canal. Ceci nous permet en particulier de suivre la migration des particules dans l'épaisseur du canal, ce qui est impraticable par une technique de microscopie classique. Nous avons ainsi mesuré la vitesse de sédimentation de particules de latex de 10 m de diamètre, et obtenue une valeur de 3 m/s est bon accord avec la valeur théorique valant 2,7 m/s. Nous avons ensuite tiré parti de notre capacité à mesuré les distributions de particules dans l'épaisseur du canal pour démontrer l'effet de focalisation acoustique à un et deux nœuds. Nous avons montré comment déterminer les fréquences de résonances du canal correspondant à la présence d'une onde stationnaire dans celui-ci par l'observation conjointe de la transmission acoustique du canal et de la distribution in situ. Aux pics de transmission sont associés des focalisations prononcées des particules à des hauteurs précises du canal, correspondant aux noeuds d'une onde de pression stationnaire. En variant le débit et ainsi le temps de résidence des particules dans l'onde, nous avons pu en déduire les temps de relaxations des particules et ainsi un ordre de grandeur de l'énergie acoustique moyenne présente dans le canal, de l'ordre de quelques J/m3. Nous avons alors proposé une méthode originale pour mesurer plus précisément la valeur de l'énergie acoustique, par l'observation de la position d'équilibre des particules pour diverses intensités du champ de pesanteur. Cette expérience est rendue possible par l'embarquement du dispositif dans un avion effectuant des vols paraboliques, au cours duquel s'enchaînent des phases pour lesquelles l'intensité du champ de pesanteur vaut 0 g, 1 g ou 1,8 g. La valeur obtenue, de près d'un J/m3, est compatible avec les mesures aux sols. Pour ces expériences, le contact canal/transducteur était assuré par du gel à ultrasons ; nous espérons que le collage des transducteurs au moyen d'une colle epoxy permettra d'améliorer le couplage. Une nouvelle expérience de mesure de l'énergie acoustique par ce procédé à été menée avec des transducteurs collés, et son analyse est en cours. Nous avons alors introduit le principe du séparateur acoustique fluidique, reposant sur la juxtaposition en série selon la longueur du canal de deux transducteurs générant une onde à un et deux noeuds. Une modélisation numérique de celui-ci montre qu'il est possible d'effectuer des séparations de particules micrométrique quasi-isodensité avec une excellente résolution et un flux de production plus grand que celui obtenu par SPLITT gravitationnel. Le flux de production peut être d'autant plus grand que l'énergie acoustique est grande, ce qui est encourageant dans la perspective de l'utilisation industrielle ou pharmaceutique de ce séparateur. Nous avons également montré comment cette méthode de programmation spatiale d'un champ de force acoustique peut être étendue pour améliorer encore le flux de production et la sélectivité de séparateur de type SPLITT, en permettant la préfocalisation d'espèces dans le canal sans utiliser deux entrées ; on obtient ainsi une nappe initiale très fine sans diluer l'échantillon. Nous nous sommes alors consacrés à la présentation de la réalisation expérimentale de ce séparateur acoustique fluidique, au moyen de cellules de step-SPLITT. Nous avons étudié son efficacité pour la séparation de mélanges de particules de latex de deux diamètres différents, et mesuré un facteur de séparation de 4,5 pour des particules de 5 m et 10 m, ce qui veut dire que l'on récupère en proportions cinq fois plus de petites que de grosses parti-cules à l'une des sortie, soit une purification d'un facteur 5. Nous espérons que l'amélioration du résonateur, par l'utilisation de parois en verre, nous permettra d'augmenter encore l'efficacité du dispositif. Nous avons ensuite montré que les vésicules lipidiques peuvent être manipulées efficacement au moyen de la force acoustique. Il est donc possible de les trier au moyen de notre dispositif. Nous avons mené des expériences préliminaires de séparations d'échantillons de vésicules très polydisperse, qui ont montré que nous pouvions enrichir le mélange en vésicules de faible diamètre, obtenant ainsi après un passage dans le dispositif près de 90% de vésicule de diamètre inférieur à 12 m, avec un flux de production de quelques 104 vésicules/h. De tel échantillons peuvent être utiles dans la perspective de l'étude des vésicules en tant que modèle du comportement mécanique de cellules biologique, dont les diamètres sont de l'ordre de quelques microns. Pour terminer, nous avons présenté une expérience préliminaire montrant la grande sensibilité des globules rouges à la force acoustique, par l'observation d'une striation d'un échantillon de sang total dilué en écoulement dans une de nos cellules sous l'effet d'une onde ultrasonore. Ce résultat laisse entrevoir l'utilisation potentielle de notre séparateur pour la séparation des globules rouges du plasma, ce qui présente un grand intérêt pharmaceutique.

