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Advanced numerical modeling of vibrations induced by railway traffic
Advanced numerical modeling of vibrations induced by railway traffic


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Les lignes à grande vitesse sont considérées comme une source importante de perturbations environnementales qui sont de moins en moins tolérées par les habitants. Afin de comprendre la dynamique de ces systèmes, il est important de développer des modèles numériques pour simuler les problèmes de vibration véhicule/voie ferrée et comprendre les interactions de la voie ferrée et des composants du véhicule. Une nouvelle approche basée sur la mise à jour périodique de la configuration « Méthode PCU » est d’abord proposée pour l’évaluation de la réponse dynamique des poutres infinies continuellement supportées sous charges mobiles à grande vitesse. La méthode PCU est utilisée pour évaluer la réponse dynamique d’un système simplifié voie ferrée/sol dans lequel la fondation du rail est remplacée par une couche viscoélastique continue. D’autre part, une modélisation numérique 3D considérant le couplage dynamique mutuel complexe entre les composantes de la voie ferrée et la couche du sol est développée. Un schéma de maillage adaptatif est appliqué pour simuler l’effet des charges mobiles ; il est représenté par la création des nœuds mobiles attachés aux charges. Cette modélisation est appliquée avec succès dans la gamme de vitesses sub-Rayleigh et super-Rayleigh. Dans la dernière partie, la modélisation numérique 3D est utilisée pour calibrer les impédances dynamiques du modèle simplifié proposé dans le premier chapitre. Une procédure itérative d’ajustement de courbe est réalisée à l’aide de l’algorithme génétique. Des lois constitutives qui régissent le comportement dynamique des éléments discrets sont proposées aux différentes fréquences de chargement et gamme de vitesses.
The high speed lines are considered as an important source of environmental disturbance that are less and less tolerated by inhabitants. In order to understand the dynamics of these systems, it is important to develop numerical models to simulate the vibration problems vehicle/track and understand the interactions of the track and vehicle components. A new approach based on periodic configuration update “PCU method” is firstly proposed for the assessment of the dynamic response of continuously supported infinite beams under high speed moving loads. The PCU method is used to assess the dynamic response of a simplified track/ground system in which the rail foundation is replaced by a continuous viscoelastic layer. On the other hand, a 3D numerical modeling that considers the complex mutual dynamic coupling between the track components and the subgrade layer is developed. An adaptive meshing scheme is applied to simulate the moving loads effect; it is represented by the creation of load-attached moving nodes on the rail-beam. This modeling is successfully applied in the sub-Rayleigh and super-Rayleigh velocity range. In the last part, the 3D numerical modeling is used to calibrate the dynamic impedances of the simplified beam model proposed in the first chapter. An iterative curve fitting procedure is carried out using the genetic algorithm. Constitutive laws that govern the dynamic behavior of the discrete elements are proposed at different load frequency and velocity range.
Les lignes à grande vitesse sont considérées comme une source importante de perturbations environnementales qui sont de moins en moins tolérées par les habitants. Afin de comprendre la dynamique de ces systèmes, il est important de développer des modèles numériques pour simuler les problèmes de vibration véhicule/voie ferrée et comprendre les interactions de la voie ferrée et des composants du véhicule. Une nouvelle approche basée sur la mise à jour périodique de la configuration « Méthode PCU » est d’abord proposée pour l’évaluation de la réponse dynamique des poutres infinies continuellement supportées sous charges mobiles à grande vitesse. La méthode PCU est utilisée pour évaluer la réponse dynamique d’un système simplifié voie ferrée/sol dans lequel la fondation du rail est remplacée par une couche viscoélastique continue. D’autre part, une modélisation numérique 3D considérant le couplage dynamique mutuel complexe entre les composantes de la voie ferrée et la couche du sol est développée. Un schéma de maillage adaptatif est appliqué pour simuler l’effet des charges mobiles ; il est représenté par la création des nœuds mobiles attachés aux charges. Cette modélisation est appliquée avec succès dans la gamme de vitesses sub-Rayleigh et super-Rayleigh. Dans la dernière partie, la modélisation numérique 3D est utilisée pour calibrer les impédances dynamiques du modèle simplifié proposé dans le premier chapitre. Une procédure itérative d’ajustement de courbe est réalisée à l’aide de l’algorithme génétique. Des lois constitutives qui régissent le comportement dynamique des éléments discrets sont proposées aux différentes fréquences de chargement et gamme de vitesses.
The high speed lines are considered as an important source of environmental disturbance that are less and less tolerated by inhabitants. In order to understand the dynamics of these systems, it is important to develop numerical models to simulate the vibration problems vehicle/track and understand the interactions of the track and vehicle components. A new approach based on periodic configuration update “PCU method” is firstly proposed for the assessment of the dynamic response of continuously supported infinite beams under high speed moving loads. The PCU method is used to assess the dynamic response of a simplified track/ground system in which the rail foundation is replaced by a continuous viscoelastic layer. On the other hand, a 3D numerical modeling that considers the complex mutual dynamic coupling between the track components and the subgrade layer is developed. An adaptive meshing scheme is applied to simulate the moving loads effect; it is represented by the creation of load-attached moving nodes on the rail-beam. This modeling is successfully applied in the sub-Rayleigh and super-Rayleigh velocity range. In the last part, the 3D numerical modeling is used to calibrate the dynamic impedances of the simplified beam model proposed in the first chapter. An iterative curve fitting procedure is carried out using the genetic algorithm. Constitutive laws that govern the dynamic behavior of the discrete elements are proposed at different load frequency and velocity range.
04-09-2019
04-09-2019
Thèse
Thèse

Aerosol hygroscopic properties: a laboratory approach for single and multi-component inorganic particles of atmospheric relevance
Aerosol hygroscopic properties: a laboratory approach for single and multi-component inorganic particles of atmospheric relevance


