UPThèses

La bataille navale d’Actium, qui s’est déroulée à l’embouchure du golfe Ambracique, fut un tournant de l’Antiquité en opposant trois personnages historiques (Octave contre Cléopâtre et Marc-Antoine). Ce combat a connu une issue inattendue, la flotte d’Octave s’imposant sur celle d’Antoine, pourtant composée d’embarcations plus imposantes. Pour élucider ce mystère les commentateurs de l’époque ont évoqué l’echeneis ou rémora, un poisson qui aurait eu le pouvoir de ralentir à lui seul une galère. A l’aune de mesures océanographiques modernes, et sur la base d’une approche pluridisciplinaire, ce travail de thèse cherche à expliquer les évènements qui sont survenus le 2 septembre 31 av. J.C.. Les eaux d’Actium présentent deux singularités : des hauts fonds et une stratification en densité faisant du golfe l’unique fjord de Méditerranée. Chacun de ces aspects a été exploré à travers des expériences en laboratoire, étayées de calculs analytiques. Dans un bassin des carènes, une reproduction de la galère antique Olympias est tractée à vitesse constante. L’analyse de la surface libre montre que le sillage du navire présente un motif particulier accompagnant la crise de résistance à l’avancement due aux effets de profondeur d’eau finie. Pour des vitesses proches de celles nécessaires à la technique martiale de l’éperonnage, les ondes divergentes du sillage se déplient, formant alors des bandes parallèles. Le pic de résistance et l’amplitude des ondes sont d’autant plus marqués que le rapport entre tirant d’eau et profondeur est grand, favorisant de ce fait les galères légères. La présence d’un bi-couche avec une marche en densité au niveau de la pycnocline, caractéristique particulière de l’embouchure, est connue pour être responsable d’un autre phénomène de ralentissement des navires appelé effet d’eaux-mortes. D’après la littérature antérieure, le mouvement d’un bateau au sein d’une stratification entraîne la génération d’ondes internes causant là encore une résistance à l’avancement, ainsi que des oscillations en vitesse. A partir du développement d’une technique de détection subpixel permettant de suivre des ondes internes micrométriques, et en tractant à force constante une maquette de bateau dans un aquarium stratifié, deux systèmes d’ondes ont pu être identifiés. Le premier est un sillage interne, stationnaire dans le référentiel du bateau : nommé sillage de Nansen, il est responsable d’un ralentissement continu du navire. Le second est une dépression ondulante dispersive, appelée onde d’Ekman, générée par l’accélération initiale du bateau. Longtemps confondue avec une émission périodique de solitons internes, l’onde d’Ekman peut être approximée par une onde linéaire agissant sur le bateau comme un tapis roulant bosselé. Le navire ressent alors une résistance de vague fluctuante, justifiant l’apparition d’oscillations en vitesse. Un modèle analytique linéaire a été développé et mène à des expériences numériques de stratification. Il apparaît que le caractère oscillant des eaux-mortes n’est qu’une période transitoire de la dynamique du bateau : l’onde d’Ekman finit par s’échapper à la proue ou par être abandonnée à la poupe. De plus, les confinements latéraux imposés par les expériences de laboratoire accentuent ces phénomènes. Enfin, des mesures de champs de vitesses en milieu stratifié révèlent que le sillage de Nansen crée des courants modifiant l’aspect des ondes surfaciques et provoquant l’apparition de bandes lisses ou rugueuses dans le sillage de surface. Les particularités du golfe Ambracique font de la bataille d’Actium une curiosité sur le plan de la physique des interactions ondes-courants-bateaux. Bathymétrie et stratification jouent toutes deux un rôle sur la dynamique des bateaux, pouvant les empêcher d’atteindre les vitesses recherchées, et faisant apparaître dans la forme du sillage des bandes ou ondes transverses rappelant le disque de succion du rémora. Peut-être l’origine de la légende de l’echeneis ?

