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National audience; Dans l’optique de maitriser le procédé de coupe, les travaux réalisés au cours d’une thèse précédente ont permis de développer des lois de comportement, d’endommagement et de frottement traduisant les couplages thermomécaniques et de les implémenter au sein d’un modèle éléments finis du procédé de coupe orthogonale du Ti6Al4V. Cette présente étude porte sur l’adaptation de ces lois matériaux au cas de la modélisation de la coupe oblique du Ti6Al4V. En vue de la valider, une confrontation entre les résultats numériques et des données expérimentales pertinentes est mise en œuvre. Pour cela, des mesures in-situ de champs thermomécaniques sont réalisées à l’aide de caméras rapide et infrarouge au cours d’essais de coupe oblique du Ti6Al4V. Cette étude constitue une première étape dans l’analyse de la capacité du modèle à traduire fidèlement le comportement du matériau sous diverses conditions de coupe notamment en termes de morphologie des copeaux (continus, festonnés) en coupe oblique.

Les structures composites sandwich « Steel-Concrete-Steel » répondent à de nombreux besoins. Leur forte résistance, rigidité, durabilité, étanchéité et leur modularité en font un choix de structure de plus en plus concurrentiel. Cette étude porte sur le comportement local de cisaillement de la connexion avec la modélisation d’un essai push-out. Cet essai normalisé permet de caractériser la résistance à la rupture ainsi que la loi effort-glissement de la connexion, paramètres importants pour la conception de structures composites. Une stratégie de simulation avec des éléments finis 3D est présentée. Les interactions entre les différents composants sont correctement reproduites. Cependant, les résultats montrent une forte dépendance au maillage, nécessitant la mise en place d’une procédure de régularisation, effectuée par modification des paramètres en compression en fonction de la taille des éléments. Avec cette régularisation, les résultats numériques, peu dépendants du maillage, sont proches des résultats expérimentaux., Academic Journal of Civil Engineering, Vol 38 No 1 (2020): Special Issue - RUGC 2020 Marrakech

Because of its advantages (safety, reliability, performances, throttleability, low-cost, low impact on the environment), hybrid rocket engines (HRE) can offer a relevant alternative to solid and liquid propulsion systems in some space applications as apogee missions for geostationary satellites or suborbital transportation for tourism purposes. The performances of hybrid rocket are controlled by the combustion process, wherein the behavior of the fuel mass flow rate produced by the pyrolysis of the solid fuel plays a key role. The experimental research though essential is expensive and provides hardly any evidence on the aforementioned process. Nevertheless, the numerical simulations can produce affordable and useful complementary data on the flow fields and the energy transfers, not available experimentally because of the extreme environment. However, a useful computed flow field must be able to represent the actual intern ballistics of hybrid rocket engines. Particularly, the fuel regression behavior has to be modeled with the physical coupling between the fuel regression rate and the thermochemical phenomena in the turbulent boundary layer. The Gas-Surface Interaction model (GSI) enables the simulation to represent the fuel regression rate and the related physical coupling phenomena by considering the conservation of mass and energy exchanges through the fuel surface. The thesis aims at developing and assessing experimentally a numerical model for hybrid rocket simulations to get useful data complementary to experiments. According to a sensitivity analysis carried out on the implemented model, the turbulence modeling, taking into account the Wilcox’s wall blowing correction, turns out to be essential to provide realistic values for the fuel regression velocity. By contrast, no combustion model can be noticed to improve the modeling due to the highly complex turbulence-chemistry interactions with the fuel regression phenomenon. A new ballistic reconstruction technique is developed to regenerate the space and time dependent fuel regression rate field in the port. The validation process shows the ability of the modeling in providing convincing fuel regression velocity values even though limitations have been stated when assessing, Grâce à ses avantages (sûreté,performances propulsives, manœuvrabilité, bon marché et faible impact environnemental), la propulsion hybride, combinant un oxydant liquide et un combustible solide, offre une alternative pertinente aux systèmes de propulsion solide et liquide pour des missions de mise à poste de satellites. Les performances du moteur hybride sont pilotées par le processus de combustion dans lequel le comportement de la régression du combustible joue un rôle déterminant. Bien qu'essentielle, la recherche expérimentale est coûteuse et ne peut fournir une description détaillée de ce processus. La simulation numérique peut en revanche fournir des données complémentaires sur l'écoulement et les transferts, non accessibles expérimentalement compte tenu des ambiances sévères. En particulier, le comportement de la régression du combustible est modélisé en prenant en compte le couplage physique entre la vitesse de régression du combustible et les processus aérothermochimiques de l'écoulement dans la couche limite turbulente, via le modèle d'Interaction Gaz-Surface (IGS) basé sur les bilans des échanges de masse et d'énergie à la surface du combustible. L'objectif de la thèse est de développer et valider expérimentalement une modélisation numérique prenant en compte le modèle IGS afin d'obtenir une représentation réaliste de la balistique interne d'un moteur hybride. Une analyse de sensibilité menée sur la modélisation mise en place a démontré que la correction du modèle de turbulence pour le soufflage pariétal proposée par Wilcox est essentielle pour représenter convenablement la vitesse de régression du combustible. En revanche, aucun modèle de combustion n'a pu être mis en évidence à cause de la complexité due au couplage entre la turbulence et les aspects chimiques. Une technique de restitution de la distribution spatiale et temporelle de la vitesse de régression expérimentale a également été développée pour définir une méthode de validation recouvrant complètement le comportement de la régression du combustible. Le processus de validation a cependant montré l'insuffisance de la modélisation à rendre compte de ce comportement.

Because of its advantages (safety, reliability, performances, throttleability, low-cost, low impact on the environment), hybrid rocket engines (HRE) can offer a relevant alternative to solid and liquid propulsion systems in some space applications as apogee missions for geostationary satellites or suborbital transportation for tourism purposes. The performances of hybrid rocket are controlled by the combustion process, wherein the behavior of the fuel mass flow rate produced by the pyrolysis of the solid fuel plays a key role. The experimental research though essential is expensive and provides hardly any evidence on the aforementioned process. Nevertheless, the numerical simulations can produce affordable and useful complementary data on the flow fields and the energy transfers, not available experimentally because of the extreme environment. However, a useful computed flow field must be able to represent the actual intern ballistics of hybrid rocket engines. Particularly, the fuel regression behavior has to be modeled with the physical coupling between the fuel regression rate and the thermochemical phenomena in the turbulent boundary layer. The Gas-Surface Interaction model (GSI) enables the simulation to represent the fuel regression rate and the related physical coupling phenomena by considering the conservation of mass and energy exchanges through the fuel surface. The thesis aims at developing and assessing experimentally a numerical model for hybrid rocket simulations to get useful data complementary to experiments. According to a sensitivity analysis carried out on the implemented model, the turbulence modeling, taking into account the Wilcox’s wall blowing correction, turns out to be essential to provide realistic values for the fuel regression velocity. By contrast, no combustion model can be noticed to improve the modeling due to the highly complex turbulence-chemistry interactions with the fuel regression phenomenon. A new ballistic reconstruction technique is developed to regenerate the space and time dependent fuel regression rate field in the port. The validation process shows the ability of the modeling in providing convincing fuel regression velocity values even though limitations have been stated when assessing; Grâce à ses avantages (sûreté,performances propulsives, manœuvrabilité, bon marché et faible impact environnemental), la propulsion hybride, combinant un oxydant liquide et un combustible solide, offre une alternative pertinente aux systèmes de propulsion solide et liquide pour des missions de mise à poste de satellites. Les performances du moteur hybride sont pilotées par le processus de combustion dans lequel le comportement de la régression du combustible joue un rôle déterminant. Bien qu'essentielle, la recherche expérimentale est coûteuse et ne peut fournir une description détaillée de ce processus. La simulation numérique peut en revanche fournir des données complémentaires sur l'écoulement et les transferts, non accessibles expérimentalement compte tenu des ambiances sévères. En particulier, le comportement de la régression du combustible est modélisé en prenant en compte le couplage physique entre la vitesse de régression du combustible et les processus aérothermochimiques de l'écoulement dans la couche limite turbulente, via le modèle d'Interaction Gaz-Surface (IGS) basé sur les bilans des échanges de masse et d'énergie à la surface du combustible. L'objectif de la thèse est de développer et valider expérimentalement une modélisation numérique prenant en compte le modèle IGS afin d'obtenir une représentation réaliste de la balistique interne d'un moteur hybride. Une analyse de sensibilité menée sur la modélisation mise en place a démontré que la correction du modèle de turbulence pour le soufflage pariétal proposée par Wilcox est essentielle pour représenter convenablement la vitesse de régression du combustible. En revanche, aucun modèle de combustion n'a pu être mis en évidence à cause de la complexité due au couplage entre la turbulence et les aspects chimiques. Une technique de restitution de la distribution spatiale et temporelle de la vitesse de régression expérimentale a également été développée pour définir une méthode de validation recouvrant complètement le comportement de la régression du combustible. Le processus de validation a cependant montré l'insuffisance de la modélisation à rendre compte de ce comportement.

This work focuses on a multidisciplinary problem that combines the experimental characterization of particles emitted during train braking and the numerical modeling of their transport in order to predict their dynamic behavior following their generation. These particles can present a real health risk for users who commute by public transport every day, due to their submicronic size and composition. It is important to identify their specific physical characteristics (size distribution, shape, composition, etc.) but also their dynamics (ejection speed, preferential trajectory, concentration, etc.) in order to know what users can be exposed to and possibly protect themselves from. To this end, a brake test bench has been developed to generate particles under conditions representative of a typical train route and under particular braking conditions. The characteristics of the particles obtained following analysis seem to show an influence of the braking stress conditions on the characteristics of the emitted particles. These different data are essential to predict the dynamic behavior of particles, and provide input data for the implementation of numerical models simulating particle transport in the air., Ce travail porte sur une problématique pluridisciplinaire qui combine la caractérisation expérimentale des particules émises au cours du freinage d’un train et la modélisation numérique du transport de ces dernières dans le but de prédire leur comportement dynamique suite à leur génération. Ces particules peuvent présenter un réel risque sanitaire pour les usagers qui empruntent chaque jour les transports en communs, de par leur taille submicronique et leur composition. Il est important d’identifier leurs caractéristiques physiques propres (distribution en taille, forme, composition, etc.) mais également dynamiques (vitesse d’éjection, trajectoire préférentielle, concentration, etc.) afin d’évaluer ce dont les usagers peuvent être exposés et éventuellement s’en prémunir. Pour ce faire, un banc d’essai de freinage a été mis au point pour générer des particules dans des conditions représentatives d’un parcours type d’un train et sous des sollicitations particulières de freinage. Les caractéristiques des particules obtenues suite à des analyses, semblent montrer une influence des conditions de sollicitation de freinage sur les caractéristiques des particules émises. Ces différentes données sont essentielles pour pouvoir prédire le comportement dynamique des particules, et servent de données d’entrée pour l’implémentation de modèles numériques simulant le transport des particules dans l’air.

Les signaux de coda issus de diffusion multiple sont extrêmement sensibles aux petites perturbations du milieu de propagation et permettent d'accéder à des informations sur l'endommagement des matériaux. Récemment, une méthode qui combine l'acoustique non linéaire et l'interférométrie de coda (NCWI: Nonlinear Coda Wave Interferometry) a été proposée et appliquée sur plusieurs types de matériaux (verre, mortier et béton). Dans cette thèse, des modèles numériques (pour des milieux homogènes et hétérogènes) sont développés avec la méthode des éléments spectraux pour relier les effets non linéaires observés par la NCWI à des propriétés de l'endommagement comme : le changement du module d'élasticité et du facteur de qualité au sein d'une zone d'endommagement effective (EDZ: Effective Damaged Zone), la surface de l'EDZ, la présence ou non de fissures dans l'EDZ, le changement de la longueur des fissures et leur nombre. L'objectif est de pouvoir simuler les codas hautes fréquences dans un milieu multi-diffusant en présence de différents types de non-linéarité et de proposer des modèles utiles pour le diagnostic et l'optimisation de dispositifs expérimentaux. Une validation expérimentale des lois reliant les paramètres de l'endommagement aux observables NCWI est effectuée sur une plaque d'aluminium percée. Les effets non linéaires sont causés par les contacts des filets d'un nombre variable de vis dans la plaque. NCWI permet la caractérisation et le suivi de non-linéarité, elle répond parfaitement aux besoins d'Évaluation et Contrôle Non Destructifs pour les endommagements précoces dans les matériaux complexes. Coda waves are extremely sensitive to small disturbances of the propagation medium and therefore offer abundant information related to material damages. Recently, a method that combines Nonlinear acoustics and Coda Wave Interferometry (NCWI) has been proposed and applied to several types of materials (glass, mortar and concrete). In this thesis, numerical models (for a homogeneous medium and a heterogeneous medium) are developed using the spectral element method to study the nonlinear acosutique effects highlighted by a pump wave of large amplitude and low frequency. Several parameters are related to the influence of the pump wave: the change of the elastic modulus and the quality factor within an area of Effective Damage Zone (EDZ), the surface of the EDZ, the presence or absence of cracks in the EDZ, the change of the crack lengths and their number. The aim of numerical modeling is to be able to simulate ultrasonic coda waves in a multi scattering medium with the presence of different types of non-linearities and to propose numerical models that are useful for the diagnosis and optimization of experimental set-ups. An experimental validation of laws linking damage parameters to NCWI observables is performed on a perforated aluminum plate. The nonlinear effects are caused by the contacts of the threads of a variable number of screws in the plate. NCWI allows the characterization and monitoring of different types of non-linearities: it perfectly answers the needs of Non Destructive Evaluation and Testing for early damage detection in complex materials.