Cette thèse est une contribution à la compréhension de certains phénomènes d'ondes de surface sur des problèmes d'intérêts actuels. Des résultats significatifs ont été obtenus grâce à une nouvelle technique de mesure de la surface libre qui a étémise au point pour ces études. Cette technique de profilométrie optique consiste à projeter un réseau de franges sinusoïdales de caractéristiques connues sur la surface libre et à observer l'image projetée depuis une autre direction. La déformation de la surface, ainsi que la perspective introduisent une modulation locale de fréquence du réseau de franges. L'analyse de l'image déformée et sa comparaison avec une image de référence permet de reconstruire la déformation de la surface libre. En particulier, cette technique à l'avantage de déterminer le profil de la surface étudiée à partir de l'acquisition d'une seule image, ce qui permet l'étude des écoulements en temps réel et des processus dynamiques fortement non-stationnaires. La haute résolution spatiale et temporelle atteinte permettent pour la première fois l'exploration d'une grande variété de phénomènes à la surface d'un liquide. Principalement deux études expérimentales sur des ondes de surface ont été effectuées. Dans la première, nous nous concentrons sur l'étude des résonances d'ondes de surface autour d'un cylindre circulaire de rayon a dans un guide d'onde de largeur 2d (modes piégés). Les paramètres adimensionnels pertinents sont, d'une part la fréquence des ondes kd (k étant le nombre d'onde) et, d'autre, le rapport d'aspect a/d entre le cylindre et le guide. Dans le cadre de cette étude, un grand nombre de rapports d'aspect ont été explorées. Ce travail fournit la première caractérisation expérimentale complète des modes piégés dans l'espace des fréquences ainsi qu'une analyse détaillée de leur structure spatiale. Cette caractérisation a été obtenue en décomposant le champ de déformation de la surface libre en harmoniques du forçage, ce qui nous a permis d'évaluer la contribution relative des modes linéaires et non linéaires. Nos résultats montrent que la composante linéaire est dominante dans nos expériences, ce qui valide les approches théoriques basées sur la théorie linéaire des ondes de surface. Une décomposition de la partie linéaire du champ de déformation de la surface libre en fonction des symétries naturelles du problème permet, pour la première fois, la mise en évidence expérimentale de la structure spatiale des modes piégés. Ils se manifestent comme des oscillations non propagatives de la surface libre, antisymétriques par rapport à l'axe longitudinal du guide, confinées au voisinage du cylindre. Deux types de modes piégés ont été observés : symétriques et antisymétriques perpendiculairement à l'axe du canal. Alors que le premier type de mode est toujours présent, le second n'a été observé que dans le cas des plus grands rapports d'aspect. Nos résultats sur la structure spatiale de ces modes confirment les prédictions théoriques issus d'une méthode d'expansion en multipôles. La caractérisation en fréquence des modes piégés a été obtenue par une analyse en champ lointain plus précise qu'une simple mesure locale. En introduisant des coefficients de réflexion et de transmission pour les perturbations antisymétriques dans le guide, nous avons pu construire des courbes de résonance pour chacun des rapports d'aspect a/d étudiés. Sur ces courbes, l'apparition des modes piégés est mise en évidence par la présence d'un ou de deux pics de résonance. Une forte asymétrie est observée dans ces courbes, qui ne s'ajustent pas au modèle classique de Breit-Wigner. Cette asymétrie a été aussi mise en évidence dans une étude numérique complémentaire. Afin de pouvoir décrire correctement ce comportement, nous avons proposé un modèle qui tient compte de la proximité de la fréquence de coupure du guide. Ce modèle nous a permis de reproduire l'asymétrie de nos courbes de résonance et a été validé expérimentalement par nos résultats. Les résultats de cette étude sont synthétisés sur une courbe maîtresse qui illustre la dépendance de la fréquence adimensionnelle kd avec le rapport d'aspect a/d. Cette courbe est composée, comme attendue, de deux