L’objectif de cette thèse est d’appréhender la complexité des mécanismes biologiques de l’acupuncture afin de construire un modèle mathématique multi-échelle. Ce modèle est étudié théoriquement et numériquement. L’acupuncture est une des plus vielles pratiques de l’histoire de la médecine et une partie intégrante de la médecine traditionnelle chinoise. Dans sa pratique la plus classique, une ou plusieurs aiguilles sont placées à des endroits spécifiques, nommés points d’acupuncture. L’aiguille est ensuite manipulée en utilisant des mouvements de rotation et de translation de façon à stimuler le point d’acupuncture. Les effets cliniques de l’acupuncture pourraient être le résultat d’effet de cascades de réactions produites par les interactions entre l’hypoderme et les systèmes nerveux, endocrinien et immunitaire. Le travail présenté s’articule sur la modélisation de l’insertion d’une aiguille dans le tissu conjonctif de l’hypoderme. Un modèle d’écoulement en milieu poreux du liquide interstitiel de l’hypoderme a permis d’étudier numériquement les composantes de contrainte qui agissent sur les récepteurs à la surface des cellules du tissu et notamment des mastocytes.Un modèle mathématique de la réponse chimiotactique des mastocytes à une contrainte physique créée par le traitement d’acupuncture est développé. Ce modèle prend en compte les mécanismes de signalisation cellulaire. La contrainte physique induit la libération rapide et continue, grâce au recrutement chimotactique de mastocytes, d’attractants et de médiateurs chimiques. Le modèle est basé sur le modèle de chimiotaxie de type Keller-Segel. / The objective of this thesis is to comprehend the complexity of the underlying basis of acupuncture. Acupuncture needling is investigated in order to establish a multiscale model that takes into account the complexity of biology but is mathematically simple enough to run simulations.Acupuncture is one of the oldest practices in the history of medicine and is the core of Traditional Chinese Medicine. Once needles are inserted in the right locations, called acupoints, they are manipulated via manual needling to stimulate the acupoint. The physiological reactions of acupuncture needling lead to therapeutic effects which can be explained by a series of interactions between the skin and the nervous, the endocrine, and the immune systems.In the present work, the thrusting and lifting of an acupuncture needle inserted in subcutaneous connective tissue is modeled. A porous media model is used to run simulations and compute the pressure and shear stress affecting the organization of fibers and of isolated cells in their matrix. A mathematical model was conceived to take into account cell signaling. There is ample evidence that needle manipulation in acupuncture can cause degranulation of mastocytes directly through a physical stress to occur. Activated mastocytes rapidly release granules containing chemical mediators. These chemical mediators play a key role recruiting mastocytes in their environment and are known to affect the excitability of nerve endings as well as local microcirculation permeability and size for the appropriate transfer of long-term acting endocrine signals. The process is sustained by the recruitment of mastocytes through chemotaxis.

La foudre est un phénomène naturel aléatoire impactant un avion de transport civil en moyenne une fois toutes les 1500 heures de vol. Les forts courants et impulsionnels pouvant parcourir la structure d'un aéronef peuvent induire des contraintes physiques aux conséquences sérieuses en ce qui concerne la sûreté. En particulier, quand un assemblage est parcouru par un courant de type foudre, des champs électriques ainsi des densités d'effet Joule importants peuvent engendrer différents phénomènes de décharge. Le risque d'étincelage est particulièrement critique au niveau des réservoirs de carburant, et différentes technologies de protection et procédures de certification sont employées pour maitriser ce risque. Les résultats expérimentaux laissent penser que la formation de ces décharges est due aux résistances électriques localisées aux interfaces entre les différentes pièces des assemblages. Le but de cette thèse a été de modéliser les phénomènes qui se produisent à une échelle microscopique au niveau de telles résistances de contact soumises à de forts courants impulsionnels de type foudre. / Lightning is a natural hazardous event that strikes a civil aircraft on average once per 1500 hours of flight. The corresponding high and impulsive currents that may flow along the structure of the aircraft can generate physical constraints with major consequences regarding safety. In particular, when a fastened assembly is crossed by a lightning current, important electric fields and Joule power densities may give birth to a variety of discharge phenomena. The sparking risk is particularly critical in fuel tanks, and different lightning protection technologies and certification procedures are employed to face it. The ignition of discharges is believed to be mostly due to the local electrical resistance at the interfaces between the parts of the assemblies. The aim of this thesis was to model to phenomena that occur at a microscopic scale of such contact resistances subject to high and impulsive currents.