Coda waves are extremely sensitive to small disturbances of the propagation medium and therefore offer abundant information related to material damages. Recently, a method that combines Nonlinear acoustics and Coda Wave Interferometry (NCWI) has been proposed and applied to several types of materials (glass, mortar and concrete). In this thesis, numerical models (for a homogeneous medium and a heterogeneous medium) are developed using the spectral element method to study the nonlinear acosutique effects highlighted by a pump wave of large amplitude and low frequency. Several parameters are related to the influence of the pump wave: the change of the elastic modulus and the quality factor within an area of Effective Damage Zone (EDZ), the surface of the EDZ, the presence or absence of cracks in the EDZ, the change of the crack lengths and their number. The aim of numerical modeling is to be able to simulate ultrasonic coda waves in a multi scattering medium with the presence of different types of non-linearities and to propose numerical models that are useful for the diagnosis and optimization of experimental set-ups. An experimental validation of laws linking damage parameters to NCWI observables is performed on a perforated aluminum plate. The nonlinear effects are caused by the contacts of the threads of a variable number of screws in the plate. NCWI allows the characterization and monitoring of different types of non-linearities: it perfectly answers the needs of Non Destructive Evaluation and Testing for early damage detection in complex materials.; Les signaux de coda issus de diffusion multiple sont extrêmement sensibles aux petites perturbations du milieu de propagation et permettent d'accéder à des informations sur l'endommagement des matériaux. Récemment, une méthode qui combine l'acoustique non linéaire et l'interférométrie de coda (NCWI: Nonlinear Coda Wave Interferometry) a été proposée et appliquée sur plusieurs types de matériaux (verre, mortier et béton). Dans cette thèse, des modèles numériques (pour des milieux homogènes et hétérogènes) sont développés avec la méthode des éléments spectraux pour relier les effets non linéaires observés par la NCWI à des propriétés de l'endommagement comme : le changement du module d'élasticité et du facteur de qualité au sein d'une zone d'endommagement effective (EDZ: Effective Damaged Zone), la surface de l'EDZ, la présence ou non de fissures dans l'EDZ, le changement de la longueur des fissures et leur nombre. L'objectif est de pouvoir simuler les codas hautes fréquences dans un milieu multi-diffusant en présence de différents types de non-linéarité et de proposer des modèles utiles pour le diagnostic et l'optimisation de dispositifs expérimentaux. Une validation expérimentale des lois reliant les paramètres de l'endommagement aux observables NCWI est effectuée sur une plaque d'aluminium percée. Les effets non linéaires sont causés par les contacts des filets d'un nombre variable de vis dans la plaque. NCWI permet la caractérisation et le suivi de non-linéarité, elle répond parfaitement aux besoins d'Évaluation et Contrôle Non Destructifs pour les endommagements précoces dans les matériaux complexes.

Coda waves are extremely sensitive to small disturbances of the propagation medium and therefore offer abundant information related to material damages. Recently, a method that combines Nonlinear acoustics and Coda Wave Interferometry (NCWI) has been proposed and applied to several types of materials (glass, mortar and concrete). In this thesis, numerical models (for a homogeneous medium and a heterogeneous medium) are developed using the spectral element method to study the nonlinear acosutique effects highlighted by a pump wave of large amplitude and low frequency. Several parameters are related to the influence of the pump wave: the change of the elastic modulus and the quality factor within an area of Effective Damage Zone (EDZ), the surface of the EDZ, the presence or absence of cracks in the EDZ, the change of the crack lengths and their number. The aim of numerical modeling is to be able to simulate ultrasonic coda waves in a multi scattering medium with the presence of different types of non-linearities and to propose numerical models that are useful for the diagnosis and optimization of experimental set-ups. An experimental validation of laws linking damage parameters to NCWI observables is performed on a perforated aluminum plate. The nonlinear effects are caused by the contacts of the threads of a variable number of screws in the plate. NCWI allows the characterization and monitoring of different types of non-linearities: it perfectly answers the needs of Non Destructive Evaluation and Testing for early damage detection in complex materials., Les signaux de coda issus de diffusion multiple sont extrêmement sensibles aux petites perturbations du milieu de propagation et permettent d'accéder à des informations sur l'endommagement des matériaux. Récemment, une méthode qui combine l'acoustique non linéaire et l'interférométrie de coda (NCWI: Nonlinear Coda Wave Interferometry) a été proposée et appliquée sur plusieurs types de matériaux (verre, mortier et béton). Dans cette thèse, des modèles numériques (pour des milieux homogènes et hétérogènes) sont développés avec la méthode des éléments spectraux pour relier les effets non linéaires observés par la NCWI à des propriétés de l'endommagement comme : le changement du module d'élasticité et du facteur de qualité au sein d'une zone d'endommagement effective (EDZ: Effective Damaged Zone), la surface de l'EDZ, la présence ou non de fissures dans l'EDZ, le changement de la longueur des fissures et leur nombre. L'objectif est de pouvoir simuler les codas hautes fréquences dans un milieu multi-diffusant en présence de différents types de non-linéarité et de proposer des modèles utiles pour le diagnostic et l'optimisation de dispositifs expérimentaux. Une validation expérimentale des lois reliant les paramètres de l'endommagement aux observables NCWI est effectuée sur une plaque d'aluminium percée. Les effets non linéaires sont causés par les contacts des filets d'un nombre variable de vis dans la plaque. NCWI permet la caractérisation et le suivi de non-linéarité, elle répond parfaitement aux besoins d'Évaluation et Contrôle Non Destructifs pour les endommagements précoces dans les matériaux complexes.

The numerical studies conducted in this paper are based on our previous research (Chen et al., 2017); through use of the spectral element method, parametric sensitivity studies of Nonlinear Coda Wave Interferometry (NCWI) are established here and divided into two parts. In the first part, CWI observables are found to be proportional to the product of the changes in elastic modulus within the Effective Damaged Zone (EDZ) and the EDZ surface area. The modifications to intrinsic properties are quantified via an overall wave velocity variation, as probed by a reverberated coda wave. However, for high-level changes, CWI may fail due to meaningless decorrelation values. In this context, parametric studies are conducted to yield a maximum range for EDZ contrast and area. To further validate these observations using a more realistic numerical model, instead of introducing a homogeneous EDZ model, the second part of this paper adds random cracks with random orientations into the EDZ of a material sample. The influence of a strong pump wave on localized nonlinear damage is reestablished; results show that the cracks added into the EDZ reduce the property changes required to match the previous experimental dataset.

International audience; Electromechanical resonant de-icing systems provide a low-energy solution against ice accumulation on aircraft. Recent researches show a growing interest towards these systems in the context of more electrical aircraft. Electrome-chanical de-icing systems consists in electric actuators producing stress within the ice, through micro-vibrations of the surface to be protected, leading to bulk or adhesive failure and, ultimately, ice shedding. The understanding of the mechanisms at play is of prime importance in order to design efficient ice protection systems. Despite a large number of studies in the literature, there is still a lack when dealing with fracture propagation phenomena in this context. In this work the authors propose a model based on the well established phase-field variational approach to fracture. The approach is applied to the study of crack propagation and debonding of ice under the effect of an electromechanical resonant de-icing system. Numerical experiments are performed in order to assess possible ice shedding mechanisms.

Sediment accumulation on the invert of sewer channels has been recognized as one of the important sources of problems for the management of sewer networks.In the two most recent decades, flushing has been put forward as one of the most common methods of sewer cleaning, to limit sediment accumulation especially in large trunk sewers.Sewer sediment transport processes are not fully understood yet, due to numerous unknown variables and difficult measuring conditions. The current research aimed firstly to setup a field experimental campaign to obtain high-quality data. This data allowed understanding of the processes associated with flushing operation in sewers. In addition, this study aimed to model the flushing processes properly in order to set-up an adequate and practical numerical tool able to predict sediment removal of flushing in the sewer network of Paris. To this purpose, two models were used: (i) a simple model for uniform sediment transport, which is the most common used approach; and (ii) a more complex model for non-uniform sediment transport of mixtures. A comparative analysis was carried out to highlight advantages and drawbacks of either. Overall, the results pointed out that the numerical modelling is able to reproduce faithfully hydrodynamics and sediment transport during flushing operations. In fact, both models enabled evaluation of flush behaviour and associated sediment transport. However, despite its higher complexity and computational burden, the latter model provides better insight into the prediction of the removal effectiveness of flushes., L’accumulation de sédiments sur le fond des égouts à faible pente est une contrainte au bon fonctionnement hydraulique et à la gestion des réseaux d’assainissement unitaire. Le recours à la chasse hydraulique est alors une pratique envisagée par les gestionnaires de réseau pour le nettoyage des canaux souterrains.Les processus de transport sédimentaire dans les réseaux d’assainissement unitaire est rendu complexe en raison du jeu de nombreux phénomènes tels que la variabilité de l’étendue granulométrique des sédiments et la cohésion.La thèse présente les résultats expérimentaux et numériques obtenus avant et après une chasse hydraulique réalisée dans le réseau unitaire parisien.Une campagne de mesures a permis d’acquérir des données hydro-sédimentaires à haute résolution, permettant de caractériser et quantifier les processus d’érosion, de transport et de sédimentation agissant sous l’effet de la chasse hydraulique, du reste performante dans le nettoyage du réseau étudié.Deux modèles de transport sédimentaire comportant un modèle simple en condition de transport uniforme, et un modèle plus complexe impliquant le transport non-uniforme ont été développés afin de mettre en place un outil prédictif des mouvements des particules solides pendant le phénomène de chasse. Les deux modèles ont été capables d’évaluer à différents niveaux de précision l’efficacité de la chasse hydraulique en termes de transport sédimentaire. La comparaison des résultats issus des deux modèles permet de déterminer les avantages et les contraintes de chacun, révélant ainsi l’importance de prendre en compte l’hétérogénéité texturale des dépôts dans l’analyse de l’érosion, du transport et de la sédimentation des particules solides sous l’effet des chasses hydrauliques. De plus, une analyse de sensibilité de la gamme d’application de certains paramètres d’entrée du modèle de transport non-uniforme des sédiments a été réalisée. Les résultats ont confirmé le bon fonctionnement du modèle.

Sediment accumulation on the invert of sewer channels has been recognized as one of the important sources of problems for the management of sewer networks.In the two most recent decades, flushing has been put forward as one of the most common methods of sewer cleaning, to limit sediment accumulation especially in large trunk sewers.Sewer sediment transport processes are not fully understood yet, due to numerous unknown variables and difficult measuring conditions. The current research aimed firstly to setup a field experimental campaign to obtain high-quality data. This data allowed understanding of the processes associated with flushing operation in sewers. In addition, this study aimed to model the flushing processes properly in order to set-up an adequate and practical numerical tool able to predict sediment removal of flushing in the sewer network of Paris. To this purpose, two models were used: (i) a simple model for uniform sediment transport, which is the most common used approach; and (ii) a more complex model for non-uniform sediment transport of mixtures. A comparative analysis was carried out to highlight advantages and drawbacks of either. Overall, the results pointed out that the numerical modelling is able to reproduce faithfully hydrodynamics and sediment transport during flushing operations. In fact, both models enabled evaluation of flush behaviour and associated sediment transport. However, despite its higher complexity and computational burden, the latter model provides better insight into the prediction of the removal effectiveness of flushes., L’accumulation de sédiments sur le fond des égouts à faible pente est une contrainte au bon fonctionnement hydraulique et à la gestion des réseaux d’assainissement unitaire. Le recours à la chasse hydraulique est alors une pratique envisagée par les gestionnaires de réseau pour le nettoyage des canaux souterrains.Les processus de transport sédimentaire dans les réseaux d’assainissement unitaire est rendu complexe en raison du jeu de nombreux phénomènes tels que la variabilité de l’étendue granulométrique des sédiments et la cohésion.La thèse présente les résultats expérimentaux et numériques obtenus avant et après une chasse hydraulique réalisée dans le réseau unitaire parisien.Une campagne de mesures a permis d’acquérir des données hydro-sédimentaires à haute résolution, permettant de caractériser et quantifier les processus d’érosion, de transport et de sédimentation agissant sous l’effet de la chasse hydraulique, du reste performante dans le nettoyage du réseau étudié.Deux modèles de transport sédimentaire comportant un modèle simple en condition de transport uniforme, et un modèle plus complexe impliquant le transport non-uniforme ont été développés afin de mettre en place un outil prédictif des mouvements des particules solides pendant le phénomène de chasse. Les deux modèles ont été capables d’évaluer à différents niveaux de précision l’efficacité de la chasse hydraulique en termes de transport sédimentaire. La comparaison des résultats issus des deux modèles permet de déterminer les avantages et les contraintes de chacun, révélant ainsi l’importance de prendre en compte l’hétérogénéité texturale des dépôts dans l’analyse de l’érosion, du transport et de la sédimentation des particules solides sous l’effet des chasses hydrauliques. De plus, une analyse de sensibilité de la gamme d’application de certains paramètres d’entrée du modèle de transport non-uniforme des sédiments a été réalisée. Les résultats ont confirmé le bon fonctionnement du modèle.

JNGG 2018, Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l'Ingénieur, CHAMPS SUR MARNE, FRANCE, 13-/06/2018 - 15/06/2018; Since 2015, a consortium comprising six complementary partners has been formed within the project ANR SSHEAR ('Soils, Structures and Hydraulics: Expertise and Applied Research') on the understanding and control of scour phenomena. After a presentation of the project, a first assessment of the achieved results is proposed: experimental developments; numerical modelling; feedback in the field.; Depuis 2015, le projet ANR SSHEAR (« Sols, Structures et Hydraulique : Expertise et Recherche Appliquée ») met en synergie les compétences de 6 partenaires pour avancer sur la compréhension et la maîtrise des risques d'affouillement. Après une présentation du projet, un premier bilan des résultats obtenus est proposé : développements expérimentaux, modélisation numérique, observations de terrain.

JNGG 2018, Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l'Ingénieur, Champs-sur-Marne, FRANCE, 13-/06/2018 - 15/06/2018; Since 2015, a consortium comprising six complementary partners has been formed within the project ANR SSHEAR ('Soils, Structures and Hydraulics: Expertise and Applied Research') on the understanding and control of scour phenomena. After a presentation of the project, a first assessment of the achieved results is proposed: experimental developments; numerical modelling; feedback in the field.; Depuis 2015, le projet ANR SSHEAR (« Sols, Structures et Hydraulique : Expertise et Recherche Appliquée ») met en synergie les compétences de 6 partenaires pour avancer sur la compréhension et la maîtrise des risques d'affouillement. Après une présentation du projet, un premier bilan des résultats obtenus est proposé : développements expérimentaux, modélisation numérique, observations de terrain.