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Les aérosols atmosphériques jouent un rôle essentiel sur l’équilibre énergétique de la planète et ont également un impact important sur la santé humaine. Le dernier rapport d’évaluation du Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC) souligne que le niveau d’incertitude du forçage radiatif des aérosols est particulièrement élevé. Ceci est principalement dû aux effets complexes et mal quantifiés des propriétés chimiques, physiques et optiques des aérosols. En particulier, une humidité relative élevée (RH) augmente la quantité de vapeur d’eau captée par les particules d’aérosol atmosphériques, ce qui modifie leurs tailles, leurs morphologies et leurs composition chimiques et donc leurs propriétés optiques. Les mesures in situ des propriétés des aérosols (coefficients de diffusion et d’absorption, distribution en taille) sont généralement obtenues dans des conditions sèches (RH <40%). Or dans l’atmosphère les aérosols existent à humidité plus importante. Il est donc essentiel de connaı̂tre l’évolution des propriétés physico-chimiques et optiques des particules d’aérosol à différentes humidités relatives, afin d’améliorer les estimations des forçages radiatifs de l’aérosol. Le but de ce travail est d’étudier l’évolution des propriétés optiques (diffusion et absorption), physiques (taille) des aérosols à différentes humidités, en s’appuyant sur des mesures de laboratoire à humidité contrôlée. Des aérosols purs ont été générés, tels que des particules de silice amorphe (SiO2 ), de chlorure de sodium (NaCl), de sulfate d’ammonium ((NH4)2SO4), de nitrate de sodium (NaNO3 ) et le chlorure de potassium (KCl). L’étude est d’abord réalisée à faible humidité relative (≈ 35% RH), ensuite, les mesures sont effectuées à une RH plus élevée (de 40 à 90%) en utilisant deux dispositifs expérimentaux différents. La vapeur d’eau captée par l’aérosol, calculée à l’aide du modèle thermodynamique E-AIM, provoque un changement de sa taille et de son indice de réfraction (RI) qui influence directement ses propriétés optiques . La relation de Zdanovskii-Stokes-Robinson (ZSR) est appliquée aux mélanges d’aérosols et comparée aux mesures expérimentales. Les écarts constatés seront présentés et devraient être utilisés pour mieux comprendre l’influence de la vapeur d’eau captée par les aérosols sur le forçage radiatif estimé par les modèles climatiques.
Aerosols play vital roles in energy balance of the Earth and also have a significant impact on human health. The last assessment report by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), states that the uncertainty in the total radiative forcing is mainly dominated by the high uncertainty in the aerosol radiative forcing. This is mainly caused by the poorly understood and quantified aerosol effects. Indeed, high relative humidity (RH), promotes water uptake by atmospheric aerosol particles, which modifies their size, morphology and chemical composition and therefore their optical properties. In-situ measurements of aerosols properties (scattering and absorption coefficients, size distribution) are usually performed at dry conditions (RH <40%). However, aerosols are present in a humid atmosphere. Knowing the physical, chemical and optical properties of the aerosol particles at ambient RH is thus crucial in order to improve the estimation of the aerosol direct radiative forcing. The aim of this work is to study the evolution of aerosols optical (scattering and absorption) and physical (size) properties at different RH. Our study is based on laboratory measurements at controlled humidity. Pure aerosols were generated, such as amorphous silica (SiO2), sodium chloride (NaCl), ammonium sulfate ((NH4)2SO4 ), sodium nitrate (NaNO3) and potassium chloride (KCl). The study was first conducted under dry conditions (≈ 35% RH), then measurements were performed at higher RH (from 40 up to 90%) using two different experimental setups. The exchange of water vapor that causes a change in size and refractive index (RI) of aerosol particles and therefore directly influences their optical properties is computed using E-AIM thermodynamic model. Zdanovskii–Stokes Robinson (ZSR) approach is applied on aerosols mixtures and compared with the experimental measurements. The discrepancies found will be presented and should be used to better understand the influence of water uptake on the aerosol radiative forcing estimated by climate models.
Les aérosols atmosphériques jouent un rôle essentiel sur l’équilibre énergétique de la planète et ont également un impact important sur la santé humaine. Le dernier rapport d’évaluation du Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC) souligne que le niveau d’incertitude du forçage radiatif des aérosols est particulièrement élevé. Ceci est principalement dû aux effets complexes et mal quantifiés des propriétés chimiques, physiques et optiques des aérosols. En particulier, une humidité relative élevée (RH) augmente la quantité de vapeur d’eau captée par les particules d’aérosol atmosphériques, ce qui modifie leurs tailles, leurs morphologies et leurs composition chimiques et donc leurs propriétés optiques. Les mesures in situ des propriétés des aérosols (coefficients de diffusion et d’absorption, distribution en taille) sont généralement obtenues dans des conditions sèches (RH <40%). Or dans l’atmosphère les aérosols existent à humidité plus importante. Il est donc essentiel de connaı̂tre l’évolution des propriétés physico-chimiques et optiques des particules d’aérosol à différentes humidités relatives, afin d’améliorer les estimations des forçages radiatifs de l’aérosol. Le but de ce travail est d’étudier l’évolution des propriétés optiques (diffusion et absorption), physiques (taille) des aérosols à différentes humidités, en s’appuyant sur des mesures de laboratoire à humidité contrôlée. Des aérosols purs ont été générés, tels que des particules de silice amorphe (SiO2 ), de chlorure de sodium (NaCl), de sulfate d’ammonium ((NH4)2SO4), de nitrate de sodium (NaNO3 ) et le chlorure de potassium (KCl). L’étude est d’abord réalisée à faible humidité relative (≈ 35% RH), ensuite, les mesures sont effectuées à une RH plus élevée (de 40 à 90%) en utilisant deux dispositifs expérimentaux différents. La vapeur d’eau captée par l’aérosol, calculée à l’aide du modèle thermodynamique E-AIM, provoque un changement de sa taille et de son indice de réfraction (RI) qui influence directement ses propriétés optiques . La relation de Zdanovskii-Stokes-Robinson (ZSR) est appliquée aux mélanges d’aérosols et comparée aux mesures expérimentales. Les écarts constatés seront présentés et devraient être utilisés pour mieux comprendre l’influence de la vapeur d’eau captée par les aérosols sur le forçage radiatif estimé par les modèles climatiques.
Aerosols play vital roles in energy balance of the Earth and also have a significant impact on human health. The last assessment report by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), states that the uncertainty in the total radiative forcing is mainly dominated by the high uncertainty in the aerosol radiative forcing. This is mainly caused by the poorly understood and quantified aerosol effects. Indeed, high relative humidity (RH), promotes water uptake by atmospheric aerosol particles, which modifies their size, morphology and chemical composition and therefore their optical properties. In-situ measurements of aerosols properties (scattering and absorption coefficients, size distribution) are usually performed at dry conditions (RH <40%). However, aerosols are present in a humid atmosphere. Knowing the physical, chemical and optical properties of the aerosol particles at ambient RH is thus crucial in order to improve the estimation of the aerosol direct radiative forcing. The aim of this work is to study the evolution of aerosols optical (scattering and absorption) and physical (size) properties at different RH. Our study is based on laboratory measurements at controlled humidity. Pure aerosols were generated, such as amorphous silica (SiO2), sodium chloride (NaCl), ammonium sulfate ((NH4)2SO4 ), sodium nitrate (NaNO3) and potassium chloride (KCl). The study was first conducted under dry conditions (≈ 35% RH), then measurements were performed at higher RH (from 40 up to 90%) using two different experimental setups. The exchange of water vapor that causes a change in size and refractive index (RI) of aerosol particles and therefore directly influences their optical properties is computed using E-AIM thermodynamic model. Zdanovskii–Stokes Robinson (ZSR) approach is applied on aerosols mixtures and compared with the experimental measurements. The discrepancies found will be presented and should be used to better understand the influence of water uptake on the aerosol radiative forcing estimated by climate models.
13-09-2019
13-09-2019
Thèse
Thèse

Analyse et compréhension du comportement dynamique de nouvelles solutions de protection soumises à un effet de souffle
Analyse et compréhension du comportement dynamique de nouvelles solutions de protection soumises à un effet de souffle