La formation des étoiles, processus fondamental en astrophysique, résiste toujours à la compréhension. En effet, de nombreux phénomènes interagissent durant les différentes étapes, et ce sur une large gamme d’échelles. Il est donc primordial de comprendre la dynamique du milieu interstellaire, dans lequel les étoiles se forment. En particulier, il est maintenant bien établi que la structure du milieu interstellaire est fortement impactée par des processus de rétroaction de la part des étoiles qui s’y forment. D’une part cette rétroaction limite le taux de formation de nouvelles étoiles, et d’autre part elle est l’un des contributeurs à la morphologie et la dynamique des galaxies : taille du disque, éjection de matière, etc. Ce travail de thèse propose d’étudier numériquement la dynamique du milieu interstellaire, de manière à mettre en évidence l’impact des processus de rétroaction. Le processus principal qui sera étudié est les supernovae, figurant parmi les évènements les plus énergétiques dans le milieu interstellaire. Après l’étude et la modélisation en détail de l’explosion d’une unique supernova dans nuage moléculaire, un modèle numérique incluant formation d’étoiles et rétroaction par supernovae sera présenté et mis en œuvre dans des simulations d’un disque galactique stratifié à l’échelle du kiloparsec. Une extension de ce modèle pour tenir compte du rayonnement ionisant sera proposée. Il est effectivement possible de réguler la formation d’étoiles à l’aide de modèles de rétroaction par les supernovae, mais les résultats précis dépendent de manière significative des détails du schéma mis en œuvre. En utilisant la variante apparaissant comme la plus réaliste, des simulations à haute résolution du milieu interstellaire sont présentées et étudiées. En particulier, il est possible de mettre en évidence des propriétés de la turbulence compressible et magnétisée à l’échelle galactique : variation des spectres de puissance en fonction de l’altitude, alignement spontané de la vitesse et du champ magnétique, effet antagoniste de la rétroaction sur cet alignement et formation de structures. / Star formation, a fundamental process in astrophysics, remains only partially understood. Several processes are known to interact during all the steps over a large range of scales. It is therefore of highest importance to understand the dynamics of the interstellar medium, in which stars form. In particular, it is now well-known that the structure of the interstellar medium is strongly affected by feedback processes emanating from the stars that form in it. On the one hand this feedback limits the rate of formation of new stars, and on the other hand it is one of the main contributors to the shape and dynamics of galaxies: thickness of the disk, matter outflows, etc. This work aims to study numerically the dynamics of the interstellar medium, in order to highlight the impact of stellar feedback processes. The main process that will be studied is supernovae, being among the most energetic events in the interstellar medium. After the study and detailed modeling of the explosion of a single supernova inside a molecular cloud, a numerical model including star formation and supernova feedback will be presented and used in kiloparsec-scale simulations of a stratified galactic disk. An extension of this model will be suggested in order to take into account the ionizing radiation. It is indeed possible to regulate star formation with supernova feedback models, although the precise results strongly depend on the detailed scheme that is implemented. Using the most realistic-looking variant, high-resolution simulations are presented and studied. In particular, it is possible to extract properties of compressible and magnetized turbulence at the galactic scale: variation of the power spectra as a function of altitude, spontaneous alignment between velocity and magnetic field, antagonistic effect of stellar feedback onto this alignment, and structure formation.