ICSMGE 2017, 19th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, SEOUL, COREE, REPUBLIQUE DE, 17-/09/2017 - 22/09/2017; The scouring process represents a significant contributing factor in the destabilising and destruction of civil structures (bridges, earth embankments and buildings) during major flood events, yet our understanding of the mechanisms involved remains highly empirical. These erosion phenomena are especially complex and involve many disciplines like soil mechanics, fluid mechanics or structural mechanics... To overcome this reliance on empiricism, while building general knowledge and proposing optimised methods aimed at diagnostics, advanced warning procedures and infrastructure management, a consortium comprising six complementary Partners has been formed within the project SSHEAR ('Soils, Structures and Hydraulics: Expertise and Applied Research') financially supported by the French National Research Agency (ANR). In this paper, after a presentation of the project, a first assessment of the results achieved since the project started in 2015 is proposed: experimental developments; numerical modelling; feedback in the field.; Les processus d'affouillement sont une cause importante de destruction des constructions (ouvrages d'art, ouvrages en terre et bâtiments) notamment lors des crues majeures. La prise en compte de ces phénomènes d'érosion reste trop empirique, notamment parce qu'ils sont particulièrement complexes et font intervenir de nombreux champs disciplinaires : mécanique des sols, des fluides, des structures. Dans la perspective de dépasser cet empirisme, d'avancer sur l'amélioration des connaissances et finalement d'améliorer les méthodes de diagnostic, d'alerte et de gestion, le projet SSHEAR (« Sols, Structures et Hydraulique : Expertise et Recherche Appliquée ») met en synergie les compétences de 6 partenaires avec le soutien de l'ANR (« Agence Nationale de la Recherche »). Dans cette communication, après une présentation du projet, un premier bilan des résultats obtenus depuis le démarrage en 2015 est proposé : développements expérimentaux, modélisation numérique, observations de terrain.

32ème Arborencontre: Les plantations permettant de gérer les eaux pluviales et réguler la température en ville, MONTÉVRAIN, FRANCE, 13-/06/2017 - 13/06/2017; L'urbanisation croissante impacte les bilans d'eau et d'énergie et conduisant aux crues urbaines plus intenses et plus fréquentes et à l'effet d'îlot de chaleur urbain. Ces deux bilans sont liés par le processus d'évapotranspiration.Les arbres constituent une solution intéressante pour limiter ces effets de l'urbanisation : par effet d'ombrage, ils peuvent limiter l'augmentation de la température de l'air dans les basses couches et dans les habitations et par un fort potentiel d'évapotranspiration et donc de consommation en eau, ils peuvent limiter l'apparition des crues tout en rafraîchissant là encore l'air environnant.Des résultats des projets VegDUD et MUSCADE sont présentés où l'impact des arbres sur ces problématiques a été étudié.

In this paper, the spectral element method is used to perform a parametric sensitivity study of the nonlinear coda wave interferometry (NCWI) method in a homogeneous or heterogeneous sample with localized damage. The influence of a strong pump wave on localized nonlinear damage is modeled as modifications to the elastic properties of an effective damage zone (EDZ), depending on the pump wave amplitude. These modifications are quantified with coda wave interferometry through an overall wave velocity variation probed by a reverberated or multiple scattered coda wave. Results demonstrate that the NCWI observables are independent of the source/receiver positions. Also, relations between the EDZ parameters and method observables are established, e.g. the relative velocity variation is found to be proportional to the product of the change in elastic modulus and the EDZ area. The numerical results reported constitute another step towards quantification and forecasting of the nonlinear acoustic response of a cracked material, which proves to be necessary for a quantitative non-destructive evaluation. Furthermore, it is shown numerically that NCWI sensitivity and applicability are similar for the cases of reverberated waves in a cavity and multiply scattered waves in a heterogeneous medium.

The use of helical anchors has been increasing in recent years; however, the current understanding of its behaviour does not allow for reliable estimates of uplift capacity and load-displacement response. The need for improvement of the design methods has motivated the present study, which investigates the effect of installation on the helical anchor response in very dense sand. This work is divided into three parts. The first part describes the results of centrifuge model tests and microtomographic analysis performed to examine the uplift response of a single-helix anchor and the soil disturbance caused by the installation process. The aim of these tests was to define appropriate hypotheses for the numerical prediction of helical anchor performance. In the second part, the load-displacement curve of a tested helical anchor was numerically simulated with the finite difference software FLAC3D, considering the installation effect observed experimentally. In the third part of the paper, the adjusted numerical model was used in a parametric analysis to provide some guidelines for the design of helical anchors in dense sand. Additionally, from the results of the numerical investigation and experimental observations, two different approaches are presented for improving the accuracy of analytical predictions of helical anchor capacity. Both suggested methods showed good agreement with centrifuge and field testing data; L'utilisation d'ancrages hélicoïdaux a augmenté ces dernières années; cependant, la compréhension actuelle de son comportement ne permet pas d'estimer de façon fiable la capacité de soulèvement et la réponse au déplacement de la charge. La nécessité d'améliorer les méthodes de conception a motivé la présente étude, qui étudie l'effet de l'installation sur la réponse de l'ancrage hélicoïdal dans le sable très dense. Ce travail est divisé en trois parties. La première partie décrit les résultats des tests du modèle de centrifugeuse et de l'analyse micro tomographique effectuée pour examiner la réponse au soulèvement d'un ancrage à simple hélice et la perturbation du sol causée par le processus d'installation. Le but de ces tests était de définir des hypothèses appropriées pour la prédiction numérique de la performance de l'ancrage hélicoïdal. Dans la seconde partie, la courbe charge-déplacement d'un ancrage hélicoïdal testé a été simulé numériquement avec le logiciel de différences finies FLAC3D, en considérant l'effet d'installation observé expérimentalement. Dans la troisième partie de l'article, le modèle numérique ajusté a été utilisé dans une analyse paramétrique pour fournir quelques lignes directrices pour la conception des ancrages hélicoïdaux dans le sable dense. De plus, à partir des résultats de l'investigation numérique et des observations expérimentales, deux approches différentes sont présentées pour améliorer la précision des prédictions analytiques de la capacité d'ancrage hélicoïdal. Les deux méthodes suggérées ont montré un bon accord avec les données des centrifugeuses et des tests sur le terrain.

More and more pedestrians own devices (as a smartphone) that integrate a wide array of low-cost sensors (camera, IMU, magnetometer and GNSS receiver). GNSS is usually used for pedestrian localization in urban environment, but signal suffers of an inaccuracy of several meters. In order to have a more accurate localization and improve pedestrian navigation and urban mobility, we present a method for city-scale localization with a handheld device. Our central idea is to estimate the 3D location and 3D orientation of the phone camera based on the knowledge of the street furnitures, which have a high repeatability and a large coverage area in the city. Firstly, the use of inertial measurements acquired with an IMU in the vision based method allows to accelerate the calculation of the position and orientation. Secondly, the weighted fusion between the rotation matrices calculated with the vision and the inertial processes allows to give the more importance in the calculation with the highest confidence. With a good points selection, this provides a localization that is in the GNSS post-processed measurement precision use for determining the position and the orientation of the street furnitures. Performances are presented in terms of accuracy of positionning. The final aim is to have with our method a precision good enough to be able to propose in future works a on site display in augmented reality.

International audience; This article deals with a methodology to establish a relationship between the water level in the recovery tank of a pumping station and the discharge through the overflow pipe. Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to take into account all operating conditions of the system for a range of diameter from 200 to 600 mm. Relationships linking the water level and the discharge trough the orifice are adjusted for free flow, submerged flow and pressurized flow. A detailed methodology is also proposed to couple the orifice laws with the flow in the overflow pipe, particularly to take into account the water level in the receiving water when the water level upstream to the orifice is not enough to evaluate the flowrate. Then, the methodology is applied to two examples of pumping stations. Finally, the water level(s)/ discharge relationships can be implemented in a sensor transmitter or interpolate for postprocessing.; Cet article décrit une méthode de calcul permettant d’établir la relation entre la hauteur d’eau audessus du radier d’une conduite de trop-plein de station de pompage et le débit déversé. La modélisation numérique 3D a été utilisée afin d’étudier l’ensemble des modes de fonctionnement du système pour une gamme de diamètres d’orifice allant de 200 à 600 mm. Des lois génériques sont ainsi proposées pour chacun des fonctionnements possibles de l’orifice (noyé, dénoyé, en charge). Une méthodologie détaillée est également exposée pour permettre le couplage de ces lois avec l’écoulement dans la canalisation de décharge et, en particulier, la prise en compte du niveau d’eau dans le milieu naturel lorsque la hauteur d’eau dans la bâche ne suffit pas à elle seule à évaluer le débit. Pour finir, la méthodologie est appliquée sur deux exemples de stations de pompage. Les tables hauteur(s)/débit construites peuvent ensuite être implémentées dans des transmetteurs ou interpolées pour du posttraitement.

The diagnosis of structures and the evaluation of their residual timelife is an important issue for civil engineering. The first concrete layer, the cover concrete, which protects the reinforcing steel from corrosion, is particularly subject to damage. Among the non-destructive testing methods, the study of mechanical waves has a high potential for determining the mechanical properties of the material. Determining the mechanical characteristics of the first centimeters of concrete is complex because the investigation depth is about the size of the heterogeneities (aggregates). The surface waves velocity dispersion has three origins: the multiple scattering, the wall effect and the variation of mechanical properties in the matrix. A methodology, combining an experimental and a numerical approach is proposed to describe the wave propagation through a medium whose mechanical properties vary with depth containing a free surface and circular inclusions and with a size comparable to wavelengths randomly distributed. Then a semi-analytical model taking into account the variation of the mechanical properties of the matrix, the multiple scattering as well as the wall effect is proposed and implemented in a global inversion algorithm. Finally, an experimental application to monitor the water content in concrete is presented. The numerical and experimental results open interesting perspectives on monitoring the mechanical properties of heterogeneous materials over time with surface waves., Le diagnostic des structures et l'évaluation de leur durée de vie est une problématique importante pour le génie civil. La première couche de béton, appelée béton d'enrobage, qui protège les armatures d'acier de la corrosion, est particulièrement soumise aux dégradations. Parmi les méthodes de contrôle non destructif, les ondes mécaniques ont un fort potentiel pour déterminer les propriétés mécaniques des matériaux. Or la détermination des caractéristiques mécaniques des premiers centimètres de béton est complexe car la profondeur d'investigation souhaitée est de l'ordre de grandeur des hétérogénéités (les granulats). La dispersion de la vitesse des ondes de surface a trois origines : la diffusion multiple, l'effet de paroi et la variation des propriétés mécaniques de la matrice. Une méthodologie, combinant une approche expérimentale et numérique, est proposée pour décrire la propagation des ondes de surface à travers un milieu dont les propriétés mécaniques varient en fonction de la profondeur contenant une surface libre et des inclusions circulaires et avec une taille comparable aux longueurs d'onde, distribuées aléatoirement. Puis un modèle semi-analytique prenant en compte la variation des propriétés mécaniques de la matrice, la diffusion multiple ainsi que l'effet de bord est proposé et implémenté dans un algorithme d'inversion global. Enfin, une application expérimentale sur le suivi de la teneur en eau dans le béton est présentée. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus ouvrent des perspectives intéressantes sur le suivi des propriétés mécaniques des matériaux très hétérogènes au cours du temps.

Suspensions involving nanoparticles such as nanofibers and nanotubesare widely used today in the development of functional materials.In order to optimize the usage of these materials and theirmanufacturing processes, a fine knowledge of the microstructure’sevolution in a flow is required. Thus, the study of such suspensionsis divided into two main categories: the dilute regime where theconcentration is low enough to describe each particle independentlyfrom its neighbors and the concentrated regime where the interactionbetween particles can no longer be neglected, nor the formationof aggregates (or clusters). The first type of suspensions is wellknown and treatable; the second one remains difficult to study. Fora more precise and fine description of the physics at the microscopicscale, a solution consists in performing a Direct numerical simulation(or DNS). DNS is based on the computation, in a representativevolume, of the motion of several hundreds of fibers and their interactions.It is a step by step process which derives kinematics as wellas macroscopic properties, while taking into account the forces appliedon each fiber at the microscopic scale. Thus the suspensionsare considered along with interaction forces acting on each fiber anda statistical description is built (number of interactions, magnitude offorces, elastic energy...). During the thesis an extensive 3D simulationcode based on DNS has been developed. It takes into accountthe kinematics of the concentrated fiber suspensions as well as theinteraction forces involved. Another more simple way to simulate concentratedfiber suspensions in a given flow is to use kinetic theoryapproaches. The kinetic theory incorporates a statistical orientationdistribution function, which represents the probability of having a particlein a given physical space, having a certain orientation, at a giventime. The simplicity of this theory is that it ignores the individuality ofthe entities (particles, fibers, nanotubes, ...), by introducing a probabilityfunction that acts on the mesoscopic scale. Thus, when theconcentration of the fibers is high enough, a cluster of fibers can beconsidered and the rheological properties can then be calculated.; Les suspensions de nanoparticules - en particulier nanofibres et nanotubes- sont de plus en plus utilisées dans le cadre du développementde matériaux fonctionnels. Afin d’optimiser l’utilisation de cesmatériaux et leurs procédés de fabrication, une connaissance fine dela microstructure et de son évolution lors d’un écoulement est primordiale.Pour cela, l’étude des suspensions se divise en deux axes derecherche : le régime dilué où la concentration est faible et chaqueparticule peut être décrite seule, et le régime concentré où l’on nepeut plus négliger l’interaction entre les particules, ni la formationd’agrégats. Le premier type de suspensions est bien connu ; le secondreste encore problématique. Pour une description plus précisede la physique fine qui agit à l’échelle microscopique, des modèlesbasés sur la Simulation Numérique Directe (ou DNS) sont développés.Une DNS est basée sur le calcul dans un volume représentatif,du mouvement d’une centaine de fibres (particules) et de leurs interactions,à l’échelle microscopique lorsqu’un écoulement de cisaillementsimple est appliqué. Ainsi les suspensions sont considéréesavec des interactions entre les fibres et l’évolution statistique d’unepopulation de fibres (forces d’interaction et le nombre de contactsentre les fibres) est décrite. Un code de calcul intensif 3D basé surla DNS a été développé. Ce code calcule la cinématique associéeaux suspensions de fibres concentrées (contenues dans un volumeélémentaire) et prend en compte les forces d’interactions présentesà chaque pas de temps. Il existe une autre approche plus simplifiéeà l’échelle mésoscospique pour traiter le régime concentré : la théoriecinétique. Cela est possible grâce à une fonction de densité deprobabilité qui représente la probabilité de trouver une particule avecune orientation à un temps donné, dans l’espace. Lorsque la concentrationdu système devient très élevée, on considère un agrégat defibre (au lieu de considérer une fibre, on suit l’évolution d’un agrégatcomposé de fibres enchevêtrées).