L’analyse du mouvement humain est un paramètre clé pour comprendre les différentes problématiques de la locomotion humaine. Qui plus est, il est nécessaire que ces analyses soient effectuées au plus proche de la locomotion réelle. L’essor de la miniaturisation des capteurs et des technologies sans fil a permis d’offrir la possibilité d’utiliser les centrales inertielles sur le terrain. Mais différentes problématiques existent encore pour obtenir la cinématique des membres inférieurs avec les centrales inertielles. La première étude de ce manuscrit aborde une comparaison des différents calibrages centrale-à-segment pour définir le passage entre l’orientation de la centrale inertielle et le segment sous-jacent. Nous avons mis en avant une méthode qui valide ces critères au mieux et ne demande que deux postures et un dispositif simple. Mais la cinématique obtenue reste entachée d’erreurs qui pourraient être dues à la présence d’artefacts de tissu mou. C’est pourquoi dans une seconde partie nous étudions la possibilité de diminuer ces effets par l’intermédiaire de l’optimisation multisegmentaire. Ainsi nous avons pu mettre en avant la nécessité de bien paramétrer le modèle derrière l’optimisation sans pour autant présenter un apport significatif. Enfin, en dernière partie, nous proposons d’appliquer la méthodologie de traitement de la cinématique articulaire sur une population pathologique, en collaboration avec le laboratoire de cinésiologie Willy Taillard des HUG et de l’Université de Genève. En conclusion cette thèse propose un processus méthodologique et des recommandations pour développer des analyses de la cinématique en milieu écologique avec des centrales inertielles.

Cette étude est consacrée au développement d’une nouvelle technique numérique pour la simulation du transfert thermique conjugué avec une application pour la reproduction de l’écoulement turbulent dans une conduite. La méthode est construite progressivement pour atteindre la haute-fidélité souhaitée. Tous les développements numériques et simulations sont effectués sur la base du code libre et massivement parallèle Incompact3d/Xcompact3d. Dans une première phase, le potentiel de la stratégie numérique choisie est étendu puis évalué par simulation directe et implicite à grande échelle pour mieux cerner la façon de combiner avantageusement ses caractéristiques. Parmi ces dernières, on peut mentionner la méthode des frontières immergées basée sur des interpolations polynomiales de Lagrange, la technique originale de filtrage visqueux et la modélisation implicite de turbulence pariétale par utilisation d’une dissipation numérique d’ordre élevé comme ersatz de la contribution sous-maille. La deuxième partie est consacrée à l’introduction d’une stratégie originale pour la simulation du transfert thermique turbulent pariétal. Dans ce but, la méthode des frontières immergées est adaptée pour permettre l’imposition de conditions aux limites thermiques spécifiques. L’approche est validée par simulation numérique directe du transfert de chaleur en turbulence de conduite avec des conditions aux limites de type Isoflux ou mixte. Une attention particulière est accordée au cas Isoflux qui nécessite des développements pour permettre l’imposition d’une condition aux limites de type Neumann. Cette stratégie est ensuite mise à profit pour mettre au point une méthode polyvalente qui permet la reproduction d’un phénomène de transfert thermique conjugué entre un fluide turbulent et le corps de la conduite qui le contient. Il est démontré que cette technique de couplage est capable de fournir une description précise de l’interaction thermique entre les milieux fluide et solide, ce qui peut être utile, par exemple, pour améliorer la modélisation RANS/LES dans les applications industrielles pour lesquelles les contraintes thermiques fluctuantes sont une préoccupation. La conduite cylindrique considérée ici,sans lien avec la nature Cartésienne du maillage, peut être vue comme un prototype de géométrie complexe, ceci ouvrant la voie à la réalisation de simulations haute-fidélité en géométrie réaliste telle que celle d’un Té de mélange avec plus largement des applications dans le cadre des centrales nucléaires ou solaires.

