Ce travail porte sur l'étude par simulation numérique de jets ronds coaxiaux à fort rapport de vitesse avec une attention particulière portée sur trois aspects : la transition de ces jets vers la turbulence, le mélange dans cette configuration d'écoulement et l'influence du nombre de Reynolds sur ces deux précédents points.<br /><br />Dans un premier temps, nous réalisons des simulations numériques directes de jets coaxiaux à un nombre de Reynolds modéré. Ces jets générent une région de recirculation lorsque le rapport des vitesses entre les jets externe et interne dépasse une valeur critique. Les anneaux de Kelvin-Helmholtz intérieurs et extérieurs ont un développement couplé. Ils sont convectés avec une même fréquence de passage contrôlée par la couche cisaillée extérieure. Ensuite, comme pour les jets ronds, des tourbillons longitudinaux contra-rotatifs apparaissent initiant la tridimensionnalisation de l'écoulement. La région de recirculation influence les anneaux de Kelvin-Helmholtz internes en les ralentissant et en les étirant longitudinalement. Deux modèles théoriques prédisant des grandeurs globales du jet (la longueur du cône potentiel interne et la valeur du rapport de vitesse critique au-delà duquel la région de recirculation apparaît) montrent l'influence de l'épaisseur de quantité de mouvement intérieure initiale.<br /><br />Les propriétés de mélange ont ensuite été étudiées en résolvant l'équation de transport d'un traceur simultanément aux équations de Navier-Stokes. Les structures cohérentes de l'écoulement contrôlent le processus de mélange. Les tourbillons longitudinaux augmentent le mélange par un phénomène d'éjection du traceur en périphérie du jet. Cependant, la configuration initiale du jet montre que des poches de traceur non mélangé persistent à la fin de la transition. Les modifications des conditions d'entrée du jet diminuant ces poches sont celles qui permettent une génération plus précoce ou plus intense de structures longitudinales. C'est le cas de la région de recirculation qui étire longitudinalement les structures. De la même façon, un forçage azimutal de la couche cisaillée externe (qui domine la dynamique) améliore nettement le mélange et semble être plus performant qu'un forçage axisymétrique en ce qui concerne le mélange en champ proche.<br /><br />Pour finir, nous avons réalisé des simulations des grandes échelles de jets coaxiaux à hauts nombres de Reynolds. L'auto-similitude des jets coaxiaux en turbulence pleinement développée a permis une validation sur les données expérimentales. Les quantités globales des jets coaxiaux sont fortement dépendantes du nombre de Reynolds jusqu'à ce que celui-ci atteigne une valeur de l'ordre de 10000. Au-delà de cette valeur, ces quantités sont quasi-indépendantes du nombre de Reynolds en raison du phénomène de ``mixing transition'' qui implique une déstabilisation tridimensionnelle immédiate du jet. Cette déstabilisation précoce des couches cisaillées conduit la région de recirculation à un comportement instationnaire. Enfin, cela permet une nette amélioration du mélange avec un phénomène d'éjection du traceur proche de l'entrée du jet.

