Ce manuscrit traite de la caractérisation numérique et expérimentale du comportement d'hydroliennes. D'un point de vue expérimental, des essais ont été réalisés au bassin à houle et courant de l'IFREMER de Boulolgne-Sur-Mer, sur des maquettes d'hydroliennes tri-pales à axe horizontal. Des configurations comprenant une seule hydrolienne, d'une part, et deux hydroliennes alignées avec l'écoulement, d'autre part, ont été considérées pour une large gamme de TSR et, le cas échéant, de distances inter-hydroliennes. Le comportement des hydroliennes est analysé à la fois en termes de performances (coefficients de puissance et de traînée) et de développement du sillage. Les effets du taux de turbulence ambiante sont également examinés. Par ailleurs, des simulations numériques, obtenues à l'aide d'un code tridimensionnel instationnaire, fondé sur la méthode Vortex particulaire et développé au LOMC (UMR 6294, CNRS - Université du Havre) en partenariat avec l'IFREMER, sont présentées. Le code de calcul permet également d'étudier les performances et le sillage d'une hydrolienne. Ce dernier a été complètement réécrit dans le cadre de cette thèse et le support théorique et technique des différents aspects du code est fourni dans ce manuscrit, où la méthode Vortex telle qu'elle est utilisée dans le code est exposée en détail.

Un nombre croissant d'applications telles que le micro-usinage ou le diagnostique de composants électroniques nécessitent de fortes puissances moyennes dans différentes gammes de longueurs d'onde (infra-rouge à 1030 nm, vert à 515 nm ou ultra-violet à 343 nm). Ces fortes puissances moyennes lasers ne sont généralement atteignables qu'à l'aide d'architecture laser de type MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). C'est dans cette optique que la société Eolite Systems veut développer ses propres oscillateurs car elle maitrise déjà l'amplification à l'aide de fibres de type barreau à large aire modale. Le développement d'oscillateurs picosecondes de fortes puissances moyennes est ainsi une brique essentielle dans la chaîne d'amplification globale. Dans le cadre d'un contrat CIFRE entre Eolite Systems et le Laboratoire Onde et Matière d'Aquitaine de l'Universitéde Bordeaux 1, nous avons développé différents laser dont la puissance moyenne est supérieure à 10W, à une cadence de 74 MHz. La durée des impulsions générées s'étend de 20 ps à 130 fs. Le fonctionnement de ces différents lasers repose sur l'utilisation de la rotation non-linéaire de polarisation dans la fibre optique qui, dans le régime de fonctionnement à dispersion normale, permet d'atteindre le verrouillage en phase des modes et ainsi la génération d'impulsions d'énergie de l'ordre de 150nJ. Nous avons développé un code de simulation numérique afin de rendre compte de la dynamique des impulsions dans la cavité. Les résultats obtenus à l'aide de ce code sont en bon accord avec ceux obtenus lors des différentes expériences.

En usinage, la zone de coupe présente des conditions de température, des cinétiques thermiques, des déformations et des pressions extrêmes. Dans ce contexte, être capable de relier les variations des conditions de coupe (vitesse de coupe, avance, lubrification, usure, outil,...) à l'intégrité de la surface usinée constitue un objectif scientifique majeur. Cette thèse s'intéresse au cas du tournage finition du 15-5PH (acier inoxydable martensitique utilisé, entre autre, pour la fabrication des pièces de rotor d'hélicoptère ainsi que les pompes et les vannes de circuit primaire de centrale nucléaire) et s'inscrit dans le cadre du projet MIFSU (Modélisation de l'Intégrité et de la Fatigue des Surfaces Usinées).Dans un premier temps, le comportement du matériau a été étudié afin d'alimenter les simulations d'usinage. Des essais de dilatométrie libre ont été conduit afin de calibrer les cinétiques d'austénitisation du 15-5PH pour des vitesses de chauffe élevées (jusqu'à 11000 °C/s). Les paramètres du modèle de changement de phase de Leblond ont alors été identifiés. De plus, des essais de compression dynamique (dε/dt allant de 0.01 à 80 /s et ε > 1) ont été réalisés pour calibrer une loi de comportement élasto-plastique aux grandes déformations avec une sensibilité à la vitesse de déformation. Ces essais ont aussi permis de mettre en évidence des phénomènes de recristallisation dynamique et leurs influences sur la contrainte d'écoulement du matériau. Un modèle de recristallisation dynamique a donc également été mis en œuvre.En parallèle, un modèle numérique de prédiction de l'intégrité des surfaces tournées a été construit. Ce modèle repose sur une méthodologie dite " hybride " (développée au cours de la thèse Frédéric Valiorgue pour l'acier AISI 304L) qui consiste à supprimer la modélisation de l'outil de coupe et de la formation du copeau, et à remplacer l'impact thermomécanique de ces derniers sur la surface usinée par des chargements équivalents. Une étape de calibration de ces chargements a donc été réalisée à travers des essais de coupe orthogonale et de frottement (étude de sensibilité des efforts d'usinage, du coefficient de frottement et du coefficient de partage thermique) aux variations des paramètres de coupe.Enfin, les résultats des simulations numériques de tournage portant sur la prédiction des changements de microstructure (austénitisation et recristallisation dynamique) ainsi que des contraintes résiduelles ont été comparés aux résultats issus d'une campagne d'essais de chariotage.