Afin de contribuer à l'amélioration des simulations numériques de foyers industriels avec recycle de gaz brûlés et combustible liquide, la modélisation de la combustion turbulente non prémélangée est abordée sous deux de ses aspects : le traitement des problèmes diphasiques et la prise en compte des configurations complexes de mélange (dilution, recirculation interne).Une flamme spray éthanol/oxygène diluée par du dioxyde de carbone est d'abord calculée en LES dans un formalisme Euler-Lagrange et une chimie détaillée pour une résolution atteignant 250 µm. Les conditions d'injection du brouillard de gouttes sont déterminées à partir de mesures expérimentales de granulométrie et d'anémométrie phase Doppler.Dans une seconde partie, un nouveau formalisme de description de la combustion turbulente, basé sur l'introduction de temps caractéristiques de l'histoire du mélange est développé, puis validé en LES sur le cas de référence d'une flamme jet dans un écoulement co-courant vicié. / As a contribution to the improvement of numerical simulations of industrial furnaces with flue gas recirculation and liquid fuel, two aspects of the non-premixed turbulent combustion modeling are addressed: the handling of two-phase problems and the treatment of complex mixing configuration, such as dilution and internal recirculation. An ethanol/oxygen spray flame is first solved in an LES, following an Euler-Lagrange formalism, with detailed chemistry and at a resolution reaching 250 µm. The spray injection conditions are determined from granulometry and Doppler-phase anemometry measurements. In a second part, a novel formalism to describe turbulent combustion is developed, based on the introduction of characteristic timescales of the mixing history. It is then validated on the reference case of a jet flame in a vitiated co-flow.

La complexité de la chimie joue un rôle majeur dans la simulation numérique de la plupart des écoulements réactifs industriels. L'utilisation de schémas cinétiques chimiques détaillés avec les outils de simulation actuels reste toutefois trop coûteuse du fait des faibles pas de temps et d'espaces associés à la résolution d'une flamme, bien souvent inférieurs de plusieurs ordres de grandeur à ceux nécessaires pour capturer les effets de la turbulence. Une solution est proposée pour s'affranchir de cette limite. Un outil automatisé de réduction de schémas cinétiques est développé sur la base d'un ensemble de trajectoires de références construites dans l'espace des compositions pour être représentatives du système à simuler. Ces trajectoires sont calculées à partir de l'évolution de particules stochastiques soumises à différentes conditions de mélange, de réaction et d'évaporation dans le cas de combustible liquide. L'ensemble est couplé à un algorithme génétique pour l'optimisation des taux de réaction du schéma réduit, permettant ainsi une forte réduction du coût calcul. L'approche a été validée et utilisée pour la réduction de divers mécanismes réactionnels sur des applications académiques et industrielles, pour des hydrocarbures simples comme le méthane jusqu'à des hydrocarbures plus complexes, comme le kérosène en incluant une étape optimisée de regroupement des isomères. / Complex chemistry is an essential ingredient in advanced numerical simulation of combustion systems. However, introducing detailed chemistry in Computational Fluid Dynamics (CFD) softwares is a non trivial task since the time and space resolutions necessary to capture and solve for a flame are very often smaller than the turbulent characteristic scales by several orders of magnitude. A solution based on the reduction of chemical mechanisms is proposed to tackle this issue. An automated reduction and optimisation strategy is suggested relying on the construction of reference trajectories computed with the evolution of stochastic particles that face mixing, evaporation and chemical reactions. The methodology, which offers strong reduction in CPU cost, is applied to the derivation of several mechanisms for canonical and industrial applications, for simple fuel such as methane up to more complex hydrocarbon fuels, as kerosene, including an optimised lumping procedure for isomers.