branches, qui correspondent aux deux types de modes piégés observés. Ces résultats montrent un excellent accord avec les prédictions théoriques existantes dans la littérature. Dans la seconde étude expérimentale conduite dans cette thèse, la turbulence des ondes de flexion sur une plaque élastique mince est étudiée. Dans ce cas, des mesures de la déformation de la plaque (intégralement résolue dans l'espace et le temps) ont été utilisées pour déterminer, pour la première fois, le spectre tridimensionnel d'énergie de la turbulence d'ondes. L'analyse de ce spectre met en évidence la présence d'une cascade turbulente d'énergie : les petits nombres d'ondes étant caractérisés par une forte anisotropie associée au forçage, tandis que les grands nombres récupèrent l'isotropie. D'autre part, l'analyse du spectre tridimensionnel montre aussi que l'énergie est concentrée au voisinage d'une surface 2D, qui représente une relation de dispersion faiblement non-linéaire. Ce résultat expérimental indique la persistance de la structure spatio-temporelle des ondes dans la plaque. Notre approche expérimentale de la turbulence d'onde a aussi révélé les principales caractéristiques des ondes faiblement couplées qui peuvent être comparées avec les prédictions de la théorie de la turbulence faible. Cette étude a confirmé et quantifié le comportement faiblement non linéaire des ondes composant la cascade turbulente. En outre, nos résultats ont confirmé que la puissance fournie et le spectre d'énergie suivaient la même loi d'échelle. Nous avons montré un bon accord entre les résultats expérimentaux et la théorie de la turbulence faible. D'autres études préliminaires sont brièvement évoquées concernant le retournement temporel d'ondes de surface et l'évolution spatio-temporelle de la déformation de la surface d'une couche mince de liquide après l'impact d'une goutte.

Le développement de la Théorie du Calcul Quantique provient de l'idée qu'un ordinateur est avant tout un système physique, de sorte que ce sont les lois de la Nature elles-mêmes qui constituent une limite ultime sur ce qui peut être calculé ou non. L'intérêt pour cette discipline fut stimulé par la découverte par Peter Shor d'un algorithme quantique rapide pour factoriser un nombre, alors qu'actuellement un tel algorithme n'est pas connu en Théorie du Calcul Classique. Un autre résultat important fut la construction par Lov Grover d'un algorithme capable de retrouver un élément dans une base de donnée non-structurée avec un gain de complexité quadratique par rapport à tout algorithme classique. Alors que ces algorithmes quantiques sont exprimés dans le modèle ``standard' du Calcul Quantique, où le registre évolue de manière discrète dans le temps sous l'application successive de portes quantiques, un nouveau type d'algorithme a été récemment introduit, où le registre évolue continûment dans le temps sous l'action d'un Hamiltonien. Ainsi, l'idée à la base du Calcul Quantique Adiabatique, proposée par Edward Farhi et ses collaborateurs, est d'utiliser un outil traditionnel de la Mécanique Quantique, à savoir le Théorème Adiabatique, pour concevoir des algorithmes quantiques où le registre évolue sous l'influence d'un Hamiltonien variant très lentement, assurant une évolution adiabatique du système. Dans cette thèse, nous montrons tout d'abord comment reproduire le gain quadratique de l'algorithme de Grover au moyen d'un algorithme quantique adiabatique. Ensuite, nous montrons qu'il est possible de traduire ce nouvel algorithme adiabatique, ainsi qu'un autre algorithme de recherche à évolution Hamiltonienne, dans le formalisme des circuits quantiques, de sorte que l'on obtient ainsi trois algorithmes quantiques de recherche très proches dans leur principe. Par la suite, nous utilisons ces résultats pour construire un algorithme adiabatique pour résoudre des problèmes avec structure, utilisant une technique, dite de ``nesting', développée auparavant dans le cadre d'algorithmes quantiques de type circuit. Enfin, nous analysons la résistance au bruit de ces algorithmes adiabatiques, en introduisant un modèle de bruit utilisant la théorie des matrices aléatoires et en étudiant son effet par la théorie des perturbations.

