Dans le cadre du développement récent des schémas numériques compacts d’ordre élevé, tels que la méthode de Galerkin discontinu (discontinuous Galerkin) ou la méthode des différences spectrales (spectral differences), nous nous intéressons aux difficultés liées à l’utilisation de ces méthodes lors de la simulation de solutions discontinues. L’utilisation par ces schémas numériques d’une représentation polynomiale des champs les prédisposent à fournir des solutions fortement oscillantes aux abords des discontinuités. Ces oscillations pouvant aller jusqu’à l’arrêt du processus de simulation, l’utilisation d’un dispositif numérique de détection et de contrôle de ces oscillations est alors un prérequis nécessaire au bon déroulement du calcul. Les processus de limitation les plus courants tels que les algorithmes WENO ou l’utilisation d’une viscosité artificielle ont d’ores et déjà été adaptés aux différentes méthodes compactes d’ordres élevés et ont permis d’appliquer ces méthodes à la classe des écoulements compressibles. Les différences entre les stencils utilisés par ces processus de limitation et les schémas numériques compacts peuvent néanmoins être une source importante de perte de performances. Dans cette thèse nous détaillons les concepts et le cheminement permettant d’aboutir à la définition d’un processus de limitation compact adapté à la description polynomiale des champs. Suite à une étude de configurations monodimensionnels, différentes projections polynomiales sont introduites et permettent la construction d’un processus de limitation préservant l’ordre élevé. Nous présentons ensuite l’extension de cette méthodologie à la simulation d’écoulements compressibles bidimensionnels et tridimensionnels. Nous avons en effet développé les schémas de discrétisation des différences spectrales dans un code CFD non structuré, massivement parallèle et basé historiquement sur une méthodologie volumes finis. Nous présentons en particulier différents résultats obtenus lors de la simulation de l’interaction entre une onde de choc et une couche limite turbulente.

Les imageurs CMOS représentent un outil d’avenir pour de nombreuses applications scientifiques de haut vol, telles que l’observation spatiale ou les expériences nucléaires. En effet, ces imageurs ont vu leurs performances démultipliées ces dernières années grâce aux avancées incessantes de la microélectronique, et présentent aussi des avantages indéniables qui les destinent à remplacer les CCDs dans les futurs instruments spatiaux. Toutefois, en environnement spatial ou nucléaire, ces imageurs doivent faire face aux attaques répétées de particules pouvant rapidement dégrader leurs performances électro-optiques. En particulier, les protons, électrons et ions présents dans l’espace ou les neutrons de fusion nucléaire peuvent déplacer des atomes de silicium dans le volume du pixel et en rompre la structure cristalline. Ces effets de déplacement peuvent former des défauts stables introduisant des états d’énergie dans la bande interdite du silicium, et ainsi conduire à la génération thermique de paires électron-trou. Par conséquent, ces radiations non-ionisantes produisent une augmentation permanente du courant d’obscurité des pixels de l’imageur et donc à une diminution de leur sensibilité et de leur dynamique. L’objectif des présents travaux est d’étendre la compréhension des effets de déplacement sur l’augmentation du courant d’obscurité dans les imageurs CMOS. En particulier, ces travaux se concentrent sur l’étude de la forme de la distribution de courant d’obscurité en fonction du type, de l’énergie et du nombre de particules ayant traversé l’imageur, mais aussi en fonction des caractéristiques de l’imageur. Ces nombreux résultats permettent de valider physiquement et expérimentalement un modèle empirique de prédiction de la distribution du courant d’obscurité pour une utilisation dans les domaines spatial et nucléaire. Une autre partie majeure de ces travaux consiste à utiliser pour la première fois la technique de spectroscopie de courant d’obscurité pour détecter et caractériser individuellement les défauts générés par les radiations non-ionisantes dans les imageurs CMOS. De nombreux types de défauts sont détectés et deux sont identifiés, prouvant l’applicabilité de cette technique pour étudier la nature des défauts cristallins générés par les effets de déplacement dans le silicium. Ces travaux avancent la compréhension des défauts responsables de l’augmentation du courant d’obscurité en environnement radiatif, et ouvrent la voie au développement de modèles de prédiction plus précis, voire de techniques permettant d’éviter la formation de ces défauts ou de les faire disparaître.

