Cette thèse contribue à la modélisation et à létude de la dynamique de la coupe vibratoire, ayant comme application immédiate et comme objectif, la validation du perçage vibratoire par tête auto-vibrante. Les modèles de la coupe vibratoire qui ont été développés ont fait lobjet dune analyse de stabilité et dune étude détaillée par simulations numériques. Les phénomènes non linéaires engendrés par la coupe vibratoire ont été mis en évidence par simulations et par une campagne dexpérimentations. Les modèles et les études issus de cette thèse donnent une vue densemble de la dynamique compliquée de la coupe vibratoire et apportent une compréhension fine des aspects pratiques du perçage vibratoire par tête auto-vibrante. Les moyens expérimentaux développés et mis en uvre constituent un outil dinvestigation performant et indispensable à lanalyse systématique du procédé, dans le but de son industrialisation.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation en bio-mathématiques et dans celui de l'analyse numérique et du calcul scientifique. Le modèle bidomaine décrit l'activité électrique du coeur. Cette activité est complexe : elle relève à l'échelle cellulaire de processus biochimiques et à l'échelle macroscopique de la structure anisotrope des tissus cardiaques, des caractéristiques du thorax. Une application fondamentale du modèle est la simulation d'électrocardiogrammes. Des méthodes de calcul type volumes finis sont développées pour la résolution du modèle. Dans un premier temps, la stabilité et la convergence de schémas volumes finis classiques est établie, en théorie et numériquement, pour une version simplifiée du modèle bidomaine. Pour faire face à des difficultés conceptuelles et pratiques du modèle complet (anisotropie des tissus, conditions limites, maillages non structurés distordus), une seconde classe de schémas 2D-3D, cell-vertex centered, est mise au point et testée.

MAGNETO-CONVECTION DANS UNE SPHERE EN ROTATION RAPIDE: APPROCHES NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE DE LA CONVECTION DANS LES NOYAUX PLANETAIRES Nous avons tout d'abord eudie la convection deloppee en rotation rapide sans champ magneique. En nous appuyant sur un code numerique Quasi-Gestrophique, nous avons derive des lois d'echelles mettant en valeur l'importance des non-linearites thermique, quel que soit le nombre de Prandtl. L'ecart au seuil d'instabilit et le mode de Rossby critique semblent definir la taille et l'intensite des tourbillons convectifs. Ces resultats numeriques sont en bon accord avec nos observations experimentales, en gallium et en eau, des fluctuations de temperature et des profils de vitesses. Cependant d'etranges comportements (d'intenses jets zonaux) sont observes en eau a grand forcage. L'etude de la magneto-convection developpee a ete menee apres transformation de l'experience et du code numerique. En accord avec de precedents resultats asymptotiques, l'etude numerique distingue les modes de Rossby modifies (champ faible) des modes magnetiques (champ fort). L'etude experimentale, appuyee par les resultats numeriques, montre une stabilisation de la convection developpee et une modification de la geometrie des cellules en champ faible. Cette inhibition semble en grande partie la consequence de l'evolution du seuil d'instabilite avec le champ impose. L'etude numerique de la destabilisation de la convection en presence d'un champ fort amene a une conclusion similaire. Les lois d'echelles derivees precedemment sans champ magnetique semblent alors rester valable en presence d'un champ impose.