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Dans le contexte international actuel, les armées de la coalition subissent régulièrement de lourdes pertes matérielles et humaines liées à la détonation de mines antichars. Le premier objectif de ce travail de thèse est de caractériser la menace engendrée par la détonation d’une mine antichar enfouie. Pour cela, deux systèmes de mesure indépendants ont été réalisés afin de mesurer d’une part la pression générée par le passage de l’onde de choc et d’autre part l’influence de l’impact à très haute vitesse de l’amas de gravier sur une cible métallique. Après un traitement des signaux obtenus sur la base de l’équation modifiée de Friedlander, ils ont été analysés pour proposer un modèle de comportement des phénomènes observés lors de la détonation d’une mine antichar enfouie. Le second objectif est de concevoir et développer des solutions de protection plus efficaces que les solutions existantes. Pour cela, plusieurs campagnes de tests à échelle réduite ont été réalisées sur des assemblages composites/métalliques. Ainsi, nous avons pu étudier l’influence de la nature des plaques composites et métalliques et de leur positionnement sur la réponse dynamique des cibles réalisées.
In the actual international context, coalition armies regularly face heavy human and material losses due to the detonation of anti-tank mines. The first objective of this PhD work is to characterize the threat generated by the detonation of a buried anti-tank mine. To do so, two independent measurement systems have been realized in order to measure on the one hand the pressure generated by the shock wave and on the other hand, the influence of the high speed impact of the heap of gravels on a metallic target. After a signal processing based on the modified Friedlander equation, the measurements have been analysed in order to suggest a behaviour model of the phenomenon observed during the detonation of the buried anti-tank mine. The second objective is to design and develop more efficient protection solutions than the existing ones. To do so, several test campaigns at small scale were realized on composite/metallic assemblies. Thereby, we have studied the influence of the nature of the composite and metallic plates and of their positioning on the dynamic response of the realised targets.
Dans le contexte international actuel, les armées de la coalition subissent régulièrement de lourdes pertes matérielles et humaines liées à la détonation de mines antichars. Le premier objectif de ce travail de thèse est de caractériser la menace engendrée par la détonation d’une mine antichar enfouie. Pour cela, deux systèmes de mesure indépendants ont été réalisés afin de mesurer d’une part la pression générée par le passage de l’onde de choc et d’autre part l’influence de l’impact à très haute vitesse de l’amas de gravier sur une cible métallique. Après un traitement des signaux obtenus sur la base de l’équation modifiée de Friedlander, ils ont été analysés pour proposer un modèle de comportement des phénomènes observés lors de la détonation d’une mine antichar enfouie. Le second objectif est de concevoir et développer des solutions de protection plus efficaces que les solutions existantes. Pour cela, plusieurs campagnes de tests à échelle réduite ont été réalisées sur des assemblages composites/métalliques. Ainsi, nous avons pu étudier l’influence de la nature des plaques composites et métalliques et de leur positionnement sur la réponse dynamique des cibles réalisées.
In the actual international context, coalition armies regularly face heavy human and material losses due to the detonation of anti-tank mines. The first objective of this PhD work is to characterize the threat generated by the detonation of a buried anti-tank mine. To do so, two independent measurement systems have been realized in order to measure on the one hand the pressure generated by the shock wave and on the other hand, the influence of the high speed impact of the heap of gravels on a metallic target. After a signal processing based on the modified Friedlander equation, the measurements have been analysed in order to suggest a behaviour model of the phenomenon observed during the detonation of the buried anti-tank mine. The second objective is to design and develop more efficient protection solutions than the existing ones. To do so, several test campaigns at small scale were realized on composite/metallic assemblies. Thereby, we have studied the influence of the nature of the composite and metallic plates and of their positioning on the dynamic response of the realised targets.
06-09-2019
06-09-2019
Thèse
Thèse

Analyse et simulation numérique par méthode combinée Volumes Finis - Éléments Finis de modèles de type Faible Mach
Analyse et simulation numérique par méthode combinée Volumes Finis - Éléments Finis de modèles de type Faible Mach


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Dans cette thèse, nous étudions des écoulements caractérisés par un faible nombre de Mach. Dans une première partie, nous développons un schéma numérique permettant la résolution des équations de Navier-Stokes à faible nombre de Mach. L’équation de continuité est résolue par une méthode de volumes finis, tandis que l’équation de conservation de la quantité de mouvement et l’équation d’évolution de la température sont résolues par éléments finis. Le schéma ainsi développé assure la préservation des états constants. Dans une seconde partie, nous faisons l’analyse d’un modèle de type faible Mach spécifique, dans lequel la pression thermodynamique est considérée constante, et la viscosité est une fonction particulière de la température. Nous montrons l’existence, l’unicité et la régularité des solutions, ainsi qu’un résultat de principe du maximum pour la température. Enfin dans une troisième partie, nous développons un schéma numérique permettant de simuler les équations de ce modèle. L’accent est mis sur la discrétisation de l’équation de température, qui est de type volumes finis. Plusieurs schémas sont étudiés et comparés sur des critères de précision et de respect du principe du maximum. L’équation de conservation de la quantité de mouvement est discrétisée par éléments finis, définissant un nouveau schéma combiné.
In this thesis, we study some flows characterized by a low Mach number. In a first part, we develop a numerical scheme allowing the resolution of the Navier-Stokes equations in the low Mach number approximation. The continuity equation is solved by a finite volume method, while the momentum and temperature equations are solved by finite elements. The scheme ensures the preservation of constant states. In a second part, we analyze a specific low Mach type model, in which the thermodynamic pressure is considered constant, and the viscosity is a particular function of the temperature. We show the existence, the uniqueness and the regularity of the solutions, as well as a maximum principle result for the temperature. Finally, in a third part, we develop a numerical scheme to simulate the equations of this model. Emphasis is placed on the discretization of the temperature equation, which is of finite volume type. Several schemes are studied and compared on criteria of precision and respect of the maximum principle. The momentum equation is discretized by finite elements, defining a new combined scheme.
Dans cette thèse, nous étudions des écoulements caractérisés par un faible nombre de Mach. Dans une première partie, nous développons un schéma numérique permettant la résolution des équations de Navier-Stokes à faible nombre de Mach. L’équation de continuité est résolue par une méthode de volumes finis, tandis que l’équation de conservation de la quantité de mouvement et l’équation d’évolution de la température sont résolues par éléments finis. Le schéma ainsi développé assure la préservation des états constants. Dans une seconde partie, nous faisons l’analyse d’un modèle de type faible Mach spécifique, dans lequel la pression thermodynamique est considérée constante, et la viscosité est une fonction particulière de la température. Nous montrons l’existence, l’unicité et la régularité des solutions, ainsi qu’un résultat de principe du maximum pour la température. Enfin dans une troisième partie, nous développons un schéma numérique permettant de simuler les équations de ce modèle. L’accent est mis sur la discrétisation de l’équation de température, qui est de type volumes finis. Plusieurs schémas sont étudiés et comparés sur des critères de précision et de respect du principe du maximum. L’équation de conservation de la quantité de mouvement est discrétisée par éléments finis, définissant un nouveau schéma combiné.
In this thesis, we study some flows characterized by a low Mach number. In a first part, we develop a numerical scheme allowing the resolution of the Navier-Stokes equations in the low Mach number approximation. The continuity equation is solved by a finite volume method, while the momentum and temperature equations are solved by finite elements. The scheme ensures the preservation of constant states. In a second part, we analyze a specific low Mach type model, in which the thermodynamic pressure is considered constant, and the viscosity is a particular function of the temperature. We show the existence, the uniqueness and the regularity of the solutions, as well as a maximum principle result for the temperature. Finally, in a third part, we develop a numerical scheme to simulate the equations of this model. Emphasis is placed on the discretization of the temperature equation, which is of finite volume type. Several schemes are studied and compared on criteria of precision and respect of the maximum principle. The momentum equation is discretized by finite elements, defining a new combined scheme.
11-09-2019
11-09-2019
Thèse
Thèse