National audience

Un verrou technologique des missions spatiales de longue durée utilisant une propulsion cryogéniqueest l’auto-pressurisation des réservoirs d’ergols, soumis au rayonnement solaire direct ou à des entréesthermiques. Cette auto-pressurisation doit être contrôlée pour assurer la pérennité de la mission, touten minimisant la perte d’ergols associée au contrôle. La méthode Thermodynamic Venting System(TVS) prélève une fraction liquide dans le réservoir, la refroidit dans un échangeur de chaleur puisla réinjecte dans le réservoir sous forme d’un spray sous-refroidi. Sous l’effet de l’injection, lavapeur condense, le bain liquide se déstratifie et la pression baisse. Le dispositif est étudié, à find’optimisation, à la fois expérimentalement sur un banc réalisé en utilisant un fluide de similitude(Novec 1230) et numériquement grâce à un solveur combinant compressibilité artificielle, méthodeVOF pour le suivi d’interface et prise en compte du transfert de masse à l’interface liquide / vapeurvia un bilan thermique., A technological barrier for long duration space missions using cryogenic propulsion is the controlof propellant tank self-pressurization. Since the liquid propellant submitted to solar fluxes tends tovaporize, the pressure rise must be controlled to prevent mission failure. The Thermodynamic VentSystem (TVS) control strategy pumps some liquid propellant from the tank, cools it down through aheat exchanger and re-injects it as a sub-cooled spray inside the tank. The tank pressure drops due tovapor condensation and liquid bath destratification. The TVS strategy is studied both experimentallyusing an on-ground set up that works with a surrogate fluid (Novec1230 by 3M) and numericallywith a solver combining artificial compressibility, a VOF approach for interface tracking and a sharpinterface phase change model.

Cette thèse porte sur une nouvelle approche pour le contrôle d’écoulement aérodynamique. Cette nouvelle approche est basée sur l’utilisation d’actionneurs plasma. La modélisation numérique peut être une outil puissante entre les mains des scientifiques et des ingénieurs pour comprendre, optimiser et ainsi ouvrir la voie à la commercialisation et l’application de cette technologie. Le couplage entre l’électromagnétisme, le plasma et l’écoulement, nécessite des modèles et des techniques numériques avancées. Le travail présenté dans cette thèse, a pour principaux objectifs : le développement et la validation de méthodes numériques pour simuler efficacement le fonctionnement de certains des plus importants types d’actionneurs plasma. Nous nous sommes intéressés à trois types d’actionneurs plasma : les décharges micro-ondes, la décharge à barrière diélectrique (DBD) et le jet synthétique plasma (JSP). En ce qui concerne les décharges microondes, les objectifs sont plus fondamentaux que pour les autres types d’actionneurs. Il s’est agit de mieux comprendre la création du plasma, son évolution et de calculer l’efficacité énergétique de dispositifs microondes par la simulation numérique. Un schéma couplé implicite (ADI) - FDTD avec un modèle de plasma fluide simplifié est présenté. Cette formulation conserve la simplicité et la robustesse des systèmes de FDTD, tout en dépassant la barrière du critère de stabilité CFL. Elle conduit à un temps de calcul réduit et la possibilité de réaliser des simulations tridimensionnelles de la formation du plasma et de l’évolution d’un plasma dans un champ micro-ondes. Afin d’étudier l’énergie absorbée par le plasma et le transfert vers le gaz sous forme de chaleur ainsi que le changement consécutif de la densité du gaz, un solveur Euler a été couplé avec le modèle EM-plasma en tenant compte des effets de gaz réel. Diverses validations et applications sont ensuite étudiés. Des simulations tridimensionnelles de formation du plasma sont réalisée qui montrent la formation de structures dans une décharge micro-ondes librement localisée. Les effets de chauffage de gaz sur le développement d’un "streamer" et la durée d’un volume pré-ionisé avec des champs sous-critiques sont également calculés. En ce qui concerne les deux autres groupes d’actionneurs, les objectifs de cette thèse se concentrent sur la modélisation de leur fonctionnement et sur la production d’écoulement qui en résulte. Le Jet Synthétique Plasma a été numériquement étudié par trois modèles couplés. Les résultats obtenus sont prometteurs pour l’optimisation du JSP et une meilleure compréhension des mécanismes qui limitent ses performances. L’actionneur DBD a été modélisée en utilisant deux solveurs différents basés sur des modèles physiques similaires - celui développé à l’ONERA et l’autre à LAPLACE. Des études paramétriques ont montré que les modèles donnent une estimation assez précise de la force produite par le DBD par rapport à des mesures expérimentales. Des applications aérodynamiques de contrôle d’écoulement ont démontré les effets possibles de ces actionneurs pour la transition laminaire - turbulente et l’amélioration de la portance. Ces travaux ouvrent une perspective nouvelle dans la conception et l’optimisation de ces actionneurs. As aerodynamic flow control still remains one of the top subjects of research in the aerospace scientific world, new ways to perform such a control are being constantly studied. Microwave plasma discharges have been proposed as a mean of a non-intrusive flow control method based on the creation of hot spots of air (via the creation of plasma discharges) which can eventually interact with the external flow and modify its attributes in a beneficial way to the aerodynamic coefficients of the body of interest. Moreover, other types of plasma actuators, based on the momentum addition in the flow instead of heat, have been proven capable of positively modifying the flow aerodynamic features. Nevertheless, the development and optimization of such actuators, require further understanding of the basic multi-scale physics involved. Experiments can provide such information, but they turn to be costly and incapable of capturing the complex interactions in small space and time scales. In this thesis, we are interested in the numerical modeling of plasma flow control actuators, in order to understand deeper their nature and applicability. Firstly, we present the theory behind aerodynamic flow control and plasma physics along with a literature review of the plasma actuators’ physics, applicability and effects. Then, numerical simulations performed using adapted techniques for each different actuator, reveal interesting features of their physics and complex nature, on the way to a deeper understanding and possible optimization of their performance in aerodynamic flow control applications. Three types of plasma actuators are considered: Microwave Plasma Discharges (MPD), the Dielectric Barrier Discharge (DBD) and the Plasma Synthetic Jet (PSJ). Concerning microwave discharges, the objectives are more fundamental than the other types of actuators. Numerical simulations can provide the basic information on the physics and complex interaction between the EM waves the plasma and the gas, in order to understand the plasma creation, evolution and energy balance. Flow control applications of such discharges, as an energy deposition method, have been already quite well documented in the literature. In order to reduce the computational cost, a novel implicit coupling of the Maxwell equations with the momentum transfer equation for electrons has been developed which with the addition of a simplified model of plasma-fluid equations have enabled three-dimensional simulations in time domain. The microwave breakdown and evolution of the plasma due to the electromagnetic waves has been studied numerically, in order to quantify the energy absorbed by the plasma and transferred to neutral molecules as gas heating. Coupling of the EM-plasma model with an Euler based solver accounting for real gas effects, have revealed interesting features of the complex interaction between the plasma itself and the pressure shock waves formed due to the intense gas heating during the plasma breakdown and evolution. Concerning the two other groups of actuators, the goals of this thesis is more applied as we are interested mostly on modeling their operation and consequent momentum production. For the PSJ actuator, the numerical solver consists of three coupled numerical models: One describing the plasma formation between both electrodes in an axisymmetrical configuration, one describing the electrical supply by an external generator, and a last one that focuses on the air’s heating in the cylindrical cavity where the plasma is formed, and the actual operation of the actuator. It uses the energy distribution computed by the first sub-model as source term and calculates the jet’s flow mass rate, momentum and energy, exiting the cavity at high speeds. An external CFD solver is used to integrate the calculated momentum source term into a global model of a flat plate flow, taking into account turbulent effects. Lastly, the DBD actuator model, developed in DTIM/ONERA, Toulouse, consists of solving the momentum equations for a set of simplified species and the Poisson’s equation. The calculated body force produced by the DBD actuator is being compared with experimental results and the induced wall-jet flow due to this force is modeled in a CFD solver. A similar model developed in LAPLACE/UPS has been used to perform parametric studies on the influence of turbulence - studying different turbulent models in a RANS approach - as well as more applied simulations for flow control purposes, including laminar-turbulent transition over a flat plate and lift coefficient modification on an airfoil due to a leading edge DBD actuator. These studies offer new perspectives in the understanding and the optimization of plasma actuators for flow control purposes.

Le projet avait pour principal objectif de contribuer au déploiement de systèmes d'instrumentation intégrée permettant une surveillance en continu et en temps réel des rejets des réseaux d'assainissement au milieu naturel. L'instrumentation intégrée signifiait ici la prise en compte de la chaîne métrologique complète, de la qualification d'un site de mesure et du choix d'une méthode au calcul d'incertitudes et à la valorisation des données, du choix des capteurs à leur implantation. La mise en synergie de recherches en mécanique des fluides numérique et de travaux expérimentaux a permis de : proposer des méthodes de mesure du débit dans un écoulement canalisé et de détermination du débit déversé au niveau des postes de refoulement ; développer une méthodologie d'évaluation des débits conserÎs et déversés au niveau des déversoirs d'orage ; montrer sur des exemples comment, pour un site donné, des recommandations peuvent être formulées pour la mise en place d'une instrumentation intégrée au niveau des déversoirs d'orage ; préciser l'influence d'une singularité (coude ou confluence) sur l'écoulement en aval et ses répercussions sur le positionnement d'un débitmètre à l'aval d'une telle singularité.

As aerodynamic flow control still remains one of the top subjects of research in the aerospace scientific world, new ways to perform such a control are being constantly studied. Microwave plasma discharges have been proposed as a mean of a non-intrusive flow control method based on the creation of hot spots of air (via the creation of plasma discharges) which can eventually interact with the external flow and modify its attributes in a beneficial way to the aerodynamic coefficients of the body of interest. Moreover, other types of plasma actuators, based on the momentum addition in the flow instead of heat, have been proven capable of positively modifying the flow aerodynamic features. Nevertheless, the development and optimization of such actuators, require further understanding of the basic multi-scale physics involved. Experiments can provide such information, but they turn to be costly and incapable of capturing the complex interactions in small space and time scales. In this thesis, we are interested in the numerical modeling of plasma flow control actuators, in order to understand deeper their nature and applicability. Firstly, we present the theory behind aerodynamic flow control and plasma physics along with a literature review of the plasma actuators’ physics, applicability and effects. Then, numerical simulations performed using adapted techniques for each different actuator, reveal interesting features of their physics and complex nature, on the way to a deeper understanding and possible optimization of their performance in aerodynamic flow control applications. Three types of plasma actuators are considered: Microwave Plasma Discharges (MPD), the Dielectric Barrier Discharge (DBD) and the Plasma Synthetic Jet (PSJ). Concerning microwave discharges, the objectives are more fundamental than the other types of actuators. Numerical simulations can provide the basic information on the physics and complex interaction between the EM waves the plasma and the gas, in order to understand the plasma creation, evolution and energy balance. Flow control applications of such discharges, as an energy deposition method, have been already quite well documented in the literature. In order to reduce the computational cost, a novel implicit coupling of the Maxwell equations with the momentum transfer equation for electrons has been developed which with the addition of a simplified model of plasma-fluid equations have enabled three-dimensional simulations in time domain. The microwave breakdown and evolution of the plasma due to the electromagnetic waves has been studied numerically, in order to quantify the energy absorbed by the plasma and transferred to neutral molecules as gas heating. Coupling of the EM-plasma model with an Eulerbased solver accounting for real gas effects, have revealed interesting features of the complex interaction between the plasma itself and the pressure shock waves formed due to the intense gas heating during the plasma breakdown and evolution. Concerning the two other groups of actuators, the goals of this thesis is more applied as we are interested mostly on modeling their operation and consequent momentum production. For the PSJ actuator, the numerical solver consists of three coupled numerical models: One describing theplasma formation between both electrodes in an axisymmetrical configuration, one describing the electrical supply by an external generator, and a last one that focuses on the air’s heating in the cylindrical cavity where the plasma is formed, and the actual operation of the actuator. It uses the energy distribution computed by the first sub-model as source term and calculates the jet’s flow mass rate, momentum and energy, exiting the cavity at high speeds. An external CFD solver is used to integrate the calculated momentum source term into a global model of a flat plate flow, taking into account turbulent effects. Lastly, the DBD actuator model, developed in DTIM/ONERA, Toulouse, consists of solving the momentum equations for a set of simplified species and the Poisson’s equation. The calculated body force produced by the DBD actuator is being compared with experimental results and the induced wall-jet flow due to this force is modeled in a CFD solver. A similar model developed in LAPLACE/UPS has been used to perform parametric studies on the influence of turbulence - studying different turbulent models in a RANS approach - as well as moreapplied simulations for flow control purposes, including laminar-turbulent transition over a flat plate and lift coefficient modification on an airfoil due to a leading edge DBD actuator. These studies offer new perspectives in the understanding and the optimization of plasma actuators for flow control purposes., Cette thèse porte sur une nouvelle approche pour le contrôle d’écoulement aérodynamique. Cette nouvelle approche est basée sur l’utilisation d’actionneurs plasma. La modélisation numérique peut être une outil puissante entre les mains des scientifiques et des ingénieurs pour comprendre, optimiser et ainsi ouvrir la voie à la commercialisation et l’application de cette technologie. Le couplage entre l’électromagnétisme, le plasma et l’écoulement, nécessite des modèles et des techniques numériques avancées. Le travail présenté dans cette thèse, a pour principaux objectifs : le développement et la validation de méthodes numériques pour simuler efficacement le fonctionnement de certains des plus importants types d’actionneurs plasma. Nous nous sommes intéressés à trois types d’actionneurs plasma : les décharges micro-ondes, la décharge à barrière diélectrique (DBD) et le jet synthétique plasma (JSP).En ce qui concerne les décharges microondes, les objectifs sont plus fondamentaux que pour les autres types d’actionneurs. Il s’est agit de mieux comprendre la création du plasma, son évolution et de calculer l’efficacité énergétique de dispositifs microondes par la simulation numérique. Un schéma couplé implicite (ADI) - FDTD avec un modèle de plasma fluide simplifié est présenté. Cette formulation conserve la simplicité et la robustesse des systèmes de FDTD, tout en dépassant la barrière du critère de stabilité CFL. Elle conduit à un temps de calcul réduit et la possibilité de réaliser des simulations tridimensionnelles de la formation du plasma et de l’évolution d’un plasma dans un champ micro-ondes. Afin d’étudier l’énergie absorbée par le plasma et le transfert vers le gaz sous forme de chaleur ainsi que le changement consécutif de la densité du gaz, un solveur Euler a été couplé avec le modèle EM-plasma en tenant compte des effets de gaz réel. Diverses validations et applications sont ensuite étudiés. Des simulations tridimensionnelles de formation du plasma sont réalisée qui montrent la formation de structures dans une décharge micro-ondes librement localisée. Les effets de chauffage de gaz sur le développement d’un "streamer" et la durée d’un volume pré-ionisé avec des champs sous-critiques sont également calculés.En ce qui concerne les deux autres groupes d’actionneurs, les objectifs de cette thèse se concentrent sur la modélisation de leur fonctionnement et sur la production d’écoulement qui en résulte. Le Jet SynthétiquePlasma a été numériquement étudié par trois modèles couplés. Les résultats obtenus sont prometteurs pour l’optimisation du JSP et une meilleure compréhension des mécanismes qui limitent ses performances. L’actionneur DBD a été modélisée en utilisant deux solveurs différents basés sur des modèles physiques similaires - celui développé à l’ONERA et l’autre à LAPLACE. Des études paramétriques ont montré que les modèles donnent une estimation assez précise de la force produite par le DBD par rapport à des mesures expérimentales. Des applications aérodynamiques de contrôle d’écoulement ont démontré les effets possibles de ces actionneurs pour la transition laminaire - turbulente et l’amélioration de la portance. Ces travaux ouvrent une perspective nouvelle dans la conception et l’optimisation de ces actionneurs.