Nous avons conçu un modèle de synthèse de sons de piano qui utilise à la fois des méthodes de type modèle physique et des méthodes de type modèle de signal. Il reproduit fidèlement le timbre de l'instrument tout en simulant les principaux phénomènes physiques qui apparaissent en condition de jeu. Nous avons tout d'abord réalisé un ensemble de mesures sur une expérimentation et sur un véritable piano. Pour chaque note du piano et plusieurs dynamiques, nous avons mesuré la vitesse du marteau, l'accélération du chevalet et le déplacement de la corde. Divers modèles de synthèse simulant la propagation des ondes transverses dans les cordes et d'interaction marteau-corde ont été. Tout d'abord, nous avons étudié les modèles physiques sous la forme d'équations aux dérivées partielles (EDP). La synthèse sonore réalisée avec de tels modèles manque de réalisme. Pour améliorer cette synthèse, nous avons utilisé des techniques d'optimisation, calculant les paramètres du modèle afin que la synthèse soit aussi proche que possible d'un point de vue perceptif du signal mesuré. Une amélioration nette du son produit a été obtenue, sans qu'il soit totalement satisfaisant. Nous avons ensuite étudié les modèles type « guides d'onde numériques ». Ces modèles simulent avec une grande précision la propagation des ondes dans une structure et sont peu coûteux en tant de calcul. Nous avons montré que les paramètres de ce type de modèle s'expriment en fonction des paramètres d'un modèle physique EDP. En couplant ces guides d'onde, nous sommes parvenus à modéliser les transferts d'énergie entre les cordes, responsables de phénomènes importants perceptivement comme les battements. Nous avons de plus traité le problème inverse, i.e. obtenir les relations analytiques permettant de déduire les paramètres du modèle couplé à partir des paramètres modaux du signal mesuré. Cette calibration a permis de resynthétiser avec une grande fidélité les signaux originaux. La source du modèle guide d'onde numérique, dont le comportement est directement lié à l'interaction marteau-corde, a été simulée par un modèle de signal, la synthèse soustractive. Le modèle de synthèse a finalement été implémenté en temps réel. L'instrument réalisé constitue un piano numérique dont on peut modifier le timbre.

Le procédé de refroidissement par flash détente se développe dans divers domaines de l'agroalimentaire. La mise sous vide permet d'abaisser la température de saturation et d'évaporer une partie d'un solvant contenu dans un mélange. L'évaporation va se faire en prenant de l'énergie au mélange et ainsi de refroidir. Les vapeurs sont ensuite recondensées et éventuellement les condensats sont réintroduits dans le fluide. Les systèmes de flash détente qui sont actuellement conçus utilisent des composants souvent surdimensionnés. Le procédé reste complexe à appréhender du fait des phénomènes physiques liés au vide et au couplage entre les composants du système. Une pré-étude technologique a conduit à un nouveau concept de refroidissement en cascade permettant de réduire l'encombrement des différentes entités. Il s'agit de partager la cuve de détente en deux parties à pressions différentes, permettant quand même le refroisissement en continu. Ces deux parties communiquent par un clapet à flotteur et sont reliées à deux condenseurs placés en parallèle (ou en série) sur la pompe à vide. Ce système a conduit à un brevet international. Un prototype expérimental permettant de traiter 3 tonnes/heure de mélange a été développé durant la thèse et a permis d'observer des différentes pressions et températures, des condensats ainsi quele débit de la pompe à vide. La modélisation fine de tels phénomènes a été peu abordée. A cette fin, nous simulons l'évolution de la vapeur dans les deux parties de la cuve, sa condensation dans les condenseurs (tube et calandre) et sa liaison au fonctionnement de la pompe à vide. Successivement sont étudiés théoriquement et expérimentalement, l'éjecteur, le dévesiculeur, les condenseurs et leur couplage avec la cuve de détente. Les modèles sont qualifiés en terme de parcimonie, exactitude, précision et spécialisation. Ces étude ont conduit à l'expression d'une base de connaissances formulées par contraintes numériques cohérente avec son traitement par un solveur de problèmes par satisfaction de contraintes (CSP). La base de connaissances et le solveur constituent un système d'aide à la décision pour la définition d'évaporateurs flash.