Les affections de la colonne sont la principale source de handicap mondiale. Leur impact sur les systèmes de santé et sociaux est monumental dans les pays occidentaux et sans doute négligé dans les pays en voie de développement. Bien que traditionnellement considéré comme non spécifique, il est possible dans certains cas de définir des sources anatomo-pathologiques responsables de la douleur des patients. Parmi elles, se trouve les fissures radiales de l’annulus fibrosus du disque intervertébral. Cette lésion structurelle à de nombreuses conséquences sur la biologie et la mécanique du disque intervertébral, pouvant conduire à une dégénérescence de la structure. Dans cette thèse nous nous intéressons aux déplacements et aux déformations du Nucleus Pulposus rendu plus importantes du fait de la brèche de l’annulus. McKenzie a émis l’hypothèse d’un nucleus mobile dans la fissure. Ces déformations / déplacements sont dépendants des forces imposées sur l’unité fonctionnelle par les mouvements physiologiques du rachis. Ainsi une flexion déplace / déforme le nucleus vers l’arrière, une extension vers l’avant et ainsi de suite. Afin de tester la pertinence de cette hypothèse, nous utilisons une approche quadruple, incluant : - Une revue systématique de la littérature avec une méta-analyse. - Une approche ex vivo, combinant IRM quantitative et analyse photomécanique. - Une approche in vivo d’analyse quantifié de mouvement. - Une approche in silico de modélisation par éléments finis. Nos résultats, quoique préliminaires, semblent confirmer cette hypothèse. Mais, nous sommes encore loin d’une validation ferme et définitive. D’autres recherches seront nécessaires pour finaliser cet objectif.

L’objectif de cette étude est de comprendre le comportement sous irradiation de la phase MAX Cr2AlC, dont les propriétés mécaniques et la résistance à l’oxydation permettent d’envisager des applications dans les réacteurs nucléaires. Pour cela, des films minces polycristallins et des monocristaux de Cr2AlC ont été implantés avec des ions He+. L’influence de la dose et de la température d’implantation sur l’état microstructural de Cr2AlC, mais aussi l’effet des recuits post-implantation, ont été caractérisés par DRX, MET et mesures de résistivité. Ces expériences ont permis de comprendre la formation progressive de la phase désordonnée γ-Cr2AlC et les mécanismes de déformation associés. Pour les implantations à température ambiante (RT), on observe une formation rapide d’antisites Cr/Al ne générant pas de déformation mais modifiant fortement la résistivité. L’interprétation des mesures de DRX permet de montrer que la déformation provient de la création de paires de Frenkel de C. Nous avons également déterminé une concentration seuil d’hélium implanté pour la formation de bulles. Pour les plus fortes fluences, des nano fissures se forment dans la région implantée ainsi que des cloques en surface, relaxant les contraintes emmagasinées. L’absence d’amorphisation des monocristaux même pour un endommagement important (30 dpa) suggère un effet significatif des joints de grains sur cette transformation. Lorsque la température d’implantation augmente, la saturation en défauts conduisant à la formation de la phase désordonnée intervient pour des fluences plus élevées. De plus, nos résultats suggèrent que la transition de phase est favorisée par la présence d'hélium. Les recuits de monocristaux implantés à RT nous ont permis de suivre la relaxation de la déformation. Différents mécanismes sont proposés pour expliquer cette relaxation allant de la recombinaison des défauts ponctuels à faible température jusqu’à la dissociation des complexes Hen-Vm à plus haute température.