ICUC: 8th International Conference on Urban Climates, DUBLIN, IRLANDE, 06-/08/2012 - 12/08/2012; In cities, the increase of artificial surfaces to the detriment of natural areas deteriorates the environmental quality and energy consumption. The VegDUD project is an interdisciplinary assessment of vegetal technics projected in the future dense city with a focus on climatology, hydrology, energy and ambiences. It aims at increasing the necessary knowledge to orientate urban planners and policy makers. The problem is tackled from several complementary points of view: - Practises: What are the traditional and new practises of urban vegetation? After some initial surveys we focus our researches on five families of vegetal devices. - Tools: Can we quantify vegetation environmental impacts? What are the best spatial and temporal scales to assess them? How do they combine with urban morphology? Urban vegetation representations are implemented in models of climatology, hydrology, sound propagation and building energy from the architectural scale up to the city scale. Measurement techniques and experimental campaigns are developed to understand the physical processes generated by new vegetation devices and to validate our models. - Documentation: Can we rapidly acquire a sufficient knowledge of urban vegetation presence at a large scale? We develop a communal geographical information system (GIS) to integrate the results of field surveys, propose urban development simulations and render the building-vegetation interactions in the actual and future cities. - Analysis: What will be the long-term impacts of the present policies? What are the possible alternatives? We compare retrospective and prospective simulations using our models. With these physical assessments, economical constraints, sensible aspects and vegetation practises are also considered.; Présentation générale du projet Vegdud

The works developed in this thesis are focused on the mechanisms of heat and mass transfer in "hemp-lime" materials. The objective was to develop and validate a predictive model of hydrothermal behaviour of these materials at early age (drying phase) and use inverse techniques for estimating properties which are difficult to measure. Experimental studies were conducted to determine the thermo-physical properties of materials required for the simulation. The drying kinetics were also established in the case of one side convective drying. The automatic registration of the measurements has allowed obtaining the evolution with time of the mass, temperature and the conditions experienced by the samples. In parallel to these experimental studies, a mathematical model which describes the behaviour of these products during convective drying has been developed and moisture transfer coefficients were determined by inverse method from convective drying kinetics obtained experimentally. The inverse method based on the SQP algorithm (successive quadratic programming), is allowed to identify the hydrous properties of binder and "hemp-lime" mixture under different conditions and highlight areas for improvement., Les travaux développés dans cette thèse ont porté sur l’étude des mécanismes de transfert de chaleur et de masse au sein de matériaux « chanvre-chaux ». L’objectif était d’élaborer et de valider un modèle prédictif du comportement thermohydrique de ces matériaux au jeune âge (phase de séchage) en ayant recours aux techniques inverses pour l’estimation de propriétés difficilement mesurables. Des études expérimentales ont été effectuées afin de déterminer les propriétés thermo-physiques des matériaux nécessaires à la simulation. Les cinétiques de séchage ont été établies dans le cas du séchage convectif sur une face. L’enregistrement automatique des mesures a permis de disposer des évolutions au cours du temps de la masse, des températures et des conditions réelles subies par les échantillons. En parallèle à ces études expérimentales, un modèle permettant de décrire le comportement de ces produits lors du séchage convectif a été développé. Les coefficients de transfert hydrique ont été estimés à partir de cinétiques de séchage convectif obtenues expérimentalement. La méthode inverse utilisée est basée sur l'algorithme SQP (Programmation Quadratique Successive), elle a permis d'identifier les propriétés hydriques des liants et des mélanges chanvre/chaux dans différentes conditions et de mettre en évidence les améliorations à apporter.

The works developed in this thesis are focused on the mechanisms of heat and mass transfer in "hemp-lime" materials. The objective was to develop and validate a predictive model of hydrothermal behaviour of these materials at early age (drying phase) and use inverse techniques for estimating properties which are difficult to measure. Experimental studies were conducted to determine the thermo-physical properties of materials required for the simulation. The drying kinetics were also established in the case of one side convective drying. The automatic registration of the measurements has allowed obtaining the evolution with time of the mass, temperature and the conditions experienced by the samples. In parallel to these experimental studies, a mathematical model which describes the behaviour of these products during convective drying has been developed and moisture transfer coefficients were determined by inverse method from convective drying kinetics obtained experimentally. The inverse method based on the SQP algorithm (successive quadratic programming), is allowed to identify the hydrous properties of binder and "hemp-lime" mixture under different conditions and highlight areas for improvement.; Les travaux développés dans cette thèse ont porté sur l’étude des mécanismes de transfert de chaleur et de masse au sein de matériaux « chanvre-chaux ». L’objectif était d’élaborer et de valider un modèle prédictif du comportement thermohydrique de ces matériaux au jeune âge (phase de séchage) en ayant recours aux techniques inverses pour l’estimation de propriétés difficilement mesurables. Des études expérimentales ont été effectuées afin de déterminer les propriétés thermo-physiques des matériaux nécessaires à la simulation. Les cinétiques de séchage ont été établies dans le cas du séchage convectif sur une face. L’enregistrement automatique des mesures a permis de disposer des évolutions au cours du temps de la masse, des températures et des conditions réelles subies par les échantillons. En parallèle à ces études expérimentales, un modèle permettant de décrire le comportement de ces produits lors du séchage convectif a été développé. Les coefficients de transfert hydrique ont été estimés à partir de cinétiques de séchage convectif obtenues expérimentalement. La méthode inverse utilisée est basée sur l'algorithme SQP (Programmation Quadratique Successive), elle a permis d'identifier les propriétés hydriques des liants et des mélanges chanvre/chaux dans différentes conditions et de mettre en évidence les améliorations à apporter.

12th ISRM Congress, BEIJING, CHINE, 16-/10/2011 - 21/10/2011; The behaviour of civil engineering infrastructure when submitted to direct or indirect rock impact is not well known due to difficulties to study such phenomena at full-scale. The French institute of science and technology for transport, development and networks (Ifsttar, previously LCPC) built a new testing station dedicated to this topic, in order to perform full-scale experiments. This new test facility, located in the French Alps, is able to drop heavy loads (up to 20,000 kg) from the top of a cliff down onto various structures in order to test their resistance to big impacts and study their dynamical behaviour at this high energy level. A reinforced concrete beam was subjected to direct and indirect impacts in the frame of the European FP7 research project ISTIMES. The analysis of the first results will allow evaluating the effects of rock falls on structure and its foundations and investigate the degree of damage.

International audience; La maintenance des chenaux de navigation et des zones portuaires implique laréalisation d’opérations de dragage. Les produits de dragages sont souvent déposés enmer (opération de clapage) pouvant induire des nuisances sur l’environnement. Lephénomène de clapage comporte principalement trois phases (BOUTIN, 2000) : laphase de chute (soumise aux courants) ; l’impact sur le fond et la génération d’uncourant de densité ; la propagation des courants de densité et la décantation dessédiments. Nous simulons ce phénomène à l’aide d’un modèle à deux phases adapté auxmilieux denses en différentiant les deux constituants. Les études sur le clapage avec cemodèle ont démarré dans un cas sans courant (GUILLOU et al., 2011). Les travauxprésentés ici portent sur une étude systématique de la dynamique de chute et detransport en fonction du courant relative à la configuration expérimentale utilisée parVILLARET et al. (1998).

Hafenanlagen werden oft in Gebieten errichtet,wo die Wassertiefen gering sind, insbesondere inÄstuaren. Es ist dann notwendig, Ausbaggerungsarbeitendurchzuführen, um Schiffen die Zufahrtzu ermöglichen. Das ausgebaggerte Sedimentwird in einer vorher definierten Deponierungszonefreigesetzt. Wegen der Konzentration derSedimentwolke, die sich während der Freisetzungbildet (zu Beginn mehr als 350g/l) entsteht einEinfluss auf die Umwelt. Die chemische Zusammensetzungdes Wassers wird direkt beeinflusst.Nach der Freisetzung schlagen sich die Sedimenteunter einer sehr hoch konzentrierten Wolkenieder. Auf diesen Schritt des Niederschlags folgtein Einfluss auf die Sohle durch Bildung einesSuspensionsstroms.Der Zweck dieses Beitrags ist das Studium diesesPhänomens mittels numerischer Simulationenunter Verwendung eines Zwei-Phasen-Modellsfür den Sedimenttransport (Barbry et al., 2000 ;Chauchat et al., 2008 ; Nguyen et al., 2009). Esbasiert auf der Lösung der Erhaltungs- und Impuls-Gleichungen für jede Phase (Wasser undPartikel) und integriert dann die Interaktion zwischenPartikeln und Wasser. Ein Vergleich mitden experimentellen Konfigurationen von Villaretet al. (1997, 1998), ohne Strömung, zeigt, dassdie verschiedenen Schritte des Phänomens rechtgut ohne Modellierung, The port structures are often established in areaswhere water levels are fairly low, especially in estuaries.It is then necessary to perform dredging toallow ships accessing to the docks. The dredgedsediment is released over a predefined depositzone. Because of the concentration of the sedimentcloud appearing during the release, morethan 350 g/l at the beginning, there is an impacton the environment. The chemical composition ofwater is affected directly.After the release, the sediments settle under acloud of very high concentration. This settling stepis followed after impact on the bed by the formationof turbidity current. The purpose of this work is tostudy the phenomenon via numerical simulationsby using a two-phase model of sediment transport[Barbry et al., 2000 ; Chauchat et al., 2008 ;Nguyen et al., 2009]. It is based on the solving ofconservation and momentum equations for eachphase (water and particles) and then integratesthe interaction between the particles and the water.A comparison with the experimental configurationof Villaret et al. (1997, 1998), without current,shows that the different steps of the phenomenonare quite reproduce without turbulence modelling., La gestion des clapages (ou rejets en mer des produits de dragage) constitue une problématique environnementale et économique importante pour les estionnaires des voies navigables et des infrastructures portuaires. Moins coûteuses qu’un stockage à terre, ces opérations peuvent induire des nuisances sur l’environnement notamment en provoquant un accroissement local de la turbidité et en ensevelissant les habitats de la faune aquatique. Le phénomène de clapage comporte principale ment trois phases [Boutin, 2000]: la phase de chute (soumise aux courants) ; l’impact sur le fond et la génération d’un courant de densité ; la propagation des courants de densité et la décantation des sédiments.

Ce document constitue la synthèse des travaux de recherches effectués pendant les six années suivant mon doctorat --- de 2004 à 2009 --- et de quelques thématiques ayant pris naissance pendant la première moitié de l'année 2010. Ces travaux ont été principalement effectués au sein du secteur Génie Civil et Environnement du LMT--Cachan et impliquent de nombreux doctorants, stagiaires et partenaires industriels, ainsi que d'autres enseignants--chercheurs du laboratoire. Afin de mettre en avant la démarche générale qui sous-tend ce travail et la cohérence des différents développements menés au cours de ces années, j'ai choisi de les mettre en forme au travers d'un manuscrit original. Celui-ci permet également de présenter au lecteur des notations uniformisées et d'avoir ainsi une vision plus synthétique.

In structural engineering, the seismic vulnerability reduction of existing structures is an important issue. Retrofitting by Polymer Reinforced Fibres (FRP) is an interesting response in order to fulfill this aim. This paper presents a simplified modeling strategy to predict the behavior of reinforced concrete structures upgrade with FRP. A nonlinear finite element method is used, based on multifiber beams with damage and plasticity models. Retrofitting of flexural element (wall, beam) and column confinement are studied. More specifically, a confined concrete constitutive law suitable for monotonic and cycling loadings is proposed. The model is inspired on two well-known concrete laws, one based on damage mechanics theory (La Borderie) and the other based on experimental studies (Eid & Paultre). Validation of the strategy is provided using two case studies: a retrofitted bridge pier and a vulnerability assessment on an existing building trough static (Pushover) and dynamic analysis., La réduction de la vulnérabilité sismique des structures existantes est un enjeu majeur. Le renforcement d'éléments par Tissus de Fibres de Carbone (TFC) offre une réponse intéressante à cette problématique. Ces travaux proposent une stratégie simplifiée de modélisation non linéaire permettant de prédire le comportement d'une structure en béton armé renforcée par TFC. Celle-ci est fondée sur l'utilisation d'éléments finis poutres multifibres ainsi que de modèles d'endommagement et de plasticité. Le confortement d'éléments en flexion et le confinement des poteaux sont étudiés. Plus spécifiquement une loi constitutive cyclique pour béton confiné est proposée. Cette loi est fondée sur deux modèles, le premier basé sur la théorie de l'endommagement et le second sur une série d'études expérimentales. Cette approche est validée à travers deux cas d'études : une pile de pont renforcée et une analyse de vulnérabilité d'un ouvrage sous sollicitations statiques (poussée progressive) et dynamiques.