Les méthodes de contrôle de vibrations passives basées sur des absorbeurs linéaires ont été largement étudiées et ils ont aujourd'hui une vaste gamme d'applications. Cependant, les absorbeurs linéaires n’étant efficaces que lorsqu'ils sont accordés à la fréquence que l'on veut contrôler, ils présentent des limites considérables quand ils sont appliqués à des systèmes possédant des incertitudes sur les paramètres modaux ou ayant une fréquence propre dépendante de la force extérieure. Dans cette thèse la réduction des vibrations dans les systèmes mécaniques à l'aide d'un absorbeur Nonlinear Energy Sink est étudiée. Le phénomène qui gouverne la physique de ce dispositif est appelé pompage énergétique (Targeted Energy Transfer) et il consiste en un transfert irréversible d'énergie du système principal vers le NES, où l’énergie est dissipée. Ce transfert d'énergie peut se produire pour une large gamme de fréquences et sans besoin que le NES ne soit accordé _a une fréquence spécifique. La dynamique d'un premier type de NES appelé Vibro-Impact Nonlinear Energy Sink (VI-NES) est investiguée expérimentalement grâce à un oscillateur linéaire (OL) à un degré de liberté forcé harmoniquement auquel le VI-NES est attaché. Le pompage énergétique du OL vers le VI-NES est observé expérimentalement, ce qui a permis d'obtenir une importante réduction du pic de résonance du système principal. Le système est étudié analytiquement à l'aide de la méthode Multi-Echelles et le comportement non-linéaire observé est expliqué théoriquement. Le deuxième type de NES présenté est le Magnetic-Strung NES avec récupération d'énergie. Cette étude ajoute l'aspect lié à la récupération d'énergie au domaine de recherche des absorbeurs non-linéaires. Le système consiste en un oscillateur linéaire (OL) à un degré de liberté forcé harmoniquement auquel le MS-NES est appliqué. La force non-linéaire de rappel peut être modulée grâce à une force magnétique introduite judicieusement, ce qui permet au NES d'avoir plusieurs configurations possibles. Le système résultant est un système électromécanique où l'énergie vibratoire du système principal est absorbée par le NES et est ensuite dissipée en partie par l'amortissement visqueux et convertie en partie en puissance électrique. Les études numérique et expérimentale analysent les performances du MSNES en tant qu'absorbeur d'énergie et en tant que récupérateur d'énergie. Finalement, les idées et les perspectives issues de cette étude sont traitées et les directions pour les travaux futurs sont fournies.

L'objectif de cette thèse est la résolution d’un problème d’optimisation multi-objectif sous incertitudes en présence de simulations numériques coûteuses. Une validation est menée sur un cas test de thermique transitoire. Dans un premier temps, nous développons un algorithme d'optimisation multi-objectif basé sur le krigeage nécessitant peu d’appels aux fonctions objectif. L'approche est adaptée au calcul distribué et favorise la restitution d'une approximation régulière du front de Pareto complet. Le problème d’optimisation sous incertitudes est ensuite étudié en considérant des mesures de robustesse pires cas et probabilistes. Le superquantile intègre tous les évènements pour lesquels la valeur de la sortie se trouve entre le quantile et le pire cas mais cette mesure de risque nécessite un grand nombre d’appels à la fonction objectif incertaine pour atteindre une précision suffisante. Peu de méthodes permettent de calculer le superquantile de la distribution de la sortie de fonctions coûteuses. Nous développons donc un estimateur du superquantile basé sur une méthode d'échantillonnage préférentiel et le krigeage. Il permet d’approcher les superquantiles avec une faible erreur et une taille d’échantillon limitée. De plus, un couplage avec l’algorithme multi-objectif permet la réutilisation des évaluations. Dans une dernière partie, nous construisons des modèles de substitution spatio-temporels capables de prédire des phénomènes dynamiques non linéaires sur des temps longs et avec peu de trajectoires d’apprentissage. Les réseaux de neurones récurrents sont utilisés et une méthodologie de construction facilitant l’apprentissage est mise en place.