Dans le présent travail, nous étudions l'impact sur un obstacle rigide d'un écoulement transitoire à surface libre de fluide viscoplastique. Cette étude est conduite numériquement à l'aide de la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), en y intégrant le modèle rhéologique de Herschel-Bulkley. Le code employé est adapté à nos besoins et validé sur des cas test classiques. Les caractéristiques locales de l'écoulement à proximité de l'obstacle sont analysées et deux régimes d'impact sont mis en évidence en fonction de la pente d'écoulement. L'étude des pressions exercées sur l'obstacle, conduite spatialement et temporellement en fonction de ces régimes d'impact, nous permet de mettre en évidence les rôles respectifs des composantes gravitationnelle et cinétique de la pression. Nos résultats sont comparés systématiquement à des résultats expérimentaux issus de travaux précédents et sont cohérents avec ces derniers. Une étude comparative de nos écoulements de fluide viscoplastique avec des écoulements de matériau granulaires de propriétés similaires nous conduit à mettre en évidence des caractéristiques communes entre les deux matériaux. / In this work, we study the impact of a transient free-surface flow of viscoplastic fluid on a rigid obstacle. This study is conducted numerically using the SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) method, and the Herschel-Bulkley rheological model. The SPH code is adapted to our needs and validated on classic benchmarks. The local characteristics of the flow near the obstacle are analysed and two impact regimes are highlighted depending on the slope angle. By studying of the pressure exerted on the obstacle, both spatially and temporally, with regards to these impact regimes, we evidence the respective roles of the gravitational and kinetic components of the pressure. Our results are systematically compared with experimental data from a previous work and are shown to be consistent. A comparative study conducted on both our viscoplastic flows and flows of granular material of similar properties highlights common characteristics of the two materials.

La variation spatiale du mouvement sismique a des effets significatifs sur la réponse dynamique des structures de génie civil de grandes dimensions. Dans la pratique courante, l'excitation du mouvement sismique le long de la fondation de la structure est considérée uniforme, approche cependant inadéquate pour les structures de large portance au sol localisées à proximité des failles ou sur des sites présentant une structure du sous-sol latéralement hétérogène. Cette thèse se propose donc de comprendre les facteurs clefs contrôlant localement la variabilité spatiale du mouvement sismique, avec en ligne de mire la mise en place de recommendations en vue d'incorporer ces effets dans l'estimation de l'aléa sismique et le dimensionnement des structures. La première partie de cette thèse s'intéresse à la composante intra-évènement de l'écart-type de la distribution du mouvement sismique en champ proche à l'aide de simulations numériques du mouvement sismique pour des sources étendues présentnat une cinématique de rupture réaliste. Les résultats suggèrent que la variabilité intra-évènement dépend significativement du type de rupture, cette variabilité augmentant avec la distance pour les ruptures bilatérales et diminuant pour les ruptures unilatérales. La seconde partie traite de la caractérisation de la composition du champ d'onde dans la vallée de Koutavos-Argostoli, qui est une vallée de petite dimension et d'épaisseur sédimentaire faible, située sur l'île – sismiquement active - de Céphalonie en Grèce. Les champs d'onde générés par 46 séismes, ayant des magnitudes variant entre 2 et 5 et des distances épicentrales jusqu'à 200 km, ont été analysés à partir de l'enregistrement par deux réseaux denses de capteurs sismologiques. L'algorithme de traitement d'antenne MUSIQUE est utilisé pour extraire la vitesse, l'azimut, le type et la polarisation des ondes dominantes se propageant à travers le réseau. Les résultats montrent clairement d'importantes diffractions d'ondes de surface aux bords de vallée au-delà de la fréquence de résonance de la vallée. Tandis que les ondes de Love dominent clairement le champ d'ondes proche de la fréquence de résonance, les ondes de Rayleigh dominent à plus haute fréquence dans des gammes de fréquences étroites. Par ailleurs, un excellent accord est observé entre les champs d'onde de surface diffractés localement et les caractéristiques d'amplification du site. La “cohérence