L'objectif principal de cette thèse est de concevoir une méthode d'optimisation de structures qui jouit d'une description exacte (i.e. au moyen d'un maillage) de la forme à chaque itération du processus, tout en bénéficiant des avantages de la méthode des lignes de niveaux lorsqu'il s'agit de suivre leur évolution. Indépendamment, on étudie également deux problèmes de modélisation en optimisation structurale. Dans une première partie bibliographique, on présente quelques notions classiques, ainsi qu'un état de l'art sommaire autour des trois thématiques principales de la thèse - méthode des lignes de niveaux (Chapitre 1), optimisation de formes (Chapitre 2) et maillage (Chapitre 3). La seconde partie de ce manuscrit traite de deux questions en optimisation de formes, celle de la répartition optimale de plusieurs matériaux au sein d'une structure donnée (Chapitre 4), et celle de l'optimisation robuste de fonctions dépendant du domaine lorsque des perturbations s'exercent sur le modèle (Chapitre 5). Dans une troisième partie, on étudie la conception de schémas numériques en lien avec la méthode des lignes de niveaux lorsque le maillage de calcul est simplicial (et potentiellement adapté). Le calcul de la distance signée à un domaine est étudié dans le chapitre 6, et la résolution de l'équation de transport d'une fonction 'level set' est détaillée dans le chapitre 7. La quatrième partie (Chapitre 8) traite des aspects de la thèse liés à la modification locale de maillages surfaciques et volumiques. Enfin, la dernière partie (Chapitre 9) détaille la stratégie conçue pour l'évolution de maillage en optimisation de formes, à partir des ingrédients des chapitres 6, 7 et 8.

L'étude de la qualité numérique est cruciale pour les codes industriels tels que ceux développés à EDF R&D. C'est d'autant plus important dans le contexte actuel où les simulations numériques sont faites sur des architectures pouvant exécuter des milliards d'opérations flottantes par seconde. Des études ont montré que la bibliothèque CADNA est un outil adapté à la validation numérique des codes industriels. Toutefois, CADNA ne peut être utilisée simplement sur des grands codes industriels, ces derniers faisant appel à des bibliothèques externes (MPI, BLACS, BLAS, LAPACK). Il est donc nécessaire de développer des extensions compatibles avec l'outil CADNA. L'implémentation de ces diverses extensions pose un problème de performance, la complexité algorithmique et la taille des logiciels de calcul numérique impliquant d'importants temps d'exécution. A titre d'exemple, l'implémentation directe de CADNA dans la routine de produit matriciel DGEMM des BLAS, introduit un surcoût supérieur à 1000 pour une matrice carrée de taille 1024. Les raisons de ce surcoût sont expliquées dans ce mémoire. Nous présentons également, à travers notre routine DgemmCADNA, la méthodologie pour réduire ce surcoût. Cette routine a permis de réduire ce surcoût d'un facteur 1100 à un facteur 35 par rapport à la version GotoBLAS. Une deuxième partie de notre travail a été consacrée à l'étude de la qualité numérique du code Telemac-2D. Pour valider entièrement le code, nous avons implémenté une extension de CADNA pour le standard MPI. Le débogage numérique à l'aide de CADNA a montré que plus de 30% des instabilités détectées apparaissent dans les produits scalaires. L'utilisation des algorithmes de produit scalaire compensé permet d'améliorer la précision des résultats sans dégrader les performances du code.

