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Wakes of lifting bodies contain vortex sheets that roll up into strong streamwise vortices. The long time behavior of such vortices depends on the turbulence in the wake and the stability characteristics of the vortices themselves. In the near wake of a rectangular wing the flow field consists of a spiraling wake that winds around a pair of vortex cores. The study of the turbulence structure and life of wing tip vortices is of great importance to air traffic control in congested airports. In this dissertation a computer code is developed for the temporal as well as spatial simulations of trailing vortices. A sixth-order compact finite-difference method is used in the cross plane. The streamwise derivatives are represented either by a Fourier series for temporal simulations (periodic flow) or by a sixth-order compact scheme for spatial simulations. The time marching scheme is a third-order Runge-Kutta method. The code is used to study the nonlinear development of temporal helical instability waves in a trailing vortex. Contours of a passive scalar are used to study the entrainment process that redistributes angular and axial momenta between the core and its surroundings. Such a process leads to quenching of the instability waves in the vortex core. The code is also used to predict the spatial development of mean flow in the wake of a rectangular wing. New treatment of the outflow boundary condition on the pressure is formulated so that a strong streamwise vortex can exit the computational domain without distortion. Temporal large-eddy simulation (LES) is performed to study the development of large scale structures in the wake and their interaction with the tip vortex. A modified MacCormack scheme developed by Gottlieb and Turkel(1976) has been used to solve the LES equations. A model of the initial conditions in the near wake of a rectangular wing is devised to investigate mechanisms of turbulence production in the spiral wake around the core of a tip vortex. The model consists of a streamwise vortex sheet whose strength is found from Prandtl lifting line theory. A Gaussian streamwise velocity profile is superimposed on the field of the vortex sheet. This profile represents the spanwise vorticity. The integrated spanwise vorticity of this profile is zero. A novel feature of this study is that the mean flow contains both streamwise and spanwise vorticity. The model is then used to initialize the flow field for temporal LES of the instabilities of the spanwise vorticity during roll up. The results show that the sinuous mode prevails in the spiral wake around the core. The strength and streamwise length scale of the instability vary along the span because of the continuous variation of the wake thickness due to stretching by the tip vortex. The large scale structures produced by the instability of the spiral wake cause the formation of undulations on the core - consistent with the hypothesis of Devenport et al. (1996). / Ph. D.

L'influence des fossés dans les phénomènes de crue, d'érosion hydrique des sols ou de transferts de polluants agricoles est bien connue à l'échelle locale. Cependant, on ne dispose que de peu de connaissances sur la variabilité spatio-temporelle des réseaux de fossés et de l'effet de cette variabilité sur les processus hydrologiques. L'objectif de ce travail de thèse vise donc à quantifier la relation entre l'organisation spatiale et temporelle des réseaux de fossés, éléments de la structure du paysage, et le fonctionnement hydrologique des paysages viticoles méditerranéens.Dans un premier temps, on propose d'analyser comment la densité des réseaux de fossés varie dans les paysages et à quel point elle est conditionnée par le milieu physique. Ensuite, un algorithme de simulation de réseaux est chaîné à un modèle hydrologique afin de quantifier le rôle de la densité des réseaux dans la régulation des écoulements de surface. En lien avec son rôle d'interception du ruissellement, l'effet anti-érosif des réseaux de fossés est alors analysé grâce à l'utilisation d'indicateurs géomorphologiques.Dans un second temps, on s'intéresse à la dynamique spatio-temporelle de la végétation des fossés et à son impact sur les transferts de pesticides. Pour cela, on caractérise puis simule les pratiques d'entretien des fossés et leurs impacts sur la végétation. On montre alors en mobilisant différents indicateurs que les pratiques actuelles ne sont pas optimales d'un point de vue de la rétention des pesticides.Cette thèse, qui s'appuie sur des méthodes de simulation du paysage, montre l'intérêt du chaînage entre modèles de structure et de fonctionnement du paysage. Ce chaînage a permis de quantifier le rôle des réseaux de fossés dans la modulation des processus hydrologiques. / The impact of ditch networks on runoff, soil erosion and pollutant transfer is well known at local scale. However, the spatio-temporal variability of ditch networks and the impact of this variability on hydrological processes has not been quantified. The aim of this thesis is thus to quantify the relation between the spatial configuration of ditch networks and the hydrological functioning of Mediterranean vineyards.First, the variability of ditch network density and the extent to which this density depends on the landscape attributes are analyzed. Then, a network simulator is used with a hydrological model to quantify the impact of ditch network density on runoff. In relation to the role of ditch networks in the interception of runoff on hillslopes, the protection against soil erosion procured by ditch networks is studied thanks to geomorphological indicators.Secondly, the spatio-temporal evolution of vegetation covers in ditch networks and its impact on the transfer of pesticides is analyzed. The ditch management regimes and their impact on ditch vegetation are simulated. Thanks to several indicators, it is shown that current management regimes are not optimal in view of pesticide retention.This thesis shows the interest in using a landscape structure model and a landscape functioning model. This allowed to quantify the impact of ditch networks on hydrological processes.