PRESENTATION DES METHODES DE SIMULATIONS NUMERIQUES DES PHENOMENES DE TRANSPORT ET D'EMISSION RADIATIVE DES DISPOSITIFS COMPORTANT UN NOMBRE QUELCONQUE D'HETEROJONCTION. ETUDE DES DIODES ELECTROLUMINESCENTES A SIMPLE HETEROJONCTION ET A DOUBLE HETEROJONCTION. ANALYSE DE L'INFLUENCE DES PARAMETRES GEOMETRIQUES ET TECHNOLOGIQUES. ANALYSE DES COMPORTEMENTS DES DISPOSITIFS LIES AUX PROPRIETES DES MATERIAUX: ICI ON S'INTERESSE A GAAS-GA::(1-X)ALXAS. ANALYSE DE FACON APPROFONDIE DES PHENOMENES D'ELECTROLUMINESCENCE, QUI SONT LES FONDEMENTS DE TOUTE ETUDE DES PERFORMANCES DES DISPOSITIFS. ETUDE APPROCHEE DES PHENOMENES DE REFLEXION ET REABSORPTION

PRESENTATION D'UN MODELE COMPLET, A LA FOIS STATIQUE ET DYNAMIQUE, DE TRANSISTORS DE PUISSANCE. DEVELOPPEMENT, A PARTIR DU MODELE, D'UN OUTIL NUMERIQUE DE SIMULATION DU COMPORTEMENT DYNAMIQUE "PETITS SIGNAUX". SIMULATION NUMERIQUE DU COMPORTEMENT TRANSITOIRE LARGES SIGNAUX DES TRANSISTORS DE PUISSANCE (ORGANISATION D'UN PROGRAMME DE CALCUL INTEGRANT LE TRAITEMENT DE TOUS LES ELEMENTS, STATIQUE ET DYNAMIQUE, DU MODELE, MISE AU POINT DU PROGRAMME)

Les surpressions de fluide sont très souvent invoquées pour expliquer les très faibles frottements observés à la base des nappes chevauchantes ou les glissements de sédiments sur de très faibles pentes. La modélisation analogique ne les avait cependant jamais prises en compte. Dans cette thèse, nous développons une nouvelle technique qui consiste à injecter de l'air dans des modèles de sable afin de simuler ces surpressions. Grâce à cette méthode, nous montrons comment les fluides agissent sur la déformation par l'intermédiaire des forces de courant (gradient de pression), en modifiant l'intensité et l'orientation des contraintes effectives. Nous effectuons ensuite des expériences de déformation compressive, dans lesquelles nous générons des niveaux de décollement en jouant sur la perméabilité du sable utilisé dans la construction des modèles. L'efficacité de ces décollements dépend alors de la pression de fluide appliquée et contrôle le style de la déformation. Ces expériences analogiques sont comparées avec un modèle numérique d'éléments distincts couplé à une phase fluide, que nous avons également développé au cours de cette thèse. La confrontation des résultats issus des deux méthodes apparaît assez convaincante. Nous simulons ensuite des glissements gravitaires et montrons comment les surpressions de fluide peuvent créer des failles normales listriques en modifiant l'orientation des contraintes. Ces expériences sont enfin appliquées aux déformations du delta de l'Amazone. La corrélation entre la forme des glissements, la distribution des pressions et la présence d'une roche mère en probable génération de gaz, nous permet de préciser l'origine des surpressions dans ce delta. Pour terminer, nous nous plaçons à l'échelle du grain de sable, et nous utilisons la méthode numérique pour caractériser l'évolution de la texture d'un milieu granulaire soumis à un gradient de pression de fluide croissant.