Le but de cette thèse est d'étudier numériquement les écoulements diphasiques liquide-gaz à l'aide d'une méthode de suivi d'interface précise. Tout d'abord, nous mettons en place une configuration turbulence homogène isotrope diphasique. Cette configuration est utilisée pour étudier la turbulence liquide-gaz ainsi que le modèle ELSA. A l'aide de la simulation présentée il a été possible de déterminer les constantes de modélisation et de valider les termes sources utilisés dans la zone dense du spray. Ensuite, le phénomène d'évaporation est étudié en utilisant dans un premier temps un scalaire passif puis en utilisant un formalisme DNS d'évaporation. Les équations d'énergie et des espèces ont été ajoutées dans le code ARCHER. La validation de la DNS d'évaporation a été réalisée en comparant nos résultats aux solutions théoriques, tel que la loi du D2. Les limitations et les apports de cette approche sont finalement discutés et des perspectives d'améliorations sont proposées. / The aim of this thesis is to study numerically two phase flow using accurate interface tracking method. First, a two phase flow homogeneous isotropic turbulence is performed. This numerical configuration is used to study two phase flows turbulence and the ELSA model used in primary atomization modelling. Based on these results, modelling constants and source terms have been determined and validated. Then the evaporation process is studied and modelized by using a passive scalar and then by using a DNS formalism. Energy and species equations are added in the ARCHER code. Validation of the DNS performed by comparing the DNS results with theorical solution, such as the D2 law. Finally, limitations and interests of this approach are discussed and further improvements are proposed.

Les superalliages à base de nickel durcis par précipitation γ' et notamment l'Inconel 738 LC (IN738LC), sont des matériaux largement utilisés dans les parties chaudes de turbomoteurs d'avions et d'hélicoptères. Ces matériaux disposent d'excellentes propriétés mécaniques à haute température. Toutefois, des défauts ou des fissures peuvent apparaitre sur ces pièces, lors de leur élaboration par fonderie ou bien pendant leur durée en service, ce qui nécessite leur réparation. Cependant, les pièces constituées en IN738LC sont sujettes à de la fissuration au cours des procédés de réparation de type soudage. Il s'avère que le rechargement laser est une technique de fabrication additive prometteuse permettant de réparer des pièces abimées. Le présent travail consiste en l'étude de la réparabilité par projection de poudre de l'alliage IN738LC réputé non soudable. Cette étude comporte deux volets expérimentaux et numériques du rechargement de pièces en Inconel 738 LC au moyen du procédé CLAD. Pour cela, nous avons réalisé des essais de rechargement suivant plusieurs configurations illustrant les cas de réparations rencontrés industriellement. Deux mécanismes de fissuration distincts sont mis en évidence respectivement dans la zone affectée thermiquement du substrat et dans le dépôt. Une simulation multi-physique est également développée pour rendre compte des phénomènes thermiques, mécaniques et métallurgiques observés lors du rechargement laser. Ces simulations sont comparées à des mesures expérimentales pour validation. Enfin, ces outils de simulation sont utilisés afin de définir des critères numériques de risque de fissuration. En résumé, un préchauffage à haute température permet d'éliminer le risque de liquation et donc de fissures dans la ZAT ainsi que dans les dépôts, ce qui démontre qu'il est possible d'envisager une réparation sur cet alliage réputé non soudable. / Y' hardened nickel-based superalloys, such as Inconel 738 LC (IN738LC), are materials which are extensively used in hot sections parts of helicopter and aircraft engines. Those materials exhibit enhanced mechanical properties at high temperature. Nevertheless, cracking and several defects can occur on these parts during casting or during their service life. However, welding type repairing processes can lead to considerable cracking of IN738LC superalloy. It appears that laser cladding is a promising additive manufacturing technology which allows the repair of damaged parts. The present work main objective is aimed at investigating Inconel 738 LC repair by laser cladding. Both experimental and numerical aspects are studied for the repair of IN738LC by means of the CLAD process. Experimental laser clad deposits are produced under several configurations following industrial cases. Two distinct cracking mechanisms are identified in the heat-affected zone and within the deposit, respectively. A multi-physics simulation of laser cladding is developed in order to take into account thermal, mechanical and metallurgical phenomena. Simulation is compared to experimental measurements for validation. Finally, these numerical tools are used to define cracking risk criteria. In summary, a high preheating of the samples allows to suppress liquation and HAZ cracking, but also to obtain un-cracked deposit, which indicates that the repair of non-weldable alloys is possible.