Les phases Mn+1AXn sont des matériaux hexagonaux avec une structure nanolamellaire constituée d’une alternance de plans métalliques et de couches de carbure ou de nitrure. Les mécanismes de déformation par glissement de dislocations dans le plan de base sont largement rapportés dans les phases MAX (ex : murs de dislocations, empilements et kink bands). Cependant, ils ne permettent pas de rendre compte de tous les processus de déformation. Les propriétés macroscopiques des phases MAX sont liées à l’arrangement des grains et dépendent des conditions d’élaboration. Les analyses des mécanismes de déformation élémentaire nécessitent donc des essais à petite échelle. Des empreintes d’indentation (Berkovich et sphérique) ont été effectuées sur un polycristal de Ti2AlN, en travaillant à l’échelle du grain, ainsi que sur des monocristaux de Cr2AlC, orientés avec le plan de base suivant l’axe d’indentation afin d’empêcher le glissement basal. Des lames de microscopie ont été préparées par Sonde Ionique Focalisée (FIB) en coupe transverse dans les empreintes. Les structures de déformation ont été caractérisées à petite échelle, à la fois en surface par Microscopie à Force Atomique (AFM) et en volume par Microscopie Électronique en Transmission (MET) en Weak Beam. Ces analyses ont été complétées par des cartographies d’orientation et de désorientation, réalisées sur les lames de microscopie avec la technique ACOM-ASTAR (Cartographie Automatisée d’Orientation Cristallographique). La corrélation entre les analyses AFM, MET et ACOM-ASTAR de la même structure de déformation, a permis d’identifier pour la première fois le maclage de déformation dans ces matériaux et de caractériser le système de maclage, survenu lors des essais de nanoindentation aussi bien dans Ti2AlN que dans Cr2AlC. Ces études ont été étendues à la compression de micro-piliers de Cr2AlC monocristallin, confirmant les résultats précédents.

La plasticité de micro-piliers monocristallins d’antimoniure d’indium (InSb), de silicium (Si) et de nitrure de galium (GaN) est étudiée à 25°C pour comprendre les mécanismes de déformation associés à la transition fragile-ductile dans un contexte de réduction de la taille de l’échantillon ou « effet de taille ». Premièrement, l’établissement d’un protocole de gravure FIB (focused ion beam) est réalisé pour fabriquer les micro-piliers dont les dimensions sont inférieures à 5 µm de diamètre. La direction [123] est choisie comme direction ce compression pour InSb et Si afin de promouvoir le glissement simple dont le système de glissement primaire est [101](1-1-1) avec un facteur de Schmid m valant 0,47. L’axe de compression [2-1-10] définie pour GaN induit un glissement multiple avec deux systèmes de glissement équivalant : les systèmes de glissement [11-20](1-100) et [1-210](10-10) (m = 0,43). Ensuite, la déformation est assurée par micro-compression in situ au sein du FIB à l’aide d’un nano-indenteur muni d’un poinçon plat. Enfin, la caractérisation des mécanismes de déformation est réalisée en combinant différentes méthodes : la réalisation de sauts de vitesse de déformation afin de calculer les volumes d’activation apparents, l’analyse des vidéos de déformation in-situ et des faciès de déformation à partir des micrographies par Microscopie Electronique à Balayage (MEB) post-mortem, ainsi que l’analyse de lames minces, extraites à l’aide du FIB à partir des micro-piliers déformés, par Microscopie Electronique en Transmission (MET). Pour InSb, les volumes d’activation ainsi que les faciès de déformation suggèrent l’existence de dislocations partielles dans le système de glissement primaire. Cela est confirmé par les observations MET haute-résolution qui montrent la présence de nano-macles au sein de la structure. Ce résultat constitue un mécanisme de déformation nouveau pour ce matériau à température ambiante. Pour Si, l’analyse des micrographies MEB indique que le glissement est fortement localisé dans quelques plans de glissement, avec des marches en surface importantes. L’analyse MET permet d’identifier un mécanisme de déformation impliquant des dislocations parfaites suivant le système de glissement primaire. Enfin, pour GaN, les volumes d’activation ne permettent pas de trancher quant à la nature des dislocations. Les faciès des micro-piliers déformés montrent une localisation du glissement dans quelques plans seulement et les observations MET confirment la présence de dislocations parfaites. Une comparaison des résultats avec les données de la littérature conforte les analyses de cette étude et les implications sur les propriétés des semiconducteurs sont discutées dans le contexte de miniaturisation des composants électroniques.