Analyse qualitative de plusieurs types de systèmes de maladies infectieuses avec effets de réaction ou de diffusion
Analyse qualitative de plusieurs types de systèmes de maladies infectieuses avec effets de réaction ou de diffusion


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Cette thèse étudie quelques problèmes qualitatifs pour les systèmes d’équations différentielles modélisant des maladies infectieuses avec des effets de réaction ou de diffusion. Il se compose en trois parties. Premièrement, nous étudions un système de réaction-diffusion complex décrivant la propagation spatio-temporelle de la grippe avec de multiples souches. Nous établissons des conditions d’existence d’ondes semi-progressives, progressives fortes et faibles (persistantes) à partir de l’équilibre sans maladie. Nous discutons en outre plusieurs situations dans lesquelles les ondes se-mi-progressives n’existent pas, et donnent une estimation de la vitesse minimale d’onde. Deuxième-ment, nous analysons une classe de systèmes éco-épidémiologiques dans lesquels les proies sont sujettes à l’effet Allee et à l’infection. Pour certains sous-systèmes, nous déterminons l’existence du point de bifurcation (bifurcation Hopf et bifurcation d’orbites hétéroclines). Nous montrons que l’effet Allee fort peut créer une courbe séparatrice (ou une surface), conduisant à une stabilité mul-tiple. Nous trouvons que les cycles hétéroclines forment un réseau hétérocline et identifient une or-bite périodique intérieure. Enfin, nous donnons une analyse qualitative de deux systèmes différentiels basés sur le réseau couplant la propagation de l’épidémie et la diffusion de l’information: le système d’interaction et le système de contrôle des épidémies. Plus spécifiquement, nous obtenons l’existence de l’équilibre sans maladie, l’équilibre endémique et la variété de synchronisation, ainsi que leur stabilité asymptotique globale.
This thesis studies some qualitative problems for systems of differential equations modeling in-fectious diseases with reaction or diffusion effects. It consists of three parts. Firstly, we study a complex reaction-diffusion system describing the spatiotemporal spread of in-fluenza with multiple strains. We establish conditions for the existence of semi-, strong and weak (persistent) traveling waves starting from the disease-free equilibrium. We further discuss several situations in which semi-traveling waves do not exist, and give an estimation of minimal wave speed. Secondly, we analyze a class of eco-epidemiological systems where prey is subject to Allee effect and infection. For certain subsystems, we determine the existence of the bifurcation point (Hopf bifurca-tion and bifurcation of heteroclinic orbits). We show that the strong Allee effect can create a separa-trix curve (or surface), leading to multi-stability. We find that the heteroclinic cycles form a hetero-clinic network and identify an interior periodic orbit. Finally, we give a qualitative analysis of two network-based differential systems coupling epidemic spread and information diffusion: the interplay system and the epidemic control system. More specifically, we obtain the existence of the disease-free equilibrium, endemic equilibrium and synchronization manifold, and their global asymptotic stability.
Cette thèse étudie quelques problèmes qualitatifs pour les systèmes d’équations différentielles modélisant des maladies infectieuses avec des effets de réaction ou de diffusion. Il se compose en trois parties. Premièrement, nous étudions un système de réaction-diffusion complex décrivant la propagation spatio-temporelle de la grippe avec de multiples souches. Nous établissons des conditions d’existence d’ondes semi-progressives, progressives fortes et faibles (persistantes) à partir de l’équilibre sans maladie. Nous discutons en outre plusieurs situations dans lesquelles les ondes se-mi-progressives n’existent pas, et donnent une estimation de la vitesse minimale d’onde. Deuxième-ment, nous analysons une classe de systèmes éco-épidémiologiques dans lesquels les proies sont sujettes à l’effet Allee et à l’infection. Pour certains sous-systèmes, nous déterminons l’existence du point de bifurcation (bifurcation Hopf et bifurcation d’orbites hétéroclines). Nous montrons que l’effet Allee fort peut créer une courbe séparatrice (ou une surface), conduisant à une stabilité mul-tiple. Nous trouvons que les cycles hétéroclines forment un réseau hétérocline et identifient une or-bite périodique intérieure. Enfin, nous donnons une analyse qualitative de deux systèmes différentiels basés sur le réseau couplant la propagation de l’épidémie et la diffusion de l’information: le système d’interaction et le système de contrôle des épidémies. Plus spécifiquement, nous obtenons l’existence de l’équilibre sans maladie, l’équilibre endémique et la variété de synchronisation, ainsi que leur stabilité asymptotique globale.
This thesis studies some qualitative problems for systems of differential equations modeling in-fectious diseases with reaction or diffusion effects. It consists of three parts. Firstly, we study a complex reaction-diffusion system describing the spatiotemporal spread of in-fluenza with multiple strains. We establish conditions for the existence of semi-, strong and weak (persistent) traveling waves starting from the disease-free equilibrium. We further discuss several situations in which semi-traveling waves do not exist, and give an estimation of minimal wave speed. Secondly, we analyze a class of eco-epidemiological systems where prey is subject to Allee effect and infection. For certain subsystems, we determine the existence of the bifurcation point (Hopf bifurca-tion and bifurcation of heteroclinic orbits). We show that the strong Allee effect can create a separa-trix curve (or surface), leading to multi-stability. We find that the heteroclinic cycles form a hetero-clinic network and identify an interior periodic orbit. Finally, we give a qualitative analysis of two network-based differential systems coupling epidemic spread and information diffusion: the interplay system and the epidemic control system. More specifically, we obtain the existence of the disease-free equilibrium, endemic equilibrium and synchronization manifold, and their global asymptotic stability.
25-09-2019
25-09-2019
Thèse
Thèse

Atomic force microscopy usage in a context of multi-mode and multi-sample correlative measures on live cells
Atomic force microscopy usage in a context of multi-mode and multi-sample correlative measures on live cells