Milling is among machining processes one of the most frequently used, but although milling processes operations are very used in mechanical engineering industries and as a lot of experimental results are avail-able, some essential physical phenomena present difficulties of understanding. Indeed milling is a very complex process with physical interactions between shearing, compression, ploughing, friction, very high strain rate, thermal effects and failure. Actually the machining industry needs to use new methodologies to optimise milling operations, investigations relate three main activities: * In this context, a three dimensional finite element model of milling process, using an explicit commercial code, was developed in the proposed works. The workpiece material behaviour is in a first approach described using a Johnson-Cook constitutive law. * In the same time, milling tests have been conducted to furnish cutting forces data in a shoulder milling configuration. In this way, a milling machine has been instrumented with a dynamometer linked to a specific real-time data acquisition system in order to measure milling cutting forces curves. Then, a confrontation has been led between the numerical and the experimental results. These experimental and numerical methods are here applied for a 304L stainless steel. * Finally a behaviour model parameters identification procedure has been set up with the correlation of numerical and experimental results. All results are furnished by an analytical of finite element models of milling and by the experimental measure directly in milling process. The final aim consists to obtain predictive models on a wide working zone.; Le fraisage est un procédé très répandu dans les industries mécaniques et micromécaniques. Ses qualités du point de vue du rendement, de la finition et de la précision en ont fait un domaine incontournable des procédés d'usinage. La compréhension des phénomènes physiques mis en oeuvre dans l'usinage est un enjeu majeur pour l'optimisation des procédés industriels. Ces travaux concernent le couplage étroit entre simulations et expérimentations. L'objectif est d'identifier les paramètres physiques intervenant dans les lois de comportement qui seront utilisées pour la modélisation et la simulation de l'usinage. La finalité consiste à fournir une nouvelle méthodologie, ainsi que les composants logiciels associés, pour permettre l'ajustement optimal des paramètres des procédés, tout au long des phases de développement relatives à l'utilisation de nouveaux matériaux ou de nouvelles conditions opératoires. L'investigation s'articule autour de trois principales activités : * La mise en place d'une instrumentation comprenant capteurs et chaînes d'acquisitions pour permettre, la mesure des efforts nécessaires à la coupe ainsi que la visualisation des formes de copeaux et des modes de fragmentation. Cette étude expérimentale s'accompagne aussi d'une campagne d'essais de caractérisation dans différentes configurations du comportement du matériau choisi pour l'étude (l'acier inoxydable 304L). * Par la suite, le développement des simulations numériques sous LS-DYNA des procédés d'usinage en utilisant les différents résultats obtenus sur le matériau. L'objectif étant de développer un modèle numérique fiable du procédé de fraisage permettant d'obtenir des formes et des valeurs d'efforts de coupe comparables à celles observées expérimentalement. * Et pour finir, la réalisation de procédures d'identification par méthode inverse en corrélant des résultats expérimentaux et numériques provenant de modèle analytiques ou éléments finis, et en s'appuyant sur la mise en place de méthodes d'analyse de sensibilité couplées au logiciel de simulation. Afin de permettre l'ajustement optimal des paramètres des modèles intervenants dans les lois de comportement thermomécaniques du matériau témoin. L'objectif final étant d'obtenir des modèles prédictifs sur une large gamme d'utilisation.

French Railway Network and French National Railway Society want to update the technical reference library established in 1985 concerning the use of reinforced earth retaining walls. The aim of this thesis is to gain a better understanding of Reinforced Earth behaviour, especially about its vertical deformation, under railway excitation. The research program is based on an important testing program which essentially consists in constructing a full-scale experimental structure by associating a Reinforced Earth wall and a classical railway embankment, the latter serving as reference. An important number of various loadings, including important static and service loads, emphasizes the influence of the load frequency on the geotechnical structure behaviour and the effect of fatigue caused by a sevenyear railway traffic. The soil - reinforcement interaction was studied by means of dynamic pullout tests. Two finite element models, a two-dimensional discrete model and a tri-dimensional homogenised model, were build taking into account results of a benchmark exercise predicting the response of the structure submitted to static load. Further, the research focused on the soilreinforcement interface. Lastly, a centrifuge physical model and adequate instrumentation were developed for further in-depth analysis and experiments., Réseau Ferré de France et la Société Nationale des Chemins de Fer souhaitent mettre à jour le référentiel technique datant de 1985 régissant l'utilisation des ouvrages de soutènement en sol renforcé rapporté. L'objet de ce travail de thèse est l'étude du comportement des ouvrages en Terre Armée sous sollicitation ferroviaire, notamment en terme de déformation verticale. Dans le cadre de cette recherche, un programme d'essais de grande ampleur a été mis en oeuvre. Il s'appuie essentiellement sur un ouvrage expérimental en vraie grandeur associant un soutènement en Terre Armée et un remblai classique, ce dernier servant de référence. Une large gamme de sollicitations, incluant aussi des chargements statiques supérieurs ou égaux aux états de service, a permis la mise en évidence de l'influence de la fréquence de sollicitation sur la réponse de l'ouvrage et les effets de la fatigue entraînés par sept années de trafic ferroviaire. L'interaction sol - armature a été caractérisée au moyen d'essais d'extraction sous application d'efforts dynamiques. Deux modèles aux éléments finis, l'un, bidimensionnel discret et l'autre, tridimensionnel homogénéisé, ont été développés en tenant compte des enseignements tirés d'un concours de prévisions de la réponse de l'ouvrage soumis à un chargement statique. Un travail spécifique a été mené sur l'interface sol - armature. Enfin, un modèle physique centrifugé et une instrumentation adaptée ont été mis au point pour permettre un approfondissement de ce travail de recherche.

The work achieved within this thesis is a contribution to the study and modelling of thermal and electromagnetic behaviour of magnetic refrigeration systems. It shows clearly that the design and optimization of such systems must use specific numerical simulation tools due to the numerous difficulties related to the thermal behaviour, the magnetic behaviour, the mechanical behaviour and especially to the user's needs. Both of thermal and electromagnetic modelling have been carried out in this work independently. We hope to have posed by this work, the foundation for magnetic refrigeration systems that will allow further research to deepen one or more of the proposed systems or even inspire them to design new systems and achieve them., Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse est une contribution à l'étude et la modélisation thermique et électromagnétique des systèmes de réfrigération magnétique. Il montre déjà clairement que la conception et l'optimisation de ces systèmes doivent faire appel à des outils de simulation numérique spécifiques, car les difficultés liées au comportement thermique, au comportement magnétique, aux contraintes mécaniques et surtout aux besoins de l'utilisateur sont souvent nombreuses. Les modélisations thermique et électromagnétique ont été menées dans ce travail de manière indépendante. Nous espérons avoir posé, par ce travail, les jalons des systèmes de réfrigération magnétique qui permettront à des recherches ultérieures d'approfondir un ou plusieurs des systèmes proposés ou même de s'en inspirer pour faire la conception de nouveaux systèmes et les réaliser.

Composites granular materials are frequent components of geotechnical structures. They are composed of different size and nature of particles which generate a complex behaviour difficult to appreciate in experiments. A three-dimensional discrete element model and a specific procedure were developed to simulate the macroscopic behaviour of these materials under triaxial loading. The numerical model implements non convex elements and is based on a parameter calibration procedure. This approach is validated by comparison with experimental tests on homogeneous granular materials for a variety of relative densities. Simulations are applied with sand – gravel and sand – tyre chips mixtures for different mixing ratios and results are compared with experimental ones. The influence of shape and relative size of elements is discussed., Les matériaux granulaires composites sont fréquemment utilisés dans les ouvrages géotechniques. Ces matériaux, composés de constituants de natures et de tailles différentes, ont une rhéologie complexe difficile à appréhender expérimentalement. Un modèle numérique tridimensionnel basé sur la méthode des éléments discrets est développé et une démarche spécifique est proposée afin de simuler le comportement mécanique de ces matériaux sous sollicitation triaxiale.Le modèle repose sur l'utilisation d'éléments discrets de formes simples non convexes et sur une procédure de calibration des paramètres. Il a été validé par des essais expérimentaux réalisés pour diverses densités sur des matériaux granulaires homogènes. Le modèle est appliqué aux mélanges sable – gravier et sable – pastilles de pneu pour diverses proportions et comparé à des résultats expérimentaux. L'influence de la forme et de la taille relative des éléments est discutée.

The design of geotechnical earth structures on soft soil is quite difficult due to the important relative settlements. Currently there are many solutions to improve quality of these soils, particularly all the methods including piles. Among these methods, one of them, of full expansion in specific countries, consists in adding to the top of network of piles a reinforced geosynthetic sheet. Following this method, the loads due to the embankment are transmitted to the piles either directly by arching effect in the embankment soil, or indirectly by the way of membrane effect in the geosynthetic sheet.The aim of this study is, on the one hand, to a better understanding of the behaviour of these structures in order to improve the designing methods, on the other hand, to test an experimental device allowing of follow-up in time the behaviour of the structure (system of measurement by optical fibres Géodetect). To achieve this goal, a gathering research program of experiments and numerical modelling, was undertaken in collaboration with the Tencate company. Full-scale experiments were carried out in Kuala Lumpur in Malaysia under specific conditions to study the behaviour of the membrane effect of the geosynthetic sheet above the network of piles and to apprehend the phenomena of transfer of load.An original modelling coupling finite elements and discrete elements was developed to complete the experimental study. The continuous approach made it possible to model effectively the behaviour of membrane effect of the geosynthetic sheet. As for the discrete approach, it made it possible to analyze the mechanisms of transfer of load in the embankment. The comparison and the analysis of the results made it possible to better understand these mechanisms and to better apprehend the designing of these structures.; Les sols à faible portance, posent de réels problèmes pour la construction des ouvrages de génie civil (tassements différentiels importants). Actuellement il existe de nombreuses solutions pour améliorer la qualité de ces sols dont les techniques de renforcement par pieux. Parmi ces méthodes l'une d'elles, en pleine expansion dans certains pays, consiste à ajouter au dessus de réseau de pieux une nappe de renfort géosynthétique. Dans cette technique les charges dues au remblai sont transmises aux pieux soit directement par le sol de remblai par report de charge, soit indirectement par l'intermédiaire de la nappe géosynthétique par effet membrane. L'objectif de cette étude est d'une part de mieux comprendre le comportement de ces ouvrages pour permettre leur dimensionnement et d'autre part de tester un dispositif expérimental permettant de suivre dans le temps le comportement de l'ouvrage (système de mesures par fibres optiques Géodetect). Pour atteindre cet objectif, un programme de recherche regroupant des expérimentations et des modélisations numériques, a été entrepris en collaboration avec la société Tencate. Des expérimentations en vraie grandeur ont été réalisées à Kuala Lumpur en Malaisie dans des conditions spécifiques pour étudier le comportement en membrane du géosynthétique au-dessus du réseau de pieux et pour appréhender les phénomènes de report de charge. Une modélisation originale couplant éléments finis et éléments discrets a été développée pour compléter l'étude expérimentale. L'approche continue a permis de modéliser efficacement le comportement en membrane des nappes géosynthétiques. Quant à l'approche discrète, elle a permis d'analyser les mécanismes de transfert de charge dans le remblai. La comparaison et l'analyse des résultats ont permis de mieux comprendre ces mécanismes et de mieux appréhender le dimensionnement de ces ouvrages.

The subsidences of great width result from the collapse of underground cavities resulting from the human industrial activity (mines or careers) or formed naturally by the water in soluble solid masses of rocks (limestone, gypsum). Their impact on the existing buildings on the surface is generally very important as attest some of the recent examples of Auboué (1996), Moutiers (1997) and Roncourt (1999) which damaged more than five hundred buildings or the sinkhole on site METEOR (PARIS) in 2003. It is thus necessary to consider the movements of the ground at the surface (settlements and horizontal deformations) resulting from these phenomena and especially to determine the influence which can have the presence of one or more superficial structures on the form and the amplitude of these movements. The thesis program is based on the evaluation of urban risks due to the soil movements caused by underground cavities and the soil-structure interaction.The first part is focused on the design of a small-scale bidimensionnal physical model that allows the representation of a sinkhole-like cavity collapse. It brings an innovating contribution to the design of 1g small-scale physical model by the development of a cohesive analogical material, derived from the Schneebeli material. Tests are then proceeded in order to determine the influence of soil-structure interaction during a sinkhole.A numerical model is then setup using two different approaches at the same time: a continuum approach and the Distinct Element Method. Results provided by this model are compared with those from the tests performed on the small-scale model.The last step is a confrontation of this computation tool in an attempt of back analysis of a sinkhole that did one casualty near Paris in 1991.; Les affaissements de terrain de grande ampleur résultent de l'effondrement de cavités souterraines issues de l'activité industrielle humaine (mines ou carrières) ou formées naturellement par la circulation d'eau dans des massifs de roches solubles (calcaire, gypse). Leur impact sur le bâti existant en surface est généralement très important comme en attestent les exemples récents des affaissements d'Auboué (1996), de Moutiers (1997) et de Roncourt (1999) qui ont endommagé plus de cinq cents bâtiments et ouvrages ou le fontis sur le chantier METEOR en 2003. Il est donc nécessaire de prévoir les mouvements du sol de surface (tassements et déformation horizontale) résultants de ces phénomènes et surtout de déterminer l'influence que peut avoir la présence d'une ou plusieurs structures en surface sur la forme et l'amplitude de ces mouvements.Le programme de cette thèse s'articule donc autour de la thématique suivante : évaluation des risques urbains liés aux mouvements de sol dus à la présence de cavités souterraines et interaction avec le bâti et les structures.La première partie porte sur la conception d'un modèle réduit physique bidimensionnel permettant de représenter un effondrement de cavité de type fontis. Elle apporte une contribution innovante à la conception de modèles réduits physiques 1g par la mise au point d'un matériau analogique cohérent, dérivé du matériau de Schneebeli. Des essais sont alors menés pour caractériser l'influence de l'interaction sol-structure lors d'un tel phénomène.Ensuite un modèle numérique est développé à partir d'un outil numérique permettant l'emploi conjoint de deux codes de calcul complémentaires basés sur une approche en milieu continu d'une part et sur la mécanique des éléments distincts d'autre part. Les résultats issus de ce modèle sont alors comparés avec ceux provenant des essais réalisés sur le modèle expérimental.La dernière étape est une confrontation de cet outil numérique dans un essai de rétro-analyse d'un fontis réel survenu dans le massif de l'Hautil en 1991.