Un développement semi-analytique exact à l’aide de la méthode du lancer de rayons, suivi de simulations numériques du transfert de chaleur par rayonnement et rayonnement-conduction est appliqué à un milieu semi-transparent gris, compris dans une enceinte rectangulaire 2D avec un obstacle carré et centré. Ce travail est subdivisé en trois parties, dont la première traite de l’étude du rayonnement avec surfaces noires, la seconde prend en compte l’effet réfléchissant et diffus des surfaces et la troisième analyse le couplage conduction-rayonnement en présence des surfaces noires. L’obstacle ne participe pas au transfert de chaleur, le milieu participatif absorbe et émet du rayonnement, avec des températures imposées constantes aux surfaces du milieu semi-transparent. On s’intéresse à évaluer le comportement qualitatif et quantitatif des grandeurs radiatives, tels le champ de température et du flux radiatif dans le milieu qui restent d’une grande importance en ingénierie. La configuration géométrique du milieu semi-transparent en fonction des différentes tailles de l’enceinte et de l’obstacle révèle l’existence de plusieurs sous zones, dont la modélisation du rayonnement incident diffère au regard de la marche des rayons de chaleur. Dans la première partie, l’équation du transfert radiatif est résolue via le biais des fonctions spéciales de Bickley-Naylor qui génèrent des résultats assez précis, suivi de l’analyse numérique à dérivée des quadratures des Gauss. Les résultats du profil de température, du flux de chaleur sont comparés avec la littérature, des simulations numériques montrant l’influence de l’obstacle sur la distribution des grandeurs radiatives sont présentées et ces derniers informent de la validité de la présente analyse. Dans la deuxième partie, la technique de radiosité est introduite pour déterminer précisément les expressions semi-analytiques exactes de températures de radiosité aux surfaces ainsi que le flux de chaleur résultant dans le milieu participatif. Il ressort de là, d’étranges observations au regard des effets de l’émissivité et du ratio entre la taille de l’obstacle et de l’enceinte sur les grandeurs radiatives. Dans la troisième partie, le mode conductif s’adjoint au rayonnement et se modélise par la méthode des différences finies centrées. Des résultats obtenus ont certes été comparés avec la littérature, mais aussi l’effet conjugué du paramètre rayonnement-conduction, du coefficient d’absorption ont été interprétés.

Les objectifs de réduction de bruit dans les domaines de l'ingénierie de l'aéronautique ou des transports terrestres impliquent l'identification des sources de bruit aéroacoustique, souvent réalisées au moyen d’antennes microphoniques. Dans cette thèse, des mesures sont réalisées avec un prototype d’antenne tridimensionnelle (3D) de microphones MEMS formant un tunnel autour de la section d'essai ouverte d'une soufflerie anéchoïque, et des stratégies de traitement de signal appropriées sont développées. Dans la première partie, la technique de formation de voies (FV), tenant compte d’un rayonnement dipolaire en champ libre des sources de bruit (typique du bruit d'interaction écoulement-obstacle), est étendue à l'identification des sources de bruit dans des domaines 3D. La FV 3D s'avère efficace pour identifier les sources aéroacoustiques générées par des profils d’aile encastrés. Des tests supplémentaires sur un cas plus complexe -un modèle d’aile hypersustentée- suggèrent que l’influence des parois du modèle sur la propagation du son devrait être prise en compte dans la technique d'identification des sources. La deuxième partie introduit ainsi la technique de retournement temporel (RT) numérique pour l'identification des sources de bruit en considérant des frontières solides dans l’écoulement. Cette technique combine des mesures acoustiques et un outil numérique 3D simulant la propagation du son dans un écoulement. Des cas test concernant diverses configurations délicates, dans lesquelles la technique de FV peut être mise en échec, sont conduits. Basée sur des données numériques, la technique de RT montre des performances intéressantes pour modéliser les effets d’installation en soufflerie, mais les frontières solides situées dans le voisinage immédiat de la source sonore peuvent dégrader les résultats. Enfin, le RT 3D est appliqué à des données expérimentales sur 768 voies concernant une source de bruit synthétique large bande diffractée par un profil d’aile. Dans ce cas, le RT 3D permet une meilleure précision dans la localisation des sources, au détriment du temps de calcul, par rapport à la FV 3D.