décalée” de la partie la plus énergétique du signal a été quantifiée pour chaque paire de stations du réseau. En général, la cohérence calculée sur les composantes horizontales diminue avec la distance entre stations et la fréquence. La cohérence sur la composante verticale indique des valeurs relativement fortes à haute fréquence. Les valeurs de cohérence apparaissent très faiblement corrélées à la magnitude, l'azimut et la distance épicentrale du séisme, mais sont au contraire liées aux caractéristiques géométriques de la vallée. La coherence est systématiquement plus forte pour les couples de capteurs orientés selon la direction parallèle à l'axe de la vallée, et moins forte pour des couples de capteurs orientés dans la direction perpendiculaires. Cette observation est en accord avec les résultats du traitement d'antenne: la prédominance d'ondes de surface diffractées sur les bords de la vallée conduit à des mouvements en phase le long de la direction parrallèle à l'axe de la vallée. Les résultats de cette thèse apporte des elements de compréhension sur la variabilité spatiale du movement sismique et ouvrent de nombreuses perspectives d'application. / Spatial variation of earthquake ground motion over short distances significantly affects the dynamic response of engineered structures with large dimensions. In current practices, the ground motion excitation across the foundation of a structure is assumed to be spatially uniform, which becomes inadequate for spatially extended structures in the near-fault region or on sites with lateral inhomogeneity. This PhD thesis seeks to understand the key parameters that locally control the ground motion spatial variability with the intent of putting forth practical propositions for incorporating such effects in seismic design and hazard assessment. The first part of the thesis addresses the within-event component of the standard deviation of ground-motion distribution in near source region by means of numerical simulation of ground motions for extended sources with realistic rupture kinematics. The results suggest that the within-event variability significantly depends on the rupture type, depicting an increase with distance for bilateral ruptures and a decrease for unilateral ruptures. The second part deals with the characterization of seismic wave field at the Koutavos-Argostoli site, a small-size, shallow, alluvial valley located in the seismically active Cephalonia Island in Western Greece. The seismic wave field was investigated from the recordings of a dense seismological array for a set of 46 earthquakes, with magnitude 2 to 5 and epicentral distance up to 200 km. The MUSIQUE array analysis algorithm was used to extract the phase velocity, back-azimuth, type and polarization of the dominant waves crossing the array. The results clearly indicate dominant scattering of seismic surface waves, mainly from the valley-edge directions, beyond the fundamental frequency of the valley. While Love surface waves clearly dominate the wave field close to the resonance frequency, Rayleigh waves strongly dominate only in relatively narrow frequency bands at higher frequency. Besides, an excellent consistency is observed between the dominance of the identified surface wave type in the wave field and the site amplification. The "lagged coherency" of the most energetic part of the ground motion has been quantified for each station-pair within the array. In general, spatial coherency estimated from the horizontal components exhibit decays with frequency and interstation distance. Estimates from the vertical component exhibit rather larger values at some higher frequencies. Although coherency does not show any consistent trend indicating dependence on the magnitude, back-azimuth or site-to-source distance of the event, it seems to be primarily controlled by the site geometry. Larger coherency is systematically observed when the station pair is oriented parallel to the valley axis, while lower values are observed in the perpendicular direction. This observation proves to be consistent with the MUSIQUE analysis results: the predominance of scattered surface waves propagating across the valley implies an in-phase motion along valley-parallel direction and out-of-phase motion along valley-perpendicular direction. The findings of the present research are expected to contribute in enhancing our understanding of spatial variability of ground motion and improving the coherency models used in engineering. This work also opens up new insights and many questions in need of further investigation.