Les avions légers sont conçus pour être utilisés dans les zones reculées d'un pays, où les infrastructures de transport sont inadéquates ou inexistantes. Ils peuvent atterrir sur différents types de piste (glace, gravier, sable, gros cailloux...). Le problème principal de ces avions est le défaut d’absorption d’énergie cinétique à l’atterrissage, bien qu'une partie des énergies de choc soit absorbée par les pneumatiques sous-gonflés. Des chocs et des rebonds peuvent se produire mettant en péril la sécurité de l’avion et des passagers. Le but de ce travail est de développer un outil numérique qui permet de modéliser les trains d'atterrissage, de prévoir leur réponse dynamique dans des conditions extrêmes, et de comparer leur capacité à dissiper l’énergie à la rencontre des obstacles. Étant donné son rôle primordial dans l'absorption des chocs, une étude expérimentale est dédiée à la caractérisation du pneumatique de brousse. Cette étude permet de construire un modèle éléments finis détaillé du pneumatique en prenant en compte la géométrie et la structure matérielle complexe. Une deuxième partie est consacrée à la modélisation numérique de quatre systèmes de trains d'atterrissage (existants ou proposés). De nombreuses simulations de roulement sont réalisées afin d'étudier, d'une part l'influence des conditions de roulement et l'influence de la taille et de la forme de l'obstacle d'autre part. L'analyse des amplitudes des efforts et des rebonds transmis à l'avion au cours du roulement permet d'évaluer les réponses dynamiques des différents trains et de comparer leur efficacité de dissipation / Light aircraft, such as bush planes, are designed for use in undeveloped areas of a country where transport infrastructure is inadequate or non-existent. They can land on different types of runways (ice, gravel, sand, big stones ...). The main problem with these aircraft is the lack of kinetic energy absorption at landing, although some of the shock energy is absorbed by the underinflated tires. Hard landing conditions such as shocks and rebounds may occur and endanger the safety of the aircraft and passengers. The aim of this work is to develop an efficient numerical tool for studying landing gear systems, predict their dynamic response in extreme conditions, and compare their energy dissipation. Given its primary role in shock absorption, an experimental study is dedicated to the characterization of the bush tire. Then, a detailed finite element model of the tire is developed, taking into account real geometry and material specificities. A second part is devoted to the numerical modeling of the different systems of landing gears (existing and proposed). Combined finite elements with structural elements are used. Thus, stress, deformation and energy within landing gears components could be obtained. Multiple dynamic rolling simulations are carried out in order to study, not only the influence of the rolling conditions (such as rolling velocity, tires inflation pressure, etc.), but also the influence of the size and the shape of obstacles. Systems' transient responses while rolling over ramp are evaluated, as well as the efforts and rebound displacements transmitted to the aircraft. A dissipation efficiency comparative study between the landing gears is conducted

Dans cette thèse de doctorat, des simulations numériques basées sur un modèle fluide 2D sont utilisées pour caractériser des jets de plasma d’Hélium pulsés. Le modèle pour les jets de plasma d’Hélium est développé pour décrire des jets qui s’écoulent dans des atmosphères de N2 et O2 et interagissent avec des cibles. La dynamique de la décharge dans les jets d’Hélium impactant une cible métallique à la masse est analysée pour des polarités positive et négative de la tension appliquée. Les évolutions temporelles et spatiales de champ électrique associées au premier front d’ionisation et au front de rebond sont en bon accord qualitatif avec des mesures récentes de champ électrique. Puis, l’interaction plasma cible entre une décharge positive et une cible diélectrique en BSO est examinée en détail et les résultats sont directement comparés aux expériences. Un bon accord est obtenu entre les simulations et les expériences sur les évolutions temporelles et spatiales de champ électrique. Des valeurs maximales de champ électrique dans la cible de 5 kV.cm−1 ont été obtenues expérimentalement et numériquement. Le champ électrique