Au Luxembourg, les pratiques de mobilité quotidienne des frontaliers et des résidents engendrent une forte dépendance à l’automobile. Ce processus favorise l’étalement urbain alors même que le pays a pour objectif de répondre à une demande en logements conséquente tout en limitant la consommation foncière. Dans ce contexte, l’objectif central de cette thèse est de donner de nouveaux éclairages sur la relation entre les formes du développement résidentiel et les mobilités quotidiennes qui y sont associées. Pour y parvenir, une démarche normative d’aménagement a été adoptée. Celle-ci consiste à proposer de nouvelles normes d’aménagement, en fonction d’un objectif donné. Des règles quantitatives sont les instruments de mise en application des normes.L’application d’une telle démarche normative se fait en trois étapes dans la thèse : i) la conception de scénarios de développement résidentiel à l’horizon 2030. L’introduction d’une règle d’urbanisation fractale permet la simulation de formes de développement résidentiel réalistes ; ii) la simulation des scénarios de développement résidentiel, à l’aide de la plateforme de simulation MUP-City et iii) l’évaluation des configurations spatiales simulées en termes d’accessibilité spatiale aux aménités rurales et urbaines (calculs SIG), et de durabilité des comportements de mobilité quotidienne (simulations au moyen de la plateforme MobiSim).Dans la plupart des scénarios, l’accessibilité spatiale à un large panel d’aménités (commerces, services, espaces verts et de loisirs, stations de transports en commun) est améliorée par rapport à la situation initiale observée en 2010. Les données de simulation des mobilités quotidiennes, par la prise en compte des comportements individuels des agents dans le modèle, confirment l’intérêt des scénarios simulés. La part modale de la voiture, qui est de 70 % en 2010, diminue en effet dans tous les scénarios. Elle atteint 58 % en 2030 pour l’un des scénarios. Parallèlement, les distances et le budget temps accordés à la marche à pied augmentent fortement.Les résultats de ce travail de thèse montrent l’intérêt d’une démarche normative appliquée aux questions d’aménagement du territoire, notamment en ce qui concerne le développement résidentiel. Les résultats soulignent également l’intérêt d’une modélisation fractale des formes urbaines, tant au niveau local (quartier, commune) que global (région urbaine). / In Luxembourg, daily mobility patterns of both cross-border workers and residents lead to a strong car dependance. This process encourages urban sprawl. Meanwhile the country is faced to increasing housing needs but has to reduce land consumption. Within this context, the main objective of this thesis is to throw light about the relation between residential growth patterns and daily mobility behaviors. In this way, a normative planning approach has been adopted. This approach proposes new planning norms for achieving a series of planning objectives. Quantitative rules are the tools used to apply the norms.Three steps has been done: i) conception of residential growth scenarios for 2030. By applying a fractal rule, we obtain realistic residential development patterns ; ii) spatial simulation of residential growth scenarios, with the MUP-City platform and iii) assessment of simulated spatial con¬gurations regarding both the spatial accessibility to rural and urban amenities (GIS calculations) and the sustainability of daily mobility behaviors (simulations with the MobiSim platform).In most of the scenarios, spatial accessibility to a various range of facilities (retails, services, green spaces, leisures and public transport stations) is increased compared to the initial state observed in 2010. Simulated daily mobility, by taking into account individual behaviors of agents in the model, con¬rms the interest of the proposed scenarios. The modal share of car use, which was 70% in 2010, decreases in all cases. It reaches 58% in 2030 for one scenario. Simultaneously, the distances and the time-budget of pedestrians strongly raise.This doctoral research shows the interest of a normative approach applied to spatial planning issues, particularly in terms of residential development. The results obtained also underline the interest of fractals for modelling urban forms, both at local (neighborhood, municipality) and global (urban region) scales.