La capacité à libérer l'énergie stockée dans le champ magnétique et à briser le théorème du gel font de la reconnexion magnétique un des phénomènes les plus importants de la physique des plasmas. Lorsqu'elle se produit dans un environnement non-collisionel comme la magnétosphère terrestre, une modélisation cinétique est à priori nécessaire. Cependant la plupart de notre compréhension du phénomène se base sur un interprétation fluide, plus intuitive. Dans quelle mesure ces deux interprétations d'un même phénomène sont-elles reliées ? C'est la problématique à laquelle cette thèse s'intéresse, dans le cas de la reconnexion antiparallèle et pour la population ionique du plasma. La première partie de ce travail s'intéresse à l'accélération fluide et cinétique des protons au sein de la région de reconnexion. Il est montré comment le mouvement individuel des particules joue un rôle du point de vue fluide via la force de pression, jusqu'alors négligée dans les modèles. Ces résultats ont également mené dans une seconde partie à des prédictions et vérifications observationnelles basées sur les données des satellites Cluster. Dans un troisième temps, nous montrons le rôle important joué par le flux d'énergie thermique dans le transfert d'énergie au cours du processus de reconnexion, dans le cas symétrique et asymétrique. Enfin la dernière partie de ce manuscrit propose une solution au problème fondamental consistant décrire une couche de courant tangentielle asymétrique dans un état d'équilibre cinétique

Pour limiter la consommation des véhicules, les industries automobiles demandent aux aciéristes de développer des aciers de plus en plus fins avec des hautes résistances. Les aciers très haute résistance (THR) comme les aciers TRIP (TRansformation Induced Plasticity) permettent d'effectuer des pièces automobiles aux formes complexes. Néanmoins, le compréhension des mécanismes de mise en forme de ces aciers n'est pas simple et implique une étude détaillée des mécanismes de rupture apparaissant durant la mise en forme. Ainsi, les liens entre les paramètres microstructuraux, en particulier les structures en bandes, et la mise en forme ont été étudiés pour obtenir une meilleure prédiction de la capacité en pliage des aciers en fonction de leur microstructure. Dans cette étude, quatre aciers TRIP présentant des performances en pliage différentes ont été caractérisés à la fois en pliage en V et en pliage sous traction. A partir d'observations au microscope optique et à balayage, nous avons démontré que les fissures s'initiaient à partir de la surface ou juste en dessous en pliage en V alors qu'elles s'initiaient au niveau de la ségrégation centrale en pliage sous traction. Les surfaces de rupture après pliage sont ductiles et l'endommagement apparait principalement par décohésion de l'interface ferrite/martensite et occasionnellement par rupture des ilots martensitiques. Une procédure originale basée sur des échantillons rectifiés présentant la bande de ségrégation à différents endroits dans l'épaisseur a été établi. Ce travail a permis de proposer une relation entre l'épaisseur d'une bande, son endommagement et sa déformation locale atteinte pendant un test de pliage en V. Pour développer un critère de rupture pour ces tests de pliage, les champs de contrainte et déformation ont été calculés par simulation numérique pour ces deux tests. Pour ce faire, une base de données expérimentale incluant des tests de traction sur éprouvettes lisses et entaillées et des tests de cisaillement a été établie. La loi de comportement du matériau a été déterminée à partir de cette base expérimentale et présente un comportement élastoplastique anisotrope avec écrouissage mixte. La simulation numérique des deux essais de pliage associée à un critère d'endommagement a permis de prédire de manière satisfaisante les champs de déformation, les courbes force/déplacement ainsi les angles de rupture. La possibilité d'utiliser des modèles simplifiés (tels qu' un critère d'écoulement isotrope, un écrouissage purement isotrope, des calculs en 2D et des conditions aux limites simplifiées) a également été discuté.

L'équilibrage de charge est une étape importante conditionnant les performances des applications parallèles. Dans le cas où la charge varie au cours de la simulation, il est important de redistribuer régulièrement la charge entre les différents processeurs. Dans ce contexte, il peut s'avérer pertinent d'adapter le nombre de processeurs au cours d'une simulation afin d'obtenir une meilleure efficacité, ou de continuer l'exécution quand toute la mémoire des ressources courantes est utilisée. Contrairement au cas où le nombre de processeurs ne varie pas, le rééquilibrage dynamique avec un nombre variable de processeurs est un problème peu étudié que nous abordons ici. Cette thèse propose différentes méthodes basées sur le repartitionnement de graphe pour rééquilibrer la charge tout en changeant le nombre de processeurs. Nous appelons ce problème " repartitionnement M × N ". Ces méthodes se décomposent en deux grandes étapes. Dans un premier temps, nous étudions la phase de migration et nous construisons une " bonne " matrice de migration minimisant plusieurs critères objectifs comme le volume total de migration et le nombre total de messages échangés. Puis, dans un second temps, nous utilisons des heuristiques de partitionnement de graphe pour calculer une nouvelle distribution optimisant la migration en s'appuyant sur les résultats de l'étape précédente. En outre, nous proposons un algorithme de partitionnement k-aire direct permettant d'améliorer le partitionnement biaisé. Finalement, nous validons cette thèse par une étude expérimentale en comparant nos méthodes aux partitionneurs actuels.