L'éolienne Darrieus connaît un intérêt accru ces dernières années parce qu'elle représente une solution alternative potentielle de production d'électricité dans les milieux urbains. En particulier, une éolienne de forte solidité peut être choisie car certaines de ses propriétés peuvent être avantageuses pour son implantation proche de zones habitées. A l'inverse, certaines difficultés aérodynamiques émergent. Ce type d'éolienne fonctionne à de faibles vitesses réduites pour lesquelles le décrochage dynamique a un rôle très significatif. L'objectif de ce travail de thèse consiste à compléter la connaissance du phénomène de décrochage dynamique sur une éolienne à axe vertical afin d'améliorer les modèles numériques de prédiction existants. Cette étude s'appuie sur une analyse combinée de résultats numériques et expérimentaux. Les simulations numériques sont produites avec une méthode des panneaux bidimensionnelle instationnaire. Les effets de la viscosité sont introduits par des corrections utilisant notamment un modèle semi-empirique de décrochage dynamique. Le travail expérimental s'est concentré sur la dynamique tourbillonnaire à proximité immédiate du rotor résultante du décrochage dynamique. Le montage se compose d'une éolienne à pale droite placée dans une soufflerie. Des mesures instationnaires de la répartition de pression pariétale le long de la corde et des mesures de champ de vitesse par vélocimétrie par images de particules ont été accomplies. Les résultats révèlent la manière dont les caractéristiques du décrochage dynamique sont conditionnées par la vitesse réduite. Le retard au décrochage, l'intensité de l'effet du tourbillon de décrochage dynamique et sa convection ont été quantifiés. Enfin, un examen critique de l'applicabilité du modèle de Leishman-Beddoes pour simuler efficacement les effets du décrochage dynamique a été réalisé.

Nous présentons le développement d'une optique électrostatique à champ de vue hémisphérique fonctionnant dans la gamme d'énergie allant de quelques eV à 30 keV et dont nous avons étudié le principe de fabrication en mettant en place un procédé de lithographie innovant. Après avoir exposé nos motivations scientifiques et l'état de l'art des optiques électrostatiques dédiées à l'étude des plasmas spatiaux, nous présentons le concept optique à la base de cet instrument. Avec deux têtes de mesure, il est possible de s'affranchir de la période de rotation des satellites pour avoir une couverture complète des directions d'arrivée des particules. La résolution temporelle des mesures n'est plus déterminée que par la rapidité du balayage en énergie de l'instrument et par sa sensibilité qui s'avère équivalente à un ensemble de 8 détecteurs classiques à champ de vue 2D. Ce concept repose sur une polarisation indépendante des faces internes et externes des électrodes. Ceci est rendu possible par l'utilisation de plastique haute performance pour la réalisation des électrodes de l'optique. Deux procédés ont été mis en place ab initio pour permettre la fabrication de l'optique au laboratoire. Le premier est un procédé de métallisation chimique, le second un procédé de lithographie laser. Leur combinaison permet de réaliser une métallisation sélective des électrodes pour assurer une décroissance linéaire du potentiel en certaines zones de l'optique afin d'éviter les phénomènes de claquage. La question de la polarisation à haute tension de l'optique est également abordé, nous montrons comment l'ablation en profondeur du polymère permet de polariser l'optique à champ de vue 3D sans affecter ses performances.