La pénétration d'un projectile - éventuellement balistique - à grande vitesse/haute énergie, et l'occurrence d'un coup de bélier dans un réservoir, représentent une éventualité qu'il est souvent légitime, sinon toujours nécessaire, de considérer en sécurité aéronautique. Pour se protéger d'une telle éventualité, le durcissement structural à l'impact via l'intégration de blindages est une solution ultime, qui n'est - dans l'aéronautique - que rarement acceptable pour des raisons évidentes de pénalité de masse. La réduction de la vulnérabilité devient alors indissociable d'un exercice délicat d'optimisation de la résistance de la structure au regard de sa masse, ce qui nécessite donc de modéliser précisément l'occurrence d'un tel coup de bélier, sa sévérité et ses conséquences sur la structure. Ceci est d'autant plus vrai et difficile qu'on s'intéresse - depuis plusieurs décennies déjà en aéronautique - à des structures composites à renfort de fibres de carbone, qu'on sait être particulièrement fragiles aux chocs, et à des projectiles balistiques réels différant notablement de projectiles sphériques rigides, académiques. Les situations étudiées depuis les années 1980 à l'ONERA-Lille concernent en effet des impacts de balles ou d'éclats réels (simples ou multiples : gerbes) perforants et subsoniques p/r à la célérité des ondes dans le liquide. Pour résumer la problématique traitée dans ce mémoire : après pénétration du réservoir, l'éclat ou la munition animée d'une vitesse proche d'un km/s est brutalement freiné(e) par le liquide contenu dans la structure. La force de traînée qui lui est opposée par le fluide varie violemment en fonction de l'évolution du profil traînant du projectile, en particulier lorsqu'il est déstabilisé et se retourne dans le fluide. Cette énergie cinétique est brutalement transférée au liquide, et il y a création d'un choc hydrodynamique puis d'une cavité (on est en présence d'un mélange fluide multiphasique air, vapeur, liquide) dans le sillage du projectile. Après une première onde de choc hydrodynamique potentiellement destructrice, l'expansion à peine plus lente de la cavité dans le liquide (quasiment incompressible) peut se traduire par des déformations non négligeables de la structure pouvant aboutir à des ruptures catastrophiques des matériaux ou des assemblages structuraux, le coup de grâce étant éventuellement porté lors de l'effondrement final de la cavité. Le mémoire présenté à l'occasion de cette candidature à l'obtention d'une Habilitation à Diriger des Recherches retrace l'ensemble des travaux de recherche que j'ai été amené à réaliser et surtout à encadrer depuis le début des années 1990 concernant cette problématique de la modélisation des matériaux et structures composites soumis à des sollicitations de type chocs hydrodynamiques, en particulier sur les sujets de la caractérisation et de la modélisation, d'une part, du comportement et de la rupture dynamique des matériaux composites à matrice organique et, d'autre part, des interactions fluide/structures et des chocs hydrodynamiques consécutifs aux impacts balistiques dans des réservoirs aéronautiques.

Le cytosquelette joue un rôle essentiel dans de nombreux processus cellulaires (division, adhésion, migration, morphogenèse..). Un de ses principaux constituants, les filaments d'actine, des polymères semi flexibles polarisés, forme des réseaux dont les architectures spécifiques permettent au cytosquelette de réaliser ses fonctions physiologiques. Un enjeu majeur en biologie cellulaire est de comprendre comment les cellules peuvent former une telle variété d'organisations à partir de la même entité de base, les monomères d'actine. Nous avons découvert récemment que limiter la nucléation des filaments d'actine à des géométries définies suffit à contrôler la formation de différentes organisations (Reymann et al, 2010). Néanmoins, les paramètres principaux permettant d'expliquer comment ces contraintes géométriques déterminent l'organisation collective des filaments n'ont pas été identifiés. Pour comprendre les lois physiques régissant ce phénomène, j'ai développé des simulations numériques du système expérimental en utilisant le logiciel Cytosim. J'ai pu ainsi montrer que la géométrie, les interactions stériques entre filaments, leurs propriétés mécaniques, et l'efficacité de la nucléation sont les paramètres clés contrôlant la formation de structures. Cette étude propose une base solide pour comprendre l'organisation cellulaire de l'actine en identifiant un système minimal de composants suffisant pour simuler l'émergence de différentes organisations d'actine (réseau branché, faisceaux de filaments parallèles ou antiparallèles). Avec cet outil, nous pouvons à présent prédire, étant donnée une géométrie de nucléation, quelles structures en émergeront.Nous avons alors combiné nos deux méthodes in-vitro et in-silico pour étudier comment le couplage entre l'architecture des réseaux et leur composition biochimique contrôle la réponse contractile. La connectivité entre les filaments en est un facteur crucial. En effet, un réseau peu connecté se déforme seulement localement, et n'instaure pas de comportement global. Une structure fortement connectée est très rigide, les moteurs moléculaires ne peuvent donc pas la déformer efficacement. La contraction d'une structure n'est donc possible que pour des valeurs de connectivité intermédiaires. L'amplitude de