Ce travail vise à prédire le comportement dynamique de transmissions par engrenages supportées par des paliers hydrodynamiques, semblables à celles utilisées dans le domaine de la propulsion navale. Un modèle couplé de transmission mécanique est présenté ; il traite la plupart des interactions possibles entre les engrenages, les arbres et les paliers. Un élément d'engrenages à dentures larges, avec raideur non linéaire et dépendante du temps, est combiné à des éléments finis de poutre alors que la contribution des paliers est introduite par la résolution directe de l'équation de REYNOLDS et d'un model thermique simplifié. A cause des jeux de fonctionnement des paliers, une attention particulière a été portée à la définition de l'état de référence et des degrés de liberté. La réponse du système est calculée par la combinaison d'un schéma d'intégration temporelle, d'une méthode de NEWTON-RAPHSON et d'un algorithme de contact normal unilatéral de manière à ce que les conditions de contact aux paliers et entre les dents soient simultanément traitées. Les résultats de simulation sont comparés à des mesures réalisées sur un banc d'essai de haute précision possédant un train simple étage en dentures droites et hélicoïdales, supporté par des paliers lisses de type hydrodynamique. Les comparaisons fournissent un bon accord et aboutissent à la validation du modèle de couplage tant sur les aspects globaux que locaux. Bon nombre de résultats sont également présentés, qui montrent que certains paramètres, bien souvent ignorés dans les modèles de la littérature, tels que la position de la zone d'alimentation des paliers, la température de lubrifiant dans les paliers, les accouplements avec l'environnement extérieur peuvent fortement modifier l'équilibre statique et le comportement dynamique du système, jusqu'aux contacts entre les dents.

L'intégrité des portées d'étanchéité des robinets des centrales REP nécessite l'emploi de revêtements durs comme par exemple le Norem02, base Fe, déposé par soudage PTA (Plasma Transferred Arc). La prédiction de leur tenue en service nécessite la connaissance de leur état mécanique en fin de fabrication. Pour cela, la simulation numérique du procédé de dépôt doit être effectuée. La microstructure du Norem02 est essentiellement constituée d'une matrice austénitique parsemée d'ilôts de ferrite et de carbures. Son évolution et ses éventuelles transformations allotropiques sont étudiées durant des cycles thermiques représentatifs de ceux subis par le matériau au cours du dépôt, amenant à la conclusion que l'évolution métallurgique de l'alliage n'a que très peu d'influence sur ses propriétés mécaniques. En s'appuyant sur des essais jusqu'à 1000°C de dilatométrie libre, de traction isotherme, ainsi que de traction-compression, l'évolution des caractéristiques thermomécaniques est déterminée en fonction de la température et une loi de comportement élasto-plastique à écrouissage cinématique non linéaire est identifiée. Des mesures expérimentales de températures, déplacements, déformations et contraintes résiduelles lors d'essais de dépôt PTA sur des maquettes représentatives de la géométrie réelle d'un robinet permettent l'identification d'un chargement thermique équivalent. Enfin, des simulations numériques sont conduites en utilisant le code éléments finis développé au sein d'EDF R et D Code_Aster. Elles permettent la validation du caractère prédictif des modèles développés par comparaison entre les résultats mécaniques simulés et expérimentaux. Une excellente corrélation est ainsi observée entre les températures mesurées et simulées tout au long du procédé. De la même façon, à l'issue du refroidissement, les distorsions, déformations et contraintes résiduelles expérimentales et simulées sont en adéquation, validant ainsi la stratégie de modélisation proposée dans ces travaux.