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Assez rapidement après son apparition à la fin des années 1980, la Microscopie à Force Atomique (AFM) a démontré des perspectives prometteuses d’applications biomédicales. À l’heure actuelle, elle permet l’étude d’échantillons biologiques allant de la molécule unique à la cellule vivante proche des conditions physiologiques. Bien qu’étant applicable aux cellules eucaryotes et procaryotes, elle est entravée par son faible débit. Alors qu’elle peut être fortement automatisée sur certains échantillons bien caractérisés en air, l’automatisation de l’AFM en liquide reste rare, en particulier en multi-échantillon. Lors de ce projet doctoral, une approche automatisée a été développée pour l’étude des cellules en milieu liquide. Après une introduction du système et des développements nécessaires, nous démontrons l’approche sur des bactéries fixées et vivantes, ainsi que sur des cellules épithéliales. L’utilisation d’automatisation multi-échantillon permet d’augmenter le nombre d’échantillons rassemblés tout en limitant les interactions avec l’utilisateur. Enfin, les développements ultérieurs sont discutés pour aller vers un système automatisé à plus grande échelle sur échantillons vivants.
Soon after its development in the late 1980s, atomic force microscopy (AFM) has shown promising applications in the biomedical field. It now allows investigating biological samples from single molecules to living cells under conditions close to physiological. Despite its applicability to both eukaryotic and prokaryotic cells, it is hampered by its low throughput. While heavily automated on some well-characterized samples in air, AFM automation in fluid is very scarce, especially at the multi-sample level. During this doctoral project, an automated approach was developed in fluid, on cells. After introducing the system and the developments required, we demonstrate the approach on fixed and living bacteria as well as on epithelial cells. The usage of multi-sample automation allows gathering a greater number of samples with limited user interaction. Finally, further developments are discussed to lead the path toward higher-scale AFM automation of live samples.
Assez rapidement après son apparition à la fin des années 1980, la Microscopie à Force Atomique (AFM) a démontré des perspectives prometteuses d’applications biomédicales. À l’heure actuelle, elle permet l’étude d’échantillons biologiques allant de la molécule unique à la cellule vivante proche des conditions physiologiques. Bien qu’étant applicable aux cellules eucaryotes et procaryotes, elle est entravée par son faible débit. Alors qu’elle peut être fortement automatisée sur certains échantillons bien caractérisés en air, l’automatisation de l’AFM en liquide reste rare, en particulier en multi-échantillon. Lors de ce projet doctoral, une approche automatisée a été développée pour l’étude des cellules en milieu liquide. Après une introduction du système et des développements nécessaires, nous démontrons l’approche sur des bactéries fixées et vivantes, ainsi que sur des cellules épithéliales. L’utilisation d’automatisation multi-échantillon permet d’augmenter le nombre d’échantillons rassemblés tout en limitant les interactions avec l’utilisateur. Enfin, les développements ultérieurs sont discutés pour aller vers un système automatisé à plus grande échelle sur échantillons vivants.
Soon after its development in the late 1980s, atomic force microscopy (AFM) has shown promising applications in the biomedical field. It now allows investigating biological samples from single molecules to living cells under conditions close to physiological. Despite its applicability to both eukaryotic and prokaryotic cells, it is hampered by its low throughput. While heavily automated on some well-characterized samples in air, AFM automation in fluid is very scarce, especially at the multi-sample level. During this doctoral project, an automated approach was developed in fluid, on cells. After introducing the system and the developments required, we demonstrate the approach on fixed and living bacteria as well as on epithelial cells. The usage of multi-sample automation allows gathering a greater number of samples with limited user interaction. Finally, further developments are discussed to lead the path toward higher-scale AFM automation of live samples.
03-09-2019
03-09-2019
Thèse
Thèse

Caractérisation de facteurs impliqués dans l’initiation et la morphogenèse des grains d’amidon chez Arabidopsis thaliana
Caractérisation de facteurs impliqués dans l’initiation et la morphogenèse des grains d’amidon chez Arabidopsis thaliana


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L’amidon est un composé permettant le stockage d’énergie et du carbone par les plantes, ce qui en fait un des polysaccharides les plus abondants sur Terre. Malgré nos connaissances sur le métabolisme de l’amidon, le processus d'initiation de la synthèse des grains d’amidon n’est pas décrit. La découverte de l’amidon-synthase 4 (SS4) en tant que protéine principalement impliquée dans le processus d’initiation de l’amidon, a permis de faire de grands progrès dans ce domaine. En effet, cette enzyme est impliquée dans le contrôle du nombre, de la forme et de la taille des grains d’amidon synthétisés dans les chloroplastes. La recherche de facteurs protéiques interagissant avec SS4 a conduit à la découverte d’un nouveau facteur protéique faisant l’objet principal de ce manuscrit. Cette protéine nommée PII1 (protéine impliquée dans l'initiation de l'amidon ; 90KDa) interagit avec SS4 dans le chloroplaste. L’analyse du phénotype amidon associé à son inhibition révèle l'implication de la protéine PII1 dans le mécanisme déterminant le nombre de grains d'amidon dans les feuilles d'Arabidopsis thaliana. Afin d’avoir un aperçu plus global des connexions qui relient les différents facteurs protéiques impliqués dans l’initiation de la synthèse de l’amidon, des lignées doubles mutantes ont été sélectionnées et caractérisées : ss3pii1, ss4pii1 et ss4phs1. Les résultats mettent en évidence le rôle spécifique de PII1 dans l'initiation de l'amidon par rapport aux amidon-synthases. Ils ont également permis de mettre en avant l'implication de la phosphorylase, dans l'initiation de l'amidon dans les tissus non-photosynthétiques.
Most of photosynthetic organisms accumulate starch to store carbon and energy produced during photosynthesis. It is thus one of the most abundant storage polysaccharides on earth. Despite our knowledge of starch granule properties and metabolism, its initiation process remains poorly understood. Great progress in this field has been made through the discovery of the starch synthase 4 (SS4) as a major protein involved in starch priming in Arabidopsis chloroplasts. Indeed, this enzyme controls the number of the starch granules per chloroplast, but also their shape and their size. During my PhD, I focused my research on the analysis of a protein called PII1 (protein involved in starch initiation 90KDa) that interact with SS4 within the chloroplast. This study reveals the involvement of the PII1 protein in the machinery determining starch granules number in Arabidopsis thaliana leaves. Then, I tried to find new clues on the global comprehension of starch initiation. This was achieved by reporting the phenotypic analysis of double mutations including mutation of protein involved in starch initiation: ss3pii1, ss4pii1 and ss4phs1. These results highlight the specific role of PII1 in starch initiation compared to starch synthase. We also found evidence of the implication of phosphorylase PHS1 in starch initiation within non-photosynthetic organs.
L’amidon est un composé permettant le stockage d’énergie et du carbone par les plantes, ce qui en fait un des polysaccharides les plus abondants sur Terre. Malgré nos connaissances sur le métabolisme de l’amidon, le processus d'initiation de la synthèse des grains d’amidon n’est pas décrit. La découverte de l’amidon-synthase 4 (SS4) en tant que protéine principalement impliquée dans le processus d’initiation de l’amidon, a permis de faire de grands progrès dans ce domaine. En effet, cette enzyme est impliquée dans le contrôle du nombre, de la forme et de la taille des grains d’amidon synthétisés dans les chloroplastes. La recherche de facteurs protéiques interagissant avec SS4 a conduit à la découverte d’un nouveau facteur protéique faisant l’objet principal de ce manuscrit. Cette protéine nommée PII1 (protéine impliquée dans l'initiation de l'amidon ; 90KDa) interagit avec SS4 dans le chloroplaste. L’analyse du phénotype amidon associé à son inhibition révèle l'implication de la protéine PII1 dans le mécanisme déterminant le nombre de grains d'amidon dans les feuilles d'Arabidopsis thaliana. Afin d’avoir un aperçu plus global des connexions qui relient les différents facteurs protéiques impliqués dans l’initiation de la synthèse de l’amidon, des lignées doubles mutantes ont été sélectionnées et caractérisées : ss3pii1, ss4pii1 et ss4phs1. Les résultats mettent en évidence le rôle spécifique de PII1 dans l'initiation de l'amidon par rapport aux amidon-synthases. Ils ont également permis de mettre en avant l'implication de la phosphorylase, dans l'initiation de l'amidon dans les tissus non-photosynthétiques.
Most of photosynthetic organisms accumulate starch to store carbon and energy produced during photosynthesis. It is thus one of the most abundant storage polysaccharides on earth. Despite our knowledge of starch granule properties and metabolism, its initiation process remains poorly understood. Great progress in this field has been made through the discovery of the starch synthase 4 (SS4) as a major protein involved in starch priming in Arabidopsis chloroplasts. Indeed, this enzyme controls the number of the starch granules per chloroplast, but also their shape and their size. During my PhD, I focused my research on the analysis of a protein called PII1 (protein involved in starch initiation 90KDa) that interact with SS4 within the chloroplast. This study reveals the involvement of the PII1 protein in the machinery determining starch granules number in Arabidopsis thaliana leaves. Then, I tried to find new clues on the global comprehension of starch initiation. This was achieved by reporting the phenotypic analysis of double mutations including mutation of protein involved in starch initiation: ss3pii1, ss4pii1 and ss4phs1. These results highlight the specific role of PII1 in starch initiation compared to starch synthase. We also found evidence of the implication of phosphorylase PHS1 in starch initiation within non-photosynthetic organs.
08-10-2019
08-10-2019
Thèse
Thèse