Les débris en orbite sont actuellement une source de préoccupation majeure pour les acteurs du spatial et pour le reste de la population, comme en témoignent les articles de presse et les œuvres cinématographiques sur le sujet. En effet, la présence de ces objets menace directement les astronautes en mission et les satellites en opération. Parmi les nombreuses options déjà envisagées pour les traiter, cette thèse se concentre sur l’approche robotique, en proposant des outils et des méthodes de modélisation et de contrôle pour un satellite chasseur équipé d’un bras manipulateur. Des modèles dynamiques et des schémas de simulation optimisés sont ainsi développés pour tout système multi-corps constitué d’une base mobile supportant un nombre quelconque d’appendices rigides ou flexibles. Par la suite, les trajectoires de capture sont générées en conservant la continuité en accélération avec le mouvement naturel du point cible, dans le but de saisir aussi délicatement que possible le débris en rotation. Le suivi de cette trajectoire par l’effecteur du robot chasseur est alors assuré par une loi de contrôle à deux niveaux, dont le réglage repose sur la synthèse H1 structurée. Une étude de robustesse est également mise en place pour assurer la stabilité et les performances du système en boucle fermée, malgré les changements de configuration du bras. Enfin, la validation des travaux de thèse est réalisée par voie numérique avec un simulateur haute-fidélité, et par voie pratique avec un banc d’essais robotique incluant des composants physiques en temps réel.

Ce travail porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de lentilles planaires nano-structurées dédiées aux capteurs d’images CMOS dans le proche-infrarouge. L’étude des applications et des systèmes d’imagerie optronique mis en jeu ont mis en évidence l’intérêt de l’utilisation des capteurs d’images CMOS dans la bande 800-1100 nm. Les inconvénients liés au silicium et à la structure du pixel justifient l’intégration de lentilles planaires nano-structurées compatibles avec le procédé de fabrication CMOS : une lentille plasmonique, une lentille diffractive métallique dite de Huygens, une lentille diélectrique dite de phase de Fresnel et une lentille à gradient d’indice effectif. Les simulations électromagnétiques 2D d’un pixel CMOS complet avec chaque lentille planaire ont démontré l’intérêt de la lentille métallique dans un pixel à faible facteur de remplissage et de la lentille de phase de Fresnel pour un pixel standard. Les simulations électromagnétiques 3D ont permis la conception de ces deux dernières lentilles pour leur fabrication tandis que la lentille à gradient d’indice effectif, susceptible d’approcher le profil de phase idéal, a montré son potentiel pour les pixels CMOS. La caractérisation électro-optique a mis en évidence la performance expérimentale de la lentille de phase de Fresnel fabriquée en "post-process" au LPN-CNRS et de la lentille de Huygens fabriquée "in-process" en fonderie CMOS. Les nombreuses perspectives de ce travail liés à la fabrication et à la marge de progression des lentilles ont été explorées.

Ce travail a montré que l’apport de la technologie d’intégration 3D, permet de surmonter les limites imposées par la technologie monolithique sur les performances électriques (« coupling » et consommation) et sur l’implémentation physique (aire du pixel) des imageurs. Grâce à l’analyse approfondie sur la technologie d’intégration 3D, nous avons pu voir que les technologies d’intégration 3D les plus adaptées pour l’intégration des circuits dans le pixel sont : 3D wafer level et 3D construction séquentielle. La technologie choisie pour cette étude, est la technologie d'intégration 3D wafer level. Cela nous a permis de connecter 2 wafers par thermocompression et d’avoir une interconnexion par pixel entre wafers. L’étude de l’architecture CAN dans le pixel a montré qu’il existe deux limites dans le pixel : l’espace de construction et le couplage entre la partie analogique et numérique « digital coupling ». Son implémentation dans la technologie 3D autorise l’augmentation de 100% l’aire de construction et la réduction du « digital coupling » de 70%. Il a été implémenté un outil de calcul des éléments parasites des structures 3D. L’étude des imageurs rapides, a permis d’étendre l’utilisation de cette technologie. L’imageur rapide type « burst » a été étudié principalement. Cet imageur permet de dissocier la partie d’acquisition des images de la sortie. La limite principale, dans la technologie monolithique, est la taille des colonnes (pixels vers mémoires). Pour une haute cadence d’acquisition des images, il faut une grande consommation de courant. Son implémentation dans la technologie 3D a autorisé à mettre les mémoires au-dessous des pixels. Les études effectuées pour ce changement (réduction de la colonne à une interconnexion entre wafers), ont réduit la consommation totale de 90% et augmenté le temps d’acquisition des images de 184%, en comparaison à son pair monolithique.