Les cancers sont l'une des causes majeures de mortalité dans le monde. Les mécanismes en jeu dans la croissance tumorale sont qualitativement connus, mais on se sait pas à l'heure actuelle prédire précisément quel sera le développement d'une tumeur donnée, ni estimer de façon certaine le protocole thérapeutique optimal pour chaque patient. Il est entendu que la modélisation mathématique pourrait apporter des éléments de réponse à ces questions. Durant cette thèse on s'est alors intéressé à la construction de formalismes mathématiques pour décrire la croissance tumorale et l'action de traitement anti-cancéreux. En particulier, on s'est intéressé à la prise en compte des mécanismes aussi bien moléculaires que cellulaires et tissulaires, par la construction d'un modèle continu, multi-échelles, de croissance de tumeur solide et d'angiogenèse. A partir de ce modèle, nous a pu envisager de façon qualitative un protocole optimal de combinaison entre un anti-angiogénique et une chimiothérapie.Le modèle multi-échelles inclut une représentation mathématique des voies de signalisation du VEGF dont on détaille la construction.Dans une autre approche, on a considéré un modèle discret, cellule-centré, reproduisant le développement de sphéroïdes de cellules épithéliales mammaires telles qu'observées lorsque ces cellules sont cultivées in vitro. On a pu mettre en évidence les différents mécanismes cellulaires impliqués dans la morphogenèse de structures composées de cellules saines, et celles composées de cellules mutées.Ces contributions montrent l'intérêt du formalisme multi-échelles adopté pour intégrer les connaissances et données sous-jacentes à l'étude du traitement des tumeurs.

L'apparition ces dernières années de supraconducteurs réalisés industriellement utilisant des composés à haute température de transition offre la possibilité de nouveaux développements en magnétisme supraconducteur. En effet ils permettent d'augmenter le champ magnétique généré en conservant une cryogénie classique à 4,2K d'une part, et ils ouvrent la voie à des développements d'aimants supraconducteurs fonctionnant entre 10 et 30K d'autre part. Les matériaux supraconducteurs à haute température critique sont alors indispensables pour dépasser les inductions magnétiques de 16 T (cas de l'insert dipolaire HTc pour le Large Hadron Collider du CERN) ou augmenter la densité spécifique d'énergie stockée dans un SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage, cas du projet ANR SuperSMES). Les atouts incontestables (température critique, champ magnétique critique, résistance mécanique) apportés par l'utilisation des matériaux supraconducteurs à haute température critique tels que l'YBaCuO dans les aimants supraconducteurs demandent de relever quelques défis. Leur comportement est encore mal compris, surtout lors des transitions résistives. Arriver à protéger ces conducteurs requiert une réflexion nouvelle sur les systèmes de protection destinés à éviter les dégradations thermiques et mécaniques. La réponse à la question " peut-on utiliser ces matériaux de manière pérenne dans les aimants supraconducteurs ? " est incontournable. Des éléments de réponse sont donnés ici. L'utilisation des conducteurs est abordée à travers différentes études expérimentales permettant de mieux connaître le conducteur (caractérisation électrique et modélisation de la surface critique) d'une part et de définir les étapes clés de la fabrication des aimants supraconducteurs à haute température de transition (étude des jonctions entre conducteurs ou entre galettes) d'autre part. Cette étude a abouti à la réalisation de deux prototypes d'aimants ayant permis d'identifier les difficultés liées à l'utilisation des rubans d'YBaCuO. Un modèle thermoélectrique des supraconducteurs à haute température de transition est développé et un code numérique basé sur le logiciel de calcul par Eléments Finis CASTEM permet d'étudier le phénomène de transition résistive, ou quench, dans un conducteur et dans un aimant. Le code a été validé sur des essais réalisés au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble. Les résultats obtenus ont permis la définition des conducteurs pour les deux projets liés à la thèse et la validation de la protection.