Le passage des navires dans une voie navigable produit des ondes de batillage qui modifient le régime d’écoulement du canal, affectent les berges, remettent du matériel en suspension et modifient la morphologie du lit. L’énergie transmise par les ondes de batillage dans les berges est dissipée par la friction de l’écoulement à l’intérieur des berges. Lorsque cet écoulement interne est intense, le risque d’érosion des berges apparaît. Les ondes de batillage peuvent alors être à l’origine de la destruction des berges. Pour connaître la stabilité des berges des canaux navigables, il faut estimer le comportement de l’écoulement dans les canaux navigables et dans les berges. L’objectif de ce travail est de construire un code 2D permettant de simuler l’amortissement d’un train de vagues dans une structure poreuse. La modélisation de l’interaction des vagues est difficile dû à la nécessité de connaître la distribution précise de la pression du fluide en fonction de la porosité du matériau. Des améliorations des méthodes Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) ont été proposées pour corriger les problèmes de champs de pression et des conditions aux limites sur l'interface fluide pur-milieu poreux. Deux approches classiques, SPH faiblement compressible (WCSPH) et SPH incompressible (ISPH) ont été optimisés. Les méthodes ISPH sont coûteuses en termes de temps CPU dû à la résolution de l’équation de Poisson pour obtenir la distribution de pression. Par conséquent, un couplage ISPH-maillage est adopté pour calculer la pression sur une grille régulière, réduire le temps CPU et obtenir une méthode efficace. De plus, une technique de remaillage est proposée pour garantir une distribution uniforme des particules. À partir d’une audite sur les méthodes particulaires SPH, la méthode SPH la plus robuste est utilisée pour le développement du code 2D. La comparaison des algorithmes optimisés ISPH et WCSPH pour simuler trois benckmarks d’écoulements incompressibles a été faite : un vortex de Lamb-Oseen, un écoulement de cavité entraînée et la rupture de barrage. Les effets de la résolution spatiale sont considérés dans l’étude ainsi que le nombre de Reynolds, la fréquence de remaillage, le pas de temps et le temps de calcul. WCSPH est moins robuste, mais il se limite à des discrétisations fines et à très petits pas de temps associés à la condition de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). ISPH est plus robuste en termes de temps et du maillage. La solution du problème de Poisson sur une grille a largement réduit le temps de calcul, mais ISPH reste aussi performant que WCSPH. Pour simuler l'écoulement à l'interface fluide pur-milieu poreux, les méthodes SPH sont exposées à deux difficultés. La continuité de la pression, de la vitesse et des contraintes normales et tangentielles doit être garantie. La différence du comportement de l'écoulement entre la zone fluide pur et la zone poreuse, par l'influence de la porosité, seront traitées avec l'équation de Brinkman pour résoudre de manière simultanée l'écoulement dans les deux zones et garantir la continuité des quantités physiques dans l'interface. Une deuxième difficulté est la différence de taille des particules. Le développement de Taylor à l’ordre 2 est appliqué à la fonction de lissage du noyau afin de prendre en compte les tailles des particules différentes. La validation de l’amélioration se fait avec l'infiltration d'un écoulement dans une structure poreuse à partir d'une rupture de barrage. Une validation finale du couplage batteur-structure poreuse est présentée. Le train de vagues est simulé par l’introduction d’une force source dans l’équation de conservation de mouvement. Le calcul des coefficients de réflexion et de dissipation sera présenté et comparé à des solutions analytiques pour quantifier l’amortissement de l’énergie des vagues.