The design of geotechnical earth structures on soft soil is quite difficult due to the important relative settlements. Currently there are many solutions to improve quality of these soils, particularly all the methods including piles. Among these methods, one of them, of full expansion in specific countries, consists in adding to the top of network of piles a reinforced geosynthetic sheet. Following this method, the loads due to the embankment are transmitted to the piles either directly by arching effect in the embankment soil, or indirectly by the way of membrane effect in the geosynthetic sheet.The aim of this study is, on the one hand, to a better understanding of the behaviour of these structures in order to improve the designing methods, on the other hand, to test an experimental device allowing of follow-up in time the behaviour of the structure (system of measurement by optical fibres Géodetect). To achieve this goal, a gathering research program of experiments and numerical modelling, was undertaken in collaboration with the Tencate company. Full-scale experiments were carried out in Kuala Lumpur in Malaysia under specific conditions to study the behaviour of the membrane effect of the geosynthetic sheet above the network of piles and to apprehend the phenomena of transfer of load.An original modelling coupling finite elements and discrete elements was developed to complete the experimental study. The continuous approach made it possible to model effectively the behaviour of membrane effect of the geosynthetic sheet. As for the discrete approach, it made it possible to analyze the mechanisms of transfer of load in the embankment. The comparison and the analysis of the results made it possible to better understand these mechanisms and to better apprehend the designing of these structures., Les sols à faible portance, posent de réels problèmes pour la construction des ouvrages de génie civil (tassements différentiels importants). Actuellement il existe de nombreuses solutions pour améliorer la qualité de ces sols dont les techniques de renforcement par pieux. Parmi ces méthodes l'une d'elles, en pleine expansion dans certains pays, consiste à ajouter au dessus de réseau de pieux une nappe de renfort géosynthétique. Dans cette technique les charges dues au remblai sont transmises aux pieux soit directement par le sol de remblai par report de charge, soit indirectement par l'intermédiaire de la nappe géosynthétique par effet membrane. L'objectif de cette étude est d'une part de mieux comprendre le comportement de ces ouvrages pour permettre leur dimensionnement et d'autre part de tester un dispositif expérimental permettant de suivre dans le temps le comportement de l'ouvrage (système de mesures par fibres optiques Géodetect). Pour atteindre cet objectif, un programme de recherche regroupant des expérimentations et des modélisations numériques, a été entrepris en collaboration avec la société Tencate. Des expérimentations en vraie grandeur ont été réalisées à Kuala Lumpur en Malaisie dans des conditions spécifiques pour étudier le comportement en membrane du géosynthétique au-dessus du réseau de pieux et pour appréhender les phénomènes de report de charge. Une modélisation originale couplant éléments finis et éléments discrets a été développée pour compléter l'étude expérimentale. L'approche continue a permis de modéliser efficacement le comportement en membrane des nappes géosynthétiques. Quant à l'approche discrète, elle a permis d'analyser les mécanismes de transfert de charge dans le remblai. La comparaison et l'analyse des résultats ont permis de mieux comprendre ces mécanismes et de mieux appréhender le dimensionnement de ces ouvrages.

The Alkali-Silica Reaction (ASR) induces aggregates swelling leading to irreversible degradation of concrete structures. Modelling damage and cracks in a 3D concrete structure submitted to ASR is hence of prime importance in civil engineering. FEMCAM (Finite Element Model for Concrete Analysis Method) software has been developed within this framework to model 3D numerical concrete. In this thesis, we have developed a mesoscale approach where concrete is considered as a heterogeneous material with two main phases: the mortar paste and aggregates. An elastic damage law has been successfully implemented to take into account the mortar paste behavior. The non local Mazars model with an implicit formulation is hence used to deal with damage. This model requires determining elastic and damage parameters. In this way, an experimental campaign has been carried out at the Civil Engineering Department of the Ecole des Mines de Douai to identify concrete material parameters. These experimental results have been compared with numerical ones through the inverse analysis modulus RheOConcrete. Applications on concrete (compression tests, three point bending tests and; La Réaction Alcali-Silice (RAS) est une réaction chimique de dégradation des bétons occasionnant des désordres irréversibles au niveau de l'ouvrage. La modélisation de l'endommagement et de la fissuration d'une structure en béton tridimensionnelle victime de la RAS est donc de première importance en génie civil. Le logiciel FEMCAM (Finite Element Model for Concrete Analysis Method) a été développé dans ce cadre, afin de modéliser le comportement mécanique tridimensionnel des matériaux quasi-fragiles tels que les bétons. Dans cette thèse, nous avons développé une approche mésoscopique où le béton est considéré comme un matériau biphasé en présence de granulats et d'une pâte de mortier. Le modèle non local de Mazars avec formulation implicite a ainsi été implémenté et validé dans notre code Eléments Finis pour rendre compte du comportement élastique endommageable de la pâte de mortier. Nous abordons ensuite l'identification des paramètres élastiques et d'endommagement de ce modèle. Une attention particulière est portée à la campagne expérimentale menée au département Génie Civil de l'Ecole des Mines de Douai. Ces résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats numériques via le module d'analyse inverse "RheOConcrete ". Des tests de compression, flexion trois points, essais brésiliens ont été ainsi réalisés. Les exemples d'applications proposés montrent l'influence du volume, de la répartition et du diamètre des granulats sur le comportement du béton. Nous utilisons ces résultats pour analyser les conséquences mécaniques de la RAS sur une éprouvette en béton. Les résultats numériques d'un béton soumis à un gonflement granulaire sont comparés aux résultats expérimentaux obtenus à l'Ecole des Mines de Douai. Cela permet de vérifier non seulement la cohérence du modèle numérique mais aussi de mieux comprendre l'influence de certains paramètres sur le mécanisme de la RAS. Enfin, nous soulignons l'importance de décrire avec précision les macrofissures générées par la réaction chimique. La dernière partie du mémoire concerne l'implémentation et la validation de la fissuration discrète en trois dimensions.

The Alkali-Silica Reaction (ASR) induces aggregates swelling leading to irreversible degradation of concrete structures. Modelling damage and cracks in a 3D concrete structure submitted to ASR is hence of prime importance in civil engineering. FEMCAM (Finite Element Model for Concrete Analysis Method) software has been developed within this framework to model 3D numerical concrete. In this thesis, we have developed a mesoscale approach where concrete is considered as a heterogeneous material with two main phases: the mortar paste and aggregates. An elastic damage law has been successfully implemented to take into account the mortar paste behavior. The non local Mazars model with an implicit formulation is hence used to deal with damage. This model requires determining elastic and damage parameters. In this way, an experimental campaign has been carried out at the Civil Engineering Department of the Ecole des Mines de Douai to identify concrete material parameters. These experimental results have been compared with numerical ones through the inverse analysis modulus RheOConcrete. Applications on concrete (compression tests, three point bending tests and; La Réaction Alcali-Silice (RAS) est une réaction chimique de dégradation des bétons occasionnant des désordres irréversibles au niveau de l'ouvrage. La modélisation de l'endommagement et de la fissuration d'une structure en béton tridimensionnelle victime de la RAS est donc de première importance en génie civil. Le logiciel FEMCAM (Finite Element Model for Concrete Analysis Method) a été développé dans ce cadre, afin de modéliser le comportement mécanique tridimensionnel des matériaux quasi-fragiles tels que les bétons. Dans cette thèse, nous avons développé une approche mésoscopique où le béton est considéré comme un matériau biphasé en présence de granulats et d'une pâte de mortier. Le modèle non local de Mazars avec formulation implicite a ainsi été implémenté et validé dans notre code Eléments Finis pour rendre compte du comportement élastique endommageable de la pâte de mortier. Nous abordons ensuite l'identification des paramètres élastiques et d'endommagement de ce modèle. Une attention particulière est portée à la campagne expérimentale menée au département Génie Civil de l'Ecole des Mines de Douai. Ces résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats numériques via le module d'analyse inverse "RheOConcrete ". Des tests de compression, flexion trois points, essais brésiliens ont été ainsi réalisés. Les exemples d'applications proposés montrent l'influence du volume, de la répartition et du diamètre des granulats sur le comportement du béton. Nous utilisons ces résultats pour analyser les conséquences mécaniques de la RAS sur une éprouvette en béton. Les résultats numériques d'un béton soumis à un gonflement granulaire sont comparés aux résultats expérimentaux obtenus à l'Ecole des Mines de Douai. Cela permet de vérifier non seulement la cohérence du modèle numérique mais aussi de mieux comprendre l'influence de certains paramètres sur le mécanisme de la RAS. Enfin, nous soulignons l'importance de décrire avec précision les macrofissures générées par la réaction chimique. La dernière partie du mémoire concerne l'implémentation et la validation de la fissuration discrète en trois dimensions.

This study focuses on shape optimization for 3D forging process. The problems to be solved consist in searching the optimal shape of the initial work piece or of the preform tool in order to minimize an objective function F which represents a measure of non-quality defined by the designer. These are often multi optima problems in which the necessary time for a cost function evaluation is very long (about a day or more). This work aims at developping an optimization module that permits to localize the global optimum within a reasonable cost (less than 50 calculations of objective function per optimization). The process simulation is carried out using the FORGE3® finite element software. The axisymmetric initial shape of the workpiece or die is parameterized using quadratic segments or Bspline curves. Several objective functions are considered, like the forging energy, the forging force or a surface defect criterion. The gradient of these objective functions is obtained by the adjoint-state method and semi-analytical differentiation. In this work, this gradient calculation (initiated in M. Laroussi's thesis) has been extended to another type of parameter "the parameters that control the shape of tool preform". Different optimization algorithms are tested for 3D applications: a standard BFGS algorithm, a moving asymptote algorithm, an evolution strategies algorithm enhanced with a response surface method based on Kriging and two new hybrid evolutionary algorithms proposed during this work. This hybrid approach consists in coupling a genetic algorithm to a response surface method that uses gradient information to dramatically reduce the number of problem simulations. All studied algorithms are compared for two 3D industrial tests, using rather coarse meshes. They make it possible to improve the initial design and to decrease the total forming energy and/or a surface defect criterion. Numerical results show the feasibility of such approaches, i.e. the achieving of satisfactory solutions within a limited number of 3D simulations, less than fifty.; Ce travail de thèse a pour but l'optimisation de forme en forgeage 3D. Les problèmes à résoudre consistent à chercher la forme optimale du lopin initial ou des outils de préforme afin de minimiser une fonction coût F qui représente une mesure de non-qualité définie par les industriels. Ce sont souvent des problèmes multi optima, et le temps nécessaire pour une évaluation de la fonction coût est très élevé (de l'ordre de la journée). L'objectif de cette thèse est de construire un module d'optimisation automatique qui permet de localiser l'extremum global à un coût raisonnable (moins de 50 calculs de la fonction coût à chaque optimisation). La simulation du procédé est effectuée avec le logiciel éléments finis FORGE3®. Les formes axisymétrique des pièces initiales ou des outils de préforme (dans le cadre du forgeage multi-passes) sont paramétrées en utilisant des polygônes quadratiques ou des courbes Bsplines. Différentes fonctions coûts sont considérées, comme l'énergie totale de forgeage ou la mesure non-qualité de la surface (défaut de repli). Le gradient de ces fonctions coûts est obtenu par la méthode de l'Etat Adjoint combinée avec la méthode de différentiation semi-analytique. Dans ce travail, afin d'aborder une famille de procédés de forgeage plus vaste, ce calcul du gradient (initié dans la thèse de M. Laroussi) a été étendu aux paramètres de forme des outils de préformes dans le cadre du forgeage multi passes.Différents algorithmes d'optimisation ont été étudiés : un algorithme BFGS standard, un algorithme de type asymptotes mobiles, une stratégie d'évolution couplée avec une surface de réponse basée sur le Krigeage et deux nouveaux algorithmes hybrides proposés dans le cadre de ce travail. Cette approche hybride consiste à coupler un algorithme génétique avec une méthode de surface de réponse pour réduire le nombre d'évaluations de la fonction coût. Tous les algorithmes étudiés sont comparés sur deux problèmes caractéristiques de forgeage 3D, respectivement l'optimisation de la géométrie de la préforme et celle des outils de préforme. Les résultats obtenus montrent la faisabilité de l'optimisation de forme en forgeage 3D, c'est-à-dire l'obtention de résultats satisfaisant en moins de 50 simulations 3D et la robustesse des algorithmes à base de méta-modèle.

This study focuses on shape optimization for 3D forging process. The problems to be solved consist in searching the optimal shape of the initial work piece or of the preform tool in order to minimize an objective function F which represents a measure of non-quality defined by the designer. These are often multi optima problems in which the necessary time for a cost function evaluation is very long (about a day or more). This work aims at developping an optimization module that permits to localize the global optimum within a reasonable cost (less than 50 calculations of objective function per optimization). The process simulation is carried out using the FORGE3® finite element software. The axisymmetric initial shape of the workpiece or die is parameterized using quadratic segments or Bspline curves. Several objective functions are considered, like the forging energy, the forging force or a surface defect criterion. The gradient of these objective functions is obtained by the adjoint-state method and semi-analytical differentiation. In this work, this gradient calculation (initiated in M. Laroussi's thesis) has been extended to another type of parameter "the parameters that control the shape of tool preform". Different optimization algorithms are tested for 3D applications: a standard BFGS algorithm, a moving asymptote algorithm, an evolution strategies algorithm enhanced with a response surface method based on Kriging and two new hybrid evolutionary algorithms proposed during this work. This hybrid approach consists in coupling a genetic algorithm to a response surface method that uses gradient information to dramatically reduce the number of problem simulations. All studied algorithms are compared for two 3D industrial tests, using rather coarse meshes. They make it possible to improve the initial design and to decrease the total forming energy and/or a surface defect criterion. Numerical results show the feasibility of such approaches, i.e. the achieving of satisfactory solutions within a limited number of 3D simulations, less than fifty.; Ce travail de thèse a pour but l'optimisation de forme en forgeage 3D. Les problèmes à résoudre consistent à chercher la forme optimale du lopin initial ou des outils de préforme afin de minimiser une fonction coût F qui représente une mesure de non-qualité définie par les industriels. Ce sont souvent des problèmes multi optima, et le temps nécessaire pour une évaluation de la fonction coût est très élevé (de l'ordre de la journée). L'objectif de cette thèse est de construire un module d'optimisation automatique qui permet de localiser l'extremum global à un coût raisonnable (moins de 50 calculs de la fonction coût à chaque optimisation). La simulation du procédé est effectuée avec le logiciel éléments finis FORGE3®. Les formes axisymétrique des pièces initiales ou des outils de préforme (dans le cadre du forgeage multi-passes) sont paramétrées en utilisant des polygônes quadratiques ou des courbes Bsplines. Différentes fonctions coûts sont considérées, comme l'énergie totale de forgeage ou la mesure non-qualité de la surface (défaut de repli). Le gradient de ces fonctions coûts est obtenu par la méthode de l'Etat Adjoint combinée avec la méthode de différentiation semi-analytique. Dans ce travail, afin d'aborder une famille de procédés de forgeage plus vaste, ce calcul du gradient (initié dans la thèse de M. Laroussi) a été étendu aux paramètres de forme des outils de préformes dans le cadre du forgeage multi passes.Différents algorithmes d'optimisation ont été étudiés : un algorithme BFGS standard, un algorithme de type asymptotes mobiles, une stratégie d'évolution couplée avec une surface de réponse basée sur le Krigeage et deux nouveaux algorithmes hybrides proposés dans le cadre de ce travail. Cette approche hybride consiste à coupler un algorithme génétique avec une méthode de surface de réponse pour réduire le nombre d'évaluations de la fonction coût. Tous les algorithmes étudiés sont comparés sur deux problèmes caractéristiques de forgeage 3D, respectivement l'optimisation de la géométrie de la préforme et celle des outils de préforme. Les résultats obtenus montrent la faisabilité de l'optimisation de forme en forgeage 3D, c'est-à-dire l'obtention de résultats satisfaisant en moins de 50 simulations 3D et la robustesse des algorithmes à base de méta-modèle.