Caractérisation diélectrique et thermique de films biopolymères pour l’électronique flexible haute fréquence
Caractérisation diélectrique et thermique de films biopolymères pour l’électronique flexible haute fréquence


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Les matériaux biopolymères sont l’objet d’un engouement très fort pour des applications très variées dans de nombreux domaines d’activités où ils remplacent de plus en plus les polymères pétrosourcés. Compte tenu de leurs propriétés, parmi lesquelles la biocompatibilité, la biodégradabilité, la flexibilité et la légèreté, ils suscitent un intérêt croissant dans le domaine de l’électronique. Néanmoins, leur possible intégration dans l’électronique haute fréquence passe par l’étude de propriétés importantes telles que la conductivité thermique et la permittivité diélectrique complexe. Dans ce travail nous nous intéressons à deux biopolymères en particulier, l’acide poly lactique (PLA) et le palmitate de cellulose (CP). L’extraction des propriétés de ces matériaux est réalisée au travers de la mise en œuvre de deux méthodes. La méthode 3ω pour la détermination de la conductivité thermique et la méthode dite des deux lignes pour la détermination de la permittivité diélectrique complexe. Cette dernière est mesurée sur une bande de fréquences allant de 0,5 à 67 GHz. Ces deux techniques de caractérisation requièrent la réalisation de lignes métalliques en surface des films biopolymères qui compte tenu de leur nature supportent mal les procédés de photolithographie. Aussi, des procédés alternatifs ont été développés pour répondre à ce challenge technologique. Ce travail expérimental est accompagné d’études de modélisation sur les deux volets, estimations de la conductivité thermique et de la permittivité diélectrique complexe des matériaux investigués. La confrontation des modèles proposés, analytiques et numériques, aux données expérimentales montre une bonne compréhension du problème de caractérisation de ces biopolymères.
Biopolymer materials attract significant attention in many fields where they tend to replace petrosourced polymers. Thanks to their properties, such as biocompatibility, biodegradability, flexibility and lightness, biopolmyers are also increasingly used in many electronic applications. Nevertheless, their possible integration into high-frequency electronics requires the study of important properties such as thermal conductivity and dielectric complex permittivity. In this work we are interested in two biopolymers in particular, poly lactic acid (PLA) and cellulose palmitate (CP). The extraction of the properties of these materials is carried out through the implementation of two methods. The means selected are the 3ω method for the thermal conductivity and the two-line method for the dielectric complex permittivity. This latter is measured in the frequency band 0.5 - 67 GHz. These two characterization techniques require the realization of metal lines on the surface of the biopolymer films. Since biopolymers are not compatible with classical photolithography method, an alternative processes have been developed to meet this technological challenge. This experimental work is accompanied by modeling studies on both aspects, estimates of the thermal conductivity and the complex dielectric permittivity of the investigated materials. The comparison of the proposed analytical and numerical models with the experimental data shows a good understanding of the problem of characterization of these biopolymers.
Les matériaux biopolymères sont l’objet d’un engouement très fort pour des applications très variées dans de nombreux domaines d’activités où ils remplacent de plus en plus les polymères pétrosourcés. Compte tenu de leurs propriétés, parmi lesquelles la biocompatibilité, la biodégradabilité, la flexibilité et la légèreté, ils suscitent un intérêt croissant dans le domaine de l’électronique. Néanmoins, leur possible intégration dans l’électronique haute fréquence passe par l’étude de propriétés importantes telles que la conductivité thermique et la permittivité diélectrique complexe. Dans ce travail nous nous intéressons à deux biopolymères en particulier, l’acide poly lactique (PLA) et le palmitate de cellulose (CP). L’extraction des propriétés de ces matériaux est réalisée au travers de la mise en œuvre de deux méthodes. La méthode 3ω pour la détermination de la conductivité thermique et la méthode dite des deux lignes pour la détermination de la permittivité diélectrique complexe. Cette dernière est mesurée sur une bande de fréquences allant de 0,5 à 67 GHz. Ces deux techniques de caractérisation requièrent la réalisation de lignes métalliques en surface des films biopolymères qui compte tenu de leur nature supportent mal les procédés de photolithographie. Aussi, des procédés alternatifs ont été développés pour répondre à ce challenge technologique. Ce travail expérimental est accompagné d’études de modélisation sur les deux volets, estimations de la conductivité thermique et de la permittivité diélectrique complexe des matériaux investigués. La confrontation des modèles proposés, analytiques et numériques, aux données expérimentales montre une bonne compréhension du problème de caractérisation de ces biopolymères.
Biopolymer materials attract significant attention in many fields where they tend to replace petrosourced polymers. Thanks to their properties, such as biocompatibility, biodegradability, flexibility and lightness, biopolmyers are also increasingly used in many electronic applications. Nevertheless, their possible integration into high-frequency electronics requires the study of important properties such as thermal conductivity and dielectric complex permittivity. In this work we are interested in two biopolymers in particular, poly lactic acid (PLA) and cellulose palmitate (CP). The extraction of the properties of these materials is carried out through the implementation of two methods. The means selected are the 3ω method for the thermal conductivity and the two-line method for the dielectric complex permittivity. This latter is measured in the frequency band 0.5 - 67 GHz. These two characterization techniques require the realization of metal lines on the surface of the biopolymer films. Since biopolymers are not compatible with classical photolithography method, an alternative processes have been developed to meet this technological challenge. This experimental work is accompanied by modeling studies on both aspects, estimates of the thermal conductivity and the complex dielectric permittivity of the investigated materials. The comparison of the proposed analytical and numerical models with the experimental data shows a good understanding of the problem of characterization of these biopolymers.
02-09-2019
02-09-2019
Thèse
Thèse