Dans le cadre d'un projet de recherche interne nommé JoSAT (Joint Stress Analysis Tool), Sogeti High Tech a développé depuis 2008 un outil de simulation simplifié d'analyse de joints collés. Cet outil permet d'obtenir à la fois la répartition des efforts internes dans chacun des substrats mais également la répartition des contraintes adhésives le long du recouvrement, tout en ayant l'avantage d'être beaucoup moins chronophage que la méthode des Éléments-Finis (EF). En 2011, cet outil a été étendu de sorte à supporter différents comportements adhésifs non-linéaires sous la forme de relations contrainte-déformation spécifiée par l'utilisateur. Cependant, le champs d'application de cette nouvelle théorie fut démontré comme limitée aux jonctions en simple recouvrement, et dans le cas de faible non-linéarité uniquement. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est double. Premièrement, étendre et valider l'outil d'analyse simplifiée aux cas de comportement non-linéaire adhésif mais également des substrats. Deuxièmement, proposer et développer de nouvelles méthodes visant à caractériser le comportement non-linéaire d'un film adhésif.

Les oscillateurs sont présents dans tous les systèmes de communications que nous utilisons. Ils nous permettent de faire la synchronisation entre l’émetteur et le récepteur d’un message. La qualité de cette synchronisation dépend de la stabilité de l’oscillateur. Afin de caractériser cette stabilité dans le domaine fréquentiel, le bruit de phase est utilisé comme paramètre de référence. Un oscillateur qui délivre un signal avec une faible valeur de bruit de phase est un oscillateur de grande pureté spectrale. Les oscillateurs électroniques ont une bonne performance à basse fréquence. En mesure de la demande des systèmes de très haut débit, les oscillateurs électroniques ne sont pas capables de produire signaux qu’avec l’utilisation de multiplicateurs de fréquence qui ajoutent plusieurs éléments à la chaine de communication. Les systèmes hybrides permettent de prendre d’avantage la bonne performance de composants optiques en haute fréquence afin de les intégrer dans les systèmes électroniques et surmonter de cette façon-là les limitations fréquentielles des systèmes électroniques. Ce travail vise l’utilisation de la technique de verrouillage optique par injection du faisceau d’un laser maître vers la cavité d’un VCSEL sous modulation directe dans la boucle d’oscillation. La technique du verrouillage optique du VCSEL permets d’élargir la bande passante de modulation directe du VCSEL et réduire son bruit d’intensité (Relative Intensity Noise - RIN). La réduction du RIN a comme effet secondaire la réduction de la contribution du bruit additif dans l’oscillateur et, en conséquence, la réduction du bruit de phase de l’oscillateur.

De nos jours, la combustion d'hydrocarbures est largement répandue dans de nombreuses applications, notamment la propulsion aéronautique. Toutefois, les turbomachines produisent des niveaux d'émissions d'espèces polluantes qui ne sont plus acceptés. C'est pourquoi, la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans les chambres de combustion est essentielle pour aider au développement de moteurs plus propres. Dans de tels foyers, le carburant est injecté sous la forme d'un brouillard de gouttes, ce qui génère de fortes interactions avec l'écoulement d'air turbulent et la flamme. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de modèles en combustion diphasique en vue d'améliorer la capacité prédictive des outils de simulation numérique. Pour cela, un nouveau moyen d'essais dédié à l'étude des flammes diphasiques turbulentes a été conçu et une base de données expérimentales a été constituée (conditions inertes et réactives). Des visualisations simultanées de la diffusion de Mie des gouttes et du taux de dégagement de chaleur ont permis de mettre en évidence une structure de flamme complexe ainsi que l'existence de différents régimes de combustion. Un autre point important de ce travail a été d'analyser statistiquement la distribution spatiale de gouttes en conditions réactives à l'aide d'une méthode de mesure originale. Cette analyse a permis de quantifier les distances inter-gouttes (plus proches voisines) en différents points de l'écoulement et d'estimer les erreurs liées au traitement des données via une approche numérique. En outre, il apparaît que la distribution spatiale des gouttes s'apparente à une loi aléatoire uniforme alors que les modèles de combustion de gouttes s'appuient souvent sur une loi régulière.