Durch den demografischen Wandel leben mehr diverse ältere Menschen in Städten. Es gibt jedoch keine Modelle, die das räumliche Verhalten von Älteren simulieren, obwohl sie einen geringen Aktionsradius haben und stärker von der umgebenden Infrastruktur abhängig sind. Gleichzeitig ist nicht erforscht, wie sich die Kombination von Variablen auf die Umzugsbereitschaft auswirkt und es sind keine Datensätze verfügbar, die genügend Informationen liefern. In dieser Arbeit wurde ein Workflow entwickelt, um die städtische Dynamik einer vielfältigen älteren Bevölkerung (>=65 Jahre) mit einem empirisch fundierten Agenten basierten Modell am Beispiel Berlins zu modellieren. Zunächst wurden eine Umfrage, Experteninterviews und eine Literaturrecherche durchgeführt, um Variablen abzuleiten, die zu einem Umzug führen. Zudem wurde ein Framework angepasst, um diverse Agenten abzuleiten. Die Bevölkerung wurde mit einer Clusteranalyse in Agententypologien (AT) mit gleichem Umzugsverhalten gruppiert. Die ATs wurden mit Erwartungen verglichen, die aus Literaturrecherche und Experteninterviews abgeleitet wurden. Danach wurden räumliche Informationen mit einer räumlichen Mikrosimulation hinzugefügt. Die Variablen Alter und Unterstützungsnetzwerk wurden als Gewichte für die Berechnung der Umzugswahrscheinlichkeit der einzelnen Agenten verwendet, da diese als die wichtigsten Faktoren für einen Umzug identifiziert wurden. Die Ergebnisse der Simulation wurden mit Daten verglichen. Außerdem wurden Veränderungen in der räumlichen Verteilung analysiert. Es zeigt sich, dass sich die ATs nicht räumlich segregieren und das resultierende Modell robust ist. Der Ansatz kann auf andere Städte übertragen werden, da er auf Daten beruht, die in anderen Regionen verfügbar sind. Zudem kann das Modell als Grundlage für detailliertere Agenten oder komplexere Verhaltensregeln dienen. Zusammengefasst liefert die Arbeit einen sehr guten Ansatz zur Modellierung einer vielfältigen Bevölkerung. / In the last years, more elderly with diverse backgrounds live in cities due to demographic changes. However, there exist no models which simulate the spatial behaviour of the elderly even though they have a smaller range of action and are more dependent on their surrounding infrastructure. At the same time, there is no research on how the combination of different variables affects their willingness to move and no datasets that provide sufficient information are available. This research developed a workflow, to model the urban dynamics of a diverse elderly population (>=65 years) with an empirically grounded agent-based model for the example of Berlin. First, a survey was conducted, along with expert interviews and literature research, to derive variables and reasons that lead to relocation. Additionally, an existing framework was adapted to derive diverse agents. The population was grouped with a cluster analysis into agent typologies (AT) with the same basic relocation behaviour. The resulting artificial population was evaluated with expectations derived from literature research and expert interviews. Afterwards, spatial information was added with a spatial microsimulation. Because age and support networks were identified as the most important factors for relocation, these variables were included as weights for the calculation of the relocation probability of every individual agent. The simulation output was compared to real population data. Furthermore, changes in the spatial distribution were evaluated based on a segregation index. It is shown that ATs do not segregate themselves spatially and the resulting model is robust. The approach can be adapted to other cities because it is based on data which is available in other regions. Furthermore, the model can be a basis for more detailed agents or more complex behaviour rules. In the end, the thesis provides an approach to model a diverse population with its behaviour rules.

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