cette contraction est alors déterminée par l'organisation des filaments. Ainsi nous avons pu expliquer comment l'architecture mais aussi la connectivité des réseaux gouverne leur contractilité.Finalement, les microtubules sont aussi des acteurs essentiels aux processus cellulaires. Étant longs et rigides, ils servent de senseurs de la forme cellulaire et organisent les organites. Leur distribution spatiale, facteur majeur pour l'organisation cellulaire, est contrôlée dans un grand nombre de types cellulaires par la position du centrosome, un organite qui nuclée la plupart des microtubules. La capacité du centrosome à trouver le centre de la cellule dans de nombreuses conditions physiologiques est particulièrement étonante. Il peut aussi adopter une position décentrée lors de processus cellulaires spécifiques. Des mécanismes pouvant potentiellement expliquer le positionnement du centrosome ont été proposés (Manneville et al., 2006; Zhu et al, 2010), mais ce phénomène reste dans sa plus grande partie inexpliqué. J'ai utilisé les simulations pour explorer différents mécanismes pouvant le contrôler selon différentes conditions. Ces résultats permettent de disposer d'une base théorique pour présumer des mécanismes intervenant dans un système donné. Ils peuvent aussi permettre de valider ou réfuter des hypothèses sur les phénomènes mis en jeu et aider à l'élaboration de nouveaux systèmes expérimentaux.Les simulations que j'ai développées aident ici à étudier des comportements spécifiques, en apportant de nouveaux éclairages sur les comportements collectifs du cytosquelette. Elles pourraient être utilisées comme un outil prédictif ou adaptées pour l'étude d'autres systèmes expérimentaux. / The cytoskeleton plays a crucial role in cellular processes, including cell division, adhesion, migration and morphogenesis. One of its main compenent, the actin filaments, a polarised semi-flexible polymer, contributes to these processes by forming specific collective architectures, whose structural organisations are essential to perform their functions. A major challenge in cell biology is to understand how the cell can form such a variety of organisations by using the same basic entity, the actin monomers. Recently we discovered that limiting actin nucleation to specific regions was sufficient to obtain actin networks with different organization (Reymann et al., 2010). However, our understanding of the general parameters involved in geometrically-driven actin assembly was limited. To understand mechanistically how spatially constraining actin nucleation determines the emergent actin organization, I performed detailed simulations of the actin filament system using Cytosim, a simulation tool dedicated to cytoskeleton system. I found that geometry, actin filaments local interactions, bundle rigidity, and nucleation efficiency are the key parameters controlling the emergent actin architecture. This study sets the foundation for our understanding of actin cellular organization by identifying a reduced set of components that were sufficient to realistically reproduce in silico the emergence of the different types of actin organization (branched actin network, parallel or anti parallel actin bundles). We can now predict for any given nucleation geometry which structures will form.Being able to control the formation of specific structures in-vitro and in-silico, we used the combination of both methods to study how the interplay between actin network architecture and its biochemical composition affects its contractile response. We highlighted the importance of the connectivity between filaments in the structures. Indeed, a loosely connected network cannot have a global behavior, but undergoes only local deformations. A highly connected network will be too rigid to be efficiently deformed by molecular motors. Only for an intermediate range of network connectivity the structures will contract, with an amplitude that depends notably on actin filaments organisation. This work explains how architecture and connectivity govern actin network contractility.Finally, the microtubules are also essential actors of cellular processes. Being long and rigid, they serve as sensors of the cellular shape and can organize the position of organelles in the cytoplasm. Their spatial distribution in the cell is thus a crucial cellular feature. this distribution is determined in a vast number of cell types by the position of the centrosome, an organelle that nucleates the majority of microtubules. Quite strinkingly, the centrosome is able to find the center of the cell in a lot of different physiological conditions, but can nonetheless adopt a decentered position in specific cellular processes. How this positioning is controled is not yet fully understood, but a few potential mechanims have been proposed (Manneville et al., 2006; Zhu et al., 2010). I used the simulations to explore different mechanisms taht can explain the position of the centrosome under different conditions. These results offer theorical considerations as a basis to assess which mechanism might prevail in a specific experimental system and may help to design new experimental setups.The simulations that I developed helped to study some specific behavior, by giving new insights into cytoskeleton collective organisations. These simulations can be further used as predictive tool or adapted to other experimental systems.