Co-design et implémentation d’un noyau minimal orienté par sa preuve, et évolution vers les architectures multi-coeur
Co-design et implémentation d’un noyau minimal orienté par sa preuve, et évolution vers les architectures multi-coeur


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Avec la croissance majeure de l’Internet des Objets et du Cloud Computing, la sécurité dans ces systèmes est devenue un problème majeur. Plusieurs attaques ont eu lieu dans les dernières années, mettant en avant la nécessité de garanties de sécurité fortes sur ces systèmes. La plupart du temps, une vulnérabilité dans le noyau ou un de ses modules est suffisante pour compromettre l’intégralité du système. Établir et prouver des propriétés de sécurité par le biais d’assistants de preuve semble être un grand pas en avant vers l’apport de garanties de sécurité. Cela repose sur l’utilisation de modèles mathématiques dans le but de raisonner sur leur comportement, et d’assurer que ce dernier reste correct. Cependant, en raison de la base de code importante des logiciels s’exécutant dans ces systèmes, plus particulièrement le noyau, cela n’est pas une tâche aisée. La compréhension du fonctionnement interne de ces noyaux, et l’écriture de la preuve associée à une quelconque propriété de sécurité, est de plus en plus difficile à mesure que le noyau grandit en taille. Dans cette thèse, je propose une nouvelle approche de conception de noyau, le proto-noyau. En réduisant les fonctionnalités offertes par le noyau jusqu’à leur plus minimal ensemble, ce modèle, en plus de réduire au maximum la surface d’attaque, réduit le coût de preuve au maximum. Il permet également à un vaste ensemble de systèmes d’être construits par-dessus, considérant que la minimalité des fonctionnalités comprises dans le noyau oblige les fonctionnalités restantes à être implémentées en espace utilisateur. Je propose également dans cette thèse une implémentation complète de ce noyau, sous la forme du proto-noyau Pip. En ne fournissant que les appels systèmes les plus minimaux et indispensables, l’adaptation du noyau à des usages concrets et la faisabilité de la preuve sont assurées. Afin de réduire le coût de transition modèlevers-binaire, la majorité du noyau est écrite directement en Gallina, le langage de l’assistant de preuve Coq, et est automatiquement convertie en code C compilable pendant la phase de compilation. Pip ne repose alors que sur une fine couche d’abstraction matérielle écrite dans des langages de bas niveau, qui ne fournit que les primitives que le modèle requiert, telles que la configuration du matériel. De plus, étant donné que l’Internet des Objets et le Cloud Computing nécessitent aujourd’hui ces architectures, je propose plusieurs extensions au modèle de Pip afin de supporter le matériel multi-cœur. Soutenus par des implémentations, ces modèles permettent d’apporter le proto-noyau Pip dans les architectures multi-coeur, apportant ainsi des garanties de sécurité fortes dans ces environnement. Enfin, je valide mon approche et son implémentation par le biais d’évaluations de performances et d’une preuve de concept de portage de noyau Linux, démontrant ainsi la flexibilité du proto-noyau Pip dans des environnements réels.
Due to the major growth of the Internet of Things and Cloud Computing worlds, security in those systems has become a major issue. Many exploits and attacks happened in the last few years, highlighting the need of strong security guarantees on those systems. Most of the times, a vulnerability in the kernel or one of its modules is enough to compromise the whole system. Etablishing and proving security properties through proof assistants seems to be a huge step towards bringing security guarantees. This relies on using mathematical models in order to reason on their behaviour, and prove the latter remains correct. Still, due to the huge and complex code base of the software running on those systems, especially the kernel, this is a tedious task. Understanding the internals of those kernels, and writing an associated proof on some security property, is more and more difficult as the kernel grows in size. In this thesis, I propose a new approach of kernel design, the proto-kernel. By reducing the features provided by the kernel to their most minimal subset, this model, in addition to lowering the attack surface, reduces the cost of the proof effort. It also allows a wide range of systems to be built on top of it, as the minimality of the features embedded into the kernel causes the remaining features to be built at the userland level. I also provide in this thesis a concrete implementation of this model, the Pip proto-kernel. By providing only the most minimal and mandatory system calls, both the usability of the kernel and the feasibility of the proof are ensured. In order to reduce the model-to-binary transition effort, most of the kernel is written directly in Gallina, the language of the Coq Proof Assistant, and is automatically converted to compilable C code during compilation phase. Pip only relies on a thin hardware abstraction layer written in low-level languages, which provides the operations the model requires, such as modifying the hardware configuration. Moreover, as Internet of Things and Cloud Computing use cases would require, I propose some extensions of Pip’s model, in order to support multicore hardware. Backed up by real implementations, those models bring the Pip proto-kernel to multicore architectures, bringing strong security guarantees in those modern environments. Finally, I validate my approach and its implementation through benchmarks and a Linux kernel port proof-of-concept, displaying the flexibility of the Pip proto-kernel in real world environments.
Avec la croissance majeure de l’Internet des Objets et du Cloud Computing, la sécurité dans ces systèmes est devenue un problème majeur. Plusieurs attaques ont eu lieu dans les dernières années, mettant en avant la nécessité de garanties de sécurité fortes sur ces systèmes. La plupart du temps, une vulnérabilité dans le noyau ou un de ses modules est suffisante pour compromettre l’intégralité du système. Établir et prouver des propriétés de sécurité par le biais d’assistants de preuve semble être un grand pas en avant vers l’apport de garanties de sécurité. Cela repose sur l’utilisation de modèles mathématiques dans le but de raisonner sur leur comportement, et d’assurer que ce dernier reste correct. Cependant, en raison de la base de code importante des logiciels s’exécutant dans ces systèmes, plus particulièrement le noyau, cela n’est pas une tâche aisée. La compréhension du fonctionnement interne de ces noyaux, et l’écriture de la preuve associée à une quelconque propriété de sécurité, est de plus en plus difficile à mesure que le noyau grandit en taille. Dans cette thèse, je propose une nouvelle approche de conception de noyau, le proto-noyau. En réduisant les fonctionnalités offertes par le noyau jusqu’à leur plus minimal ensemble, ce modèle, en plus de réduire au maximum la surface d’attaque, réduit le coût de preuve au maximum. Il permet également à un vaste ensemble de systèmes d’être construits par-dessus, considérant que la minimalité des fonctionnalités comprises dans le noyau oblige les fonctionnalités restantes à être implémentées en espace utilisateur. Je propose également dans cette thèse une implémentation complète de ce noyau, sous la forme du proto-noyau Pip. En ne fournissant que les appels systèmes les plus minimaux et indispensables, l’adaptation du noyau à des usages concrets et la faisabilité de la preuve sont assurées. Afin de réduire le coût de transition modèlevers-binaire, la majorité du noyau est écrite directement en Gallina, le langage de l’assistant de preuve Coq, et est automatiquement convertie en code C compilable pendant la phase de compilation. Pip ne repose alors que sur une fine couche d’abstraction matérielle écrite dans des langages de bas niveau, qui ne fournit que les primitives que le modèle requiert, telles que la configuration du matériel. De plus, étant donné que l’Internet des Objets et le Cloud Computing nécessitent aujourd’hui ces architectures, je propose plusieurs extensions au modèle de Pip afin de supporter le matériel multi-cœur. Soutenus par des implémentations, ces modèles permettent d’apporter le proto-noyau Pip dans les architectures multi-coeur, apportant ainsi des garanties de sécurité fortes dans ces environnement. Enfin, je valide mon approche et son implémentation par le biais d’évaluations de performances et d’une preuve de concept de portage de noyau Linux, démontrant ainsi la flexibilité du proto-noyau Pip dans des environnements réels.
Due to the major growth of the Internet of Things and Cloud Computing worlds, security in those systems has become a major issue. Many exploits and attacks happened in the last few years, highlighting the need of strong security guarantees on those systems. Most of the times, a vulnerability in the kernel or one of its modules is enough to compromise the whole system. Etablishing and proving security properties through proof assistants seems to be a huge step towards bringing security guarantees. This relies on using mathematical models in order to reason on their behaviour, and prove the latter remains correct. Still, due to the huge and complex code base of the software running on those systems, especially the kernel, this is a tedious task. Understanding the internals of those kernels, and writing an associated proof on some security property, is more and more difficult as the kernel grows in size. In this thesis, I propose a new approach of kernel design, the proto-kernel. By reducing the features provided by the kernel to their most minimal subset, this model, in addition to lowering the attack surface, reduces the cost of the proof effort. It also allows a wide range of systems to be built on top of it, as the minimality of the features embedded into the kernel causes the remaining features to be built at the userland level. I also provide in this thesis a concrete implementation of this model, the Pip proto-kernel. By providing only the most minimal and mandatory system calls, both the usability of the kernel and the feasibility of the proof are ensured. In order to reduce the model-to-binary transition effort, most of the kernel is written directly in Gallina, the language of the Coq Proof Assistant, and is automatically converted to compilable C code during compilation phase. Pip only relies on a thin hardware abstraction layer written in low-level languages, which provides the operations the model requires, such as modifying the hardware configuration. Moreover, as Internet of Things and Cloud Computing use cases would require, I propose some extensions of Pip’s model, in order to support multicore hardware. Backed up by real implementations, those models bring the Pip proto-kernel to multicore architectures, bringing strong security guarantees in those modern environments. Finally, I validate my approach and its implementation through benchmarks and a Linux kernel port proof-of-concept, displaying the flexibility of the Pip proto-kernel in real world environments.
27-09-2019
27-09-2019
Thèse
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Composite element method for modelling transient groundwater flow in fractured media and its application to slope stability problem
Composite element method for modelling transient groundwater flow in fractured media and its application to slope stability problem