La mécanique quantique prédit l'existence de corrélations entre particules distantes qui ne peuvent s'expliquer dans le cadre des théories réalistes locales. Suite au développement récent de la théorie de l'information quantique, il a été réalisé que ces corrélations non-locales ont des implications quant aux capacités de traitement de l'information des systèmes quantiques. Outre une signification physique, elles possèdent donc une signification informationnelle. Cette thèse traite de différents aspects de la non-localité liés à ces deux facettes du phénomène. Nous commençons par un examen de la structure des corrélations locales et non-locales. Nous dérivons dans ce contexte de nouvelles inégalités de Bell, et généralisons ensuite le paradoxe de Greenberger-Horne-Zelinger à des états quantiques de dimension arbitraire et composés de plusieurs sous-systèmes. Nous abordons par après la non-localité du point de vue de la théorie de l'information. Il est possible de concevoir des théories non-locales consistantes avec le principe de causalité mais offrant des avantages supérieurs à la mécanique quantique en terme de manipulation de l'information. Nous investiguons l'ensemble des corrélations compatibles avec de telles théories afin d'éclairer l'origine des limitations imposées par le formalisme quantique. Nous nous intéressons également à la quantité de communication classique nécessaire pour simuler les corrélations non-locales. Nous montrons que cette mesure naturelle de la non-localité est étroitement liée au degré de violations des inégalités de Bell. Nous nous tournons ensuite vers des aspects expérimentaux. La faible efficacité des détecteurs utilisés dans les expériences de violation des inégalités de Bell reste un obstacle majeur à une démonstration convaincante de la non-localité, mais aussi à toute utilisation de la non-localité dans des protocoles d'information quantique. Nous dérivons d'une part des bornes quant à l'efficacité minimale requise pour violer les inégalités de Bell, et d'autre part des exemples de corrélations plus résistante à ces imperfections expérimentales. Finalement, nous clôturons cette thèse en montrant comment la non-localité, principalement étudiée dans le cadre de systèmes décrits par des variables discrètes, telles que les variables de spin, peut également se manifester dans des systèmes à variables continues, telles que les variables de position et d'impulsion.

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<p> A new experimental setup for studies on wake flow instability and its control, which has been designed and manufactured, is introduced and described. The main body is a dual-sided flat plate with an elliptic leading edge and a blunt trailing edge. Permeable surfaces enable boundary layer suction and/or blowing that introduce the feature of adjusting the inlet condition of the wake created behind the plate. This, in combination with a trailing edge that is easily modified, makes it an ideal experiment for studies of different control methods for the wake flow instability. Additionally, a vortex detection program have been developed in order to detect, analyse and compare small-scale vortical structures in the wake behind the plate for different inlet conditions and control methods applied to the wake flow. Instantaneous velocity fields behind a cylinder subjected to suction or blowing through the entire cylinder surface have been analysed with this program. The results of the analysis show that the major change for different levels of blowing or suction is the location of vortices while the most common vortex size and strength are essentially unchanged.</p>