dans le plasma de l’ordre de quelques dizaines de kV.cm−1 est fortement diminué par le changement de permittivité de la cible. Le champ électrique dans la cible est presque exclusivement dû aux fortes valeurs de charges de surface déposées sur la surface de la cible. Finalement, l’influence des évolutions de champ électrique sur la production d’espèces actives près des cibles est évaluée. On démontre qu’avec des cibles métalliques la synergie entre le premier front et le front de rebond augmente la production d’espèces près de la cible. / In this PhD thesis numerical simulations based on a 2D fluid model are used to characterize pulsed Helium plasma jets. The model for He plasma jets is developed to describe He jets flowing in N2 and O2 atmospheres and interacting with targets. The discharge dynamics in He jets impacting a grounded metallic target is analyzed with both positive and negative polarities of applied voltage. The temporal and spatial evolutions of electric field associated to the first and rebound ionization fronts are in good qualitative agreement with recent electric field measurements. Then, the plasma-target interaction occurring between a positive discharge and a BSO dielectric target is investigated in detail and results are directly compared with experiments. A good agreement is obtained between simulations and experiments concerning the temporal and spatial profiles of electric field. Maximum values of electric field inside the target of 5 kV.cm−1 are found. The high electric field in the plasma of the order of dozens of kV.cm−1 is severely depleted by the change of permittivity. As a result, the electric field experienced inside the target is almost exclusively originated by the high values of surface charge deposited on the target surface. Finally, the influence of the electric field evolutions on the production of chemically active species close to the targets is evaluated. It is shown that with metallic targets the synergy between the first and rebound fronts increases species production close to the target.

L’épitaxie par jet chimique (ÉJC) est une méthode de fabrication de semi-conducteur qui permet d’amener à un volume de production des matériaux de pointes qui sont normalement limités aux réacteurs d’épitaxie par jet moléculaire (ÉJM). L’un des aspects à améliorer des réacteurs ÉJC est le faible pourcentage de gaz injecté, autour de 5 %, qui atteint le substrat afin de participer à la croissance du semi-conducteur. Mais comment améliorer l’efficacité d’injection des gaz de ces réacteurs? Tout d’abord, il a été possible d’adapter un outil de modélisation de performances d’injecteur afin de développer un nouveau concept. Cet outil a été validé par un prototype simplifié à l’intérieur d’une chambre d’essai équipée d’instruments de caractérisation. Par la suite, il y a eu la conception d’un injecteur optimisé, la conception d’un système d’assemblage, la conception d’un système de gestion de température et finalement, la validation expérimentale de tous les systèmes. Avec des efficacités d’injection d’environ 29 % pour les réactifs du groupe III et de 37 % pour le groupe V, ce projet permet de réaliser un réacteur améliorant l’efficacité d’injection, le taux de croissance, les coûts de production et diminuant les rejets chimiques. La non-uniformité d’injection est pour sa part en dessous des objectifs fixés avec 13 % pour le groupe III et de 24 % pour le groupe V. L’efficacité d’injection est définie comme étant le pourcentage de molécule injectée atteignant directement le substrat. La non-uniformité est définie comme étant le ratio entre l’écart-type du flux de gaz sur le substrat et l’intensité la plus faible atteignant celui-ci. Ce projet a permis de valider ou d’écarter plusieurs hypothèses initiales permettant ainsi d’améliorer les outils de simulations et de conceptions d’injection du laboratoire. La croissance sans rotation s’est avérée possible en atteignant des performances similaires à celles obtenues avec rotation. Pour ce qui est de la gestion de la température, les résultats étaient similaires aux simulations. Cependant, les températures des parois n’ont pu respecter les objectifs, car la température de croissance a été sous-évaluée. Finalement, ce projet, par le succès du nouveau réacteur LÉA, pourra influencer l’avenir de l’industrie de fabrication dans le domaine du vide, des semi-conducteurs et des matériaux réfractaires au Québec.