This thesis is dedicated to the modelling and to the mechanical analysis of a rockfall protection barrier under dynamic impact. The considered rockfall dam is built with an assembly of parallelepiped cells. Cells are wire netting cages filled with granular material. A multi-scale approach is proposed to study the behaviour of the structure. In order to model the rockfall protection dam and its components, the distinct element method is used. The double twisted hexagonal mesh of the cells is described by a discretization of the wire netting sheet. The elasto-plastic behaviour of the wire mesh is considered until the failure. After the coupling of the wire mesh with the granular material under the same computing environment, the mechanical behaviour of a single cell is explored under different loading paths in quasi-static and dynamic conditions. Form these tests, a constitutive model representative of the macroscopic behaviour of the cell is proposed in order to model the structure. Discrete elements are used to model the structure. The interactions between these elements are described by the constitutive model of the cell. The study of the structure behaviour submitted to a dynamic loading is carried out to show the influence of structural parameters and the influence of impact conditions., Cette thèse porte sur la modélisation et la caractérisation mécanique sous sollicitation dynamique d'impact d'une structure de protection contre les chutes de blocs rocheux. L'ouvrage est un merlon construit à partir d'un assemblage de cages grillagées parallélépipédiques remplies d'un matériau granulaire (ou cellules). Une approche multi-échelles est utilisée pour l'étude du comportement de l'ouvrage. La méthode aux éléments distincts est employée pour la modélisation numérique de la structure et de ses composants. Le grillage à maille hexagonale des cellules est modélisé à partir d'une description discrète de la nappe. Le comportement élasto-plastique du métal est décrit jusqu'à la rupture. Après le couplage du grillage avec le milieu granulaire effectué sous le même environnement de calcul, le comportement mécanique d'une cellule est étudié suivant différents chemins de sollicitation en conditions quasi-statiques puis dynamiques. De ces essais, un modèle constitutif représentatif du comportement macroscopique d'une cellule est proposé permettant le passage à l'échelle de la structure. Cette dernière est modélisée à partir d'éléments discrets dont les interactions sont décrites par le modèle constitutif. L'étude du comportement de l'ouvrage face à une sollicitation dynamique localisée est effectuée dans le but d'identifier l'influence des paramètres structurels et l'influence des conditions d'impact.

Deep geological disposal is one of the privileged options for the storage of High Level radioactive waste. A good knowledge of the behavior and properties of the potential geological formations as well as theirs evolution in time under the effect of the stress change induced by a possible installation of storage is required. The geological formation host will be subjected to mechanical and thermal solicitations due respectively to the excavation of the disposal tunnels and the release of heat of the canisters of radioactive waste. These thermomechanical solicitations will generate a stress relief in the host layer and disposal tunnels deformations as well as the extension of the damaged zones (EDZ) could cause local and global instabilities. This work aims to develop calculation methods to optimize numerical modeling of the thermoelastic behavior of the disposal at a large scale and to evaluate thermomechanical disturbance induced by storage on the geological formation host. Accordingly, after a presentation of the state of knowledge on the thermomechanical aspects of the rocks related to deep storage, of numerical modelings 2D and 3D of the thermoelastic behavior of individual disposal tunnel and a network of tunnels were carried out by a discrete approach. However, this classical approach is penalizing to study the global behavior of disposal storage. To mitigate that, an approach of numerical modeling, based on homogenization of periodic structures, was proposed. Formulations as numerical procedures were worked out to calculate the effective thermoelastic behavior of an equivalent heterogeneous structure. The model, obtained by this method, was validated with existing methods of homogenization such as the self-consistent model, as well as the Hashin-Shtrikman bounds. The comparison between the effective thermoelastic behavior and current thermoelastic behavior of reference showed a good coherence of the results. For an application to deep geological storage, the effective thermoelastic properties of a network of circular tunnels could be given in 2D for various dimensions of the distance between galleries.; Le stockage en formation géologique profonde est l'une des solutions possibles pour la gestion à très long terme des déchets radioactifs de Haute Activité et à Vie Longue (HAVL). Son étude nécessite d'acquérir une bonne connaissance du comportement et des propriétés des formations géologiques potentielles ainsi que de leur évolution au cours du temps sous l'effet des sollicitations induites par une éventuelle installation de stockage.La formation géologique hôte sera soumise à des chargements mécanique et thermique dus respectivement au creusement des ouvrages de stockage et au dégagement de chaleur des colis de déchets stockés. Ces chargements thermomécaniques vont engendrer une modification de la distribution des contraintes dans la couche hôte et les déformations des ouvrages ainsi que l'extension des zones endommagées (EDZ) pourraient provoquer des instabilités locales et globales. Les objectifs de ce travail consistent en l'élaboration de techniques de calculs pour optimiser la modélisation numérique du comportement thermoélastique des ouvrages à grande échelle et en l'évaluation de la perturbation thermomécanique induite par le stockage sur la formation géologique hôte. Dans cette optique, après une présentation de l'état des connaissances sur les aspects thermomécaniques des roches liés au stockage souterrain, des modélisations numériques 2D et 3D du comportement thermoélastique d'ouvrage individuel et d'un réseau de galeries ont été réalisées par une approche discrète. Toutefois, cette approche classique est pénalisante pour l'étude du comportement global d'installations de stockage. Pour pallier à cela, une approche de modélisation numérique, basée sur la technique d'homogénéisation des milieux périodiques, a été proposée. Des formulations ainsi que des procédures numériques ont été élaborées pour déterminer le comportement thermoélastique effectif d'une structure hétérogène équivalente. Le modèle, obtenu par cette méthode, a été validé avec des méthodes d'homogénéisation existantes telles que le modèle auto-cohérent, ainsi que les bornes de Hashin-Shtrikman. La comparaison du comportement thermoélastique effectif avec le comportement thermoélastique réel de référence a montré une bonne cohérence des résultats. Pour une application au stockage profond, les coefficients thermoélastiques effectifs d'un réseau de galeries circulaires ont pu être déterminés en 2D pour différentes dimensions de l'entraxe des galeries.

The use of compacted swelling soils in engineering practice is very widely spread, especially in geotechnical and environmental engineering. After their setup, these materials are likely to be subject to complex suction/stress paths involving significant variations of their hydro-mechanical properties which can affect their initial behaviour. It is important to be able to predict the hydromechanical behaviour of these materials taking into account the significant applications for which they are intended.Barcelona team developed a finite-element code (Code_Bright) for the thermo-hydro-mechanical coupling (THM) integrating the BBM elastoplastic model for unsaturated soils based on the independent variables approach. This model is recognized to correctly describe the hydromechanical behaviour of unsaturated soils but fails to take into account some particular observed aspects on swelling soils. A second model BExM was then proposed to address these aspects. The objectif of this study is: (i) to implement the elastoplastic model BExM for the unsaturated swelling soils in the finite-element code (Code_Bright); (ii) to check the numerical model validity through the numerical simulation of laboratory tests made on swelling soils; and (iii) to apply this model to some practical problems. For this purpose, a new family of numerical procedures adapted to the BExM model was introduced into the code. The equation of the yield surface of this model for a given deviatoric stress states was given in a manner to facilitate calculations of its derivatives. The model was checked by the numerical simulation of suction-controlled œdometric tests made on three different swelling soils. The simulation results showed that the numerical model is able to correctly reproduce the experimental data. Lastly, the model was applied to two practical problems: radioactive waste repository in deep geological layers and a shallow footing under the action of a swelling soil. The results obtained showed the ability of the numerical model to modeling hydromechanical coupled problems., Les sols gonflants compactés sont largement utilisés dans de nombreuses applications, notamment en géotechnique et en géotechnique de l'environnement. Après leur mise en place, ces matériaux risquent d'être soumis à des sollicitations hydriques et/ou mécaniques complexes qui peuvent entraîner de fortes modifications de leurs propriétés hydromécaniques susceptibles de mettre en cause leur fonctionnement initial. Il est donc important de prévoir le comportement hydromécanique de ces matériaux compte tenu des applications sensibles auxquelles ils sont destinés.L'équipe de Barcelone a développé un code de calcul aux éléments finis (Code_Bright) pour l'analyse des problèmes couplés (THM) dans des géomatériaux, avec l'intégration du modèle élastoplastique (BBM) pour les sols non saturés non gonflants. Ce modèle est capable de décrire correctement le comportement hydromécanique des sols non saturés mais ne tient pas compte de quelques aspects particuliers observés sur des sols gonflants. Un deuxième modèle (BExM) a été alors proposé pour prendre en considération ces aspects. L'objectif principal du travail présenté ici est : (i) d'implanter le modèle élastoplastique BExM pour les sols gonflants non saturés dans le code de calcul aux éléments finis Code_Bright ; (ii) de valider le modèle numérique à partir d'essais réalisés au laboratoire sur des sols gonflants ; et (iii) d'appliquer ce modèle aux simulations des problèmes pratiques. Pour atteindre cet objectif, une nouvelle famille de procédures numériques adaptées au modèle BExM a été introduite dans le code. L'équation de la fonction de charge de ce modèle pour un état donné de contrainte déviatorique a été déterminée de manière à faciliter les calculs de ses dérivées. La validation numérique du modèle a été vérifiée par des simulations numériques d'essais œdométriques à succion contrôlée, réalisées sur trois sols gonflants différents. Les résultats des simulations numériques de ces essais ont montré les aptitudes du modèle numérique implanté à reproduire correctement les résultats expérimentaux. Enfin, le modèle a été appliqué à deux problèmes pratiques : le stockage de déchets radioactifs dans les couches géologiques profondes et l'effet du retrait-gonflement du sol sur une fondation superficielle. Les résultats obtenus ont montré la capacité du modèle implanté à modéliser des problèmes couplés hydromécaniques.

Soft soil improvement by vertical rigid piles is a technique which associates a pile grid and a granular earth platform, intercalated between the improved soil and the surface structure. Arching occurs in the granular fill, which permits partial load transfer onto the piles, thesurface settlement reduction and homogenization, in order to insure the structure good working and durability. The reinforcement can be completed by a geosynthetic, laid at the platform base, working in membrane effect. The main application areas are road- and railway embankment foundations and industrial area foundations. The various elements composing the system are in strong and complex interaction.This PhD thesis work is a contribution to the understanding of the behaviour of this type of structure, and focuses more precisely on the modelling of the mechanisms developing in the earth platform. It consists of three parts.The first part presents the context and the objectives.The second part is dedicated to the constitution of an experimental database, precise and complete in term of both loads and displacements, in order to serve as a reference for various numerical modelling approaches. A physical two-dimensional modelling using analogical materials is developed.The third part concerns the numerical modelling. It first consists in a two-dimensional modelling in a continuum, validated by confrontation to the experimental results. Specific constitutive models for the various materials are implemented. The parametric study can then be numerically extended. The next step of the numerical modelling consists in simulating realistic threedimensional cases in a continuum. The soft soil and the granular earth platform soil behaviours are taken into account by various constitutive models, showing increasing degrees of complexity. A pile grid unit cell is first represented, and the system is then represented by a current embankment section with lateral slopes., Le renforcement des sols compressibles par inclusions rigides verticales est une technique qui associe un éseau d'inclusions et un matelas constitué de sol granulaire, intercalé entre le sol renforcé et l'ouvrage. Dans ce matelas se développent des voûtes qui transfèrent partiellement les charges vers les inclusions, permettant ainsi la réduction et l'homogénéisation des tassements en surface du massif renforcé. Le renforcement peut être complété par une nappe géosynthétique en base du matelas, fonctionnant en membrane. Les domaines d'application privilégiés sont les fondations de remblais routiers ou ferroviaires et les fondations de zones industrielles. Les différents éléments de ce système sont en interactions complexes.Ce travail de thèse constitue une contribution à la compréhension du comportement de ce type d'ouvrage, et s'intéresse plus particulièrement à la modélisation des mécanismes se développant dans le matelas de transfert de charge. Il comporte trois parties. La première partie présente le contexte et les objectifs. La deuxième partie est consacrée à la constitution d'une base de donnéesexpérimentale précise et complète en terme d'efforts et de déplacements, afin de servir de référence à diverses approches de modélisation numérique. Pour cela, un modèle physique bidimensionnel mettant en oeuvre des matériaux analogiques est développé.La troisième partie concerne la modélisation numérique. La première étape consiste en une modélisation bidimensionnelle en milieu continu, validée à partir des résultats expérimentaux obtenus sur le modèle réduit. Des modèles de comportement spécifiques aux divers matériaux sont mis en oeuvre. L'analyse paramétrique peut alors être étendue numériquement. La seconde étape de la modélisation numérique consiste en la mise en oeuvre de simulations tridimensionnelles en milieu continu de cas réalistes. Les comportements du sol du matelas et du sol compressible sont pris en compte par des modèles de diverses complexités. Le système est d'abord pris en compte par une cellule élémentaire du maillage en conditions drainées, puis par une section courante de remblai présentant des talus latéraux.