Cette thèse étudie l'origine et le fonctionnement du magnétisme et des processus dynamiques dans les étoiles de type solaire en se basant sur un travail théorique et sur des simulations numériques multidimensionelles. À partir de simulations à la fois 2D (code STELEM) et 3D (code ASH) nous étendons aux autres étoiles de types spectral G & K les travaux récents effectués sur le Soleil. Grâce à cette double approche nous sommes capables de mettre en évidence les mécanismes et paramètres clés pour expliquer le magnétisme et la rotation des étoiles. Le manuscrit est séparé en 4 parties. La première introduit le contexte et les notions clés de la dynamique des intérieurs stellaires, et en particulier, l'effet dynamo. On s'appuiera sur les connaissances détaillées que l'on a du Soleil, puis on les comparera aux autres étoiles pour distinguer ce qui lui est spécifique de ce qui est générique aux étoiles. La deuxième partie présente les résultats obtenus en utilisant le code 2D STELEM. Nous modélisons alors l'évolution du champ magnétique à grande échelle spatiale sur des temps de l'ordre de la période du cycle solaire (environ 11 ans) pour mieux comprendre l'effet dynamo qui lui a donné naissance. Nous montrons alors que les modèles solaires actuels ne sont pas en mesure de reproduire les observations lorsque l'on étend ce modèle à des étoiles en rotation rapide, sauf si l'on prend en compte le mécanisme de pompage turbulent, et sous des conditions précises. Puis, on a amélioré ces modèles cinématiques en incorporant l'effet Malkus Proctor qui prend en compte la rétroaction de la force de Lorentz sur la vitesse longitudinale. Nous montrons alors que l'on est capable de reproduire les oscillations torsionnelles solaires et de voir comment leurs caractéristiques évoluent avec le taux de rotation. La troisième partie se concentre sur les simulations numériques hautes performances 3D avec le code ASH. Contrairement au code précédent, ce dernier résoud l'intégralité des équations de la MHD. Nous avons étudié, d'abord hydrodynamiquement, comment la masse et la rotation influencent les propriétés de l'enveloppe convective, d'abord en la simulant de manière isolée, puis en prenant en compte le couplage avec la zone radiative sous jacente. Nous montrons que la dynamique est principalement régie par le nombre de Rossby et que ses caractéristiques deviennent opposées lorsque ce nombre devient supérieur à l'unité. Nous donnons également les lois d'échelles reliant les caractéristiques de l'écoulement (rotation différentielle, circulation méridienne etc.) en fonction de la masse et du taux de rotation. Enfin, la dernière partie se veut être une perspective générale du travail présenté précédemment. Nous développons des simulations 3D dans des étoiles en rotation rapide, prenant en compte le champ magnétique. Dans ces étoiles, le champ magnétique s'organise en rubans entrelacés concentrés à l'équateur et tire son énergie magnétique à la fois de l'énergie cinétique des mouvements convectifs mais aussi de la forte rotation différentielle. Enfin, nous évaluons comment l'utilisation conjointe de ces deux types de simulations (2D et 3D) peut être bénéfique.

L'objectif de ce travail est d' étudier, au travers d'un essai simple, l'influence des paramètres procédés sur la microstructure et sur le chargement mécanique dans le but de minimiser le risque de fissuration à chaud. Un essai original a été développé consistant à appliquer une précontrainte de traction contrôlée dans la direction de soudage sur une tôle d'alliage d'aluminium 6061 de faible épaisseur, avant de réaliser une ligne de fusion avec le procédé TIG. Des analyses de la microstructure de solidification ont permis d'identifier des longueurs caractéristiques traduisant l'influence des paramètres procédés sur la morphologie des grains. La modélisation de cette microstructure, à partir de données thermiques issues de la simulation numérique, a permis de prédire la microstructure obtenue dans différentes conditions de soudage. L'application d'un critère de fissuration à chaud prenant en compte la microstructure prédite permet d'intégrer l'influence de la morphologie des grains sur la prédiction de l'initiation de la fissuration à chaud. Pour terminer, des solutions d'optimisation du procédé de soudage, vis à vis du phénomène de fissuration à chaud, sont proposées en tenant compte des interactions procédé/ matériau.

Une courbe de fragilité sismique qui présente la probabilité de défaillance d'une structure en fonction d'une intensité sismique, est un outil performant pour l'évaluation de la vulnérabilité sismique des structures en génie nucléaire et génie civil. On se concentre dans cette thèse sur l'approche par simulations numériques pour la construction des courbes de fragilité sismique. Une étude comparative des méthodes paramétriques existantes avec l'hypothèse log-normale est d'abord réalisée. Elle permet ensuite de proposer des améliorations de la méthode du maximum de vraisemblance dans le but d'atténuer l'influence de l'excitation sismique lors de son processus de construction. Une autre amélioration est l'application de la méthode de simulations par subsets pour l'évaluation de la probabilité de défaillance faible. Enfin, en utilisant la méthode de calcul de l'évolution des fonctions de densité de probabilité qui permet d'évaluer la probabilité conjointe entre la réponse structurale et les variables aléatoires du système et de l'excitation, nous proposons également une nouvelle technique non-paramétrique de construction des courbes de fragilité sismique sans utiliser l'hypothèse de la loi log-normale. La validation des améliorations et de la nouvelle technique est réalisée sur des exemples numériques.