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Ce travail de thèse propose un modèle numérique complet pour l'écoulement transitoire des eaux souterraines dans les milieux poreux et fracturés et son application sur l’analyse de la stabilité des pentes sous l’effet d’une diminution du niveau de l’eau dans un réservoir. L’écouement de l’eau dans les milieux fracturés est complexe, en raison de la présence d'un grand nombre de fractures et de fortes variations dans les propriétés géométriques et hydrauliques de ces milieux. La thèse est organisée en six chapitres. Le premier chapitre pésente les problèmes abordés et les objectifs de la thèse. Le 2nd chapitre présente une synthèse des analyses numériques de l'écoulement dans les milieux fracturés et de ses effets sur la stabilité des pentes. Le 3ème chapitre présente le développment d’un modèle numérique d'écoulement transitoire saturé dans des milieux fracturés avec une surface libre en utilisant la méthode des éléments composites (CEM). Le 4ème chapitre présente un modèle numérique d'écoulement transitoire à saturation variable, dans les milieux fracturés à l'aide du CEM. Le 5ème chapitre présente une étude de la stabilité des pentes sous l’effet de variation des paramètres hydrauliques et de résistance des sols, et da géométrie des pentes. Le 6ème chapitre présente une étude paramétrique de l'influence des caractéristiques de fracture sur l'écoulement transitoire et la stabilité d’une pente soumise à des conditions de diminution.
This thesis presents a comprehensive numerical method for analyzing transient groundwater flow in porous and fractured media and its application to the analysis of the stability of soil and rock slopes subjected to transient groundwater flow induced by reservoir drawdown conditions. Compared to that of porous media, the analysis of flow in fractured media is relatively complex, due to the presence of a large number of fractures and strong variations in geometric and hydraulic properties. The thesis is organized in six chapters. Chapter 1 presents the issues to be addressed and the thesis objectives. Chapter 2 discusses basic theories related to the numerical analysis of groundwater flow in fractured media and its effects on slope stability. Chapter 3 develops the numerical model of transient, saturated flow in fractured media with a free surface using the composite element method (CEM). Chapter 4 presents the numerical model of transient, variably-saturated flow in fractured media using the CEM. Chapter 5 includes an investigation of the stability of homogeneous soil slopes under drawdown conditions, depending on the drawdown rate, hydraulic and strength parameters of soils, and slope geometry. The last chapter presents a parametric study on the influence of fracture characteristics on transient flow and stability of layered rock slope subjected to drawdown conditions.
Ce travail de thèse propose un modèle numérique complet pour l'écoulement transitoire des eaux souterraines dans les milieux poreux et fracturés et son application sur l’analyse de la stabilité des pentes sous l’effet d’une diminution du niveau de l’eau dans un réservoir. L’écouement de l’eau dans les milieux fracturés est complexe, en raison de la présence d'un grand nombre de fractures et de fortes variations dans les propriétés géométriques et hydrauliques de ces milieux. La thèse est organisée en six chapitres. Le premier chapitre pésente les problèmes abordés et les objectifs de la thèse. Le 2nd chapitre présente une synthèse des analyses numériques de l'écoulement dans les milieux fracturés et de ses effets sur la stabilité des pentes. Le 3ème chapitre présente le développment d’un modèle numérique d'écoulement transitoire saturé dans des milieux fracturés avec une surface libre en utilisant la méthode des éléments composites (CEM). Le 4ème chapitre présente un modèle numérique d'écoulement transitoire à saturation variable, dans les milieux fracturés à l'aide du CEM. Le 5ème chapitre présente une étude de la stabilité des pentes sous l’effet de variation des paramètres hydrauliques et de résistance des sols, et da géométrie des pentes. Le 6ème chapitre présente une étude paramétrique de l'influence des caractéristiques de fracture sur l'écoulement transitoire et la stabilité d’une pente soumise à des conditions de diminution.
This thesis presents a comprehensive numerical method for analyzing transient groundwater flow in porous and fractured media and its application to the analysis of the stability of soil and rock slopes subjected to transient groundwater flow induced by reservoir drawdown conditions. Compared to that of porous media, the analysis of flow in fractured media is relatively complex, due to the presence of a large number of fractures and strong variations in geometric and hydraulic properties. The thesis is organized in six chapters. Chapter 1 presents the issues to be addressed and the thesis objectives. Chapter 2 discusses basic theories related to the numerical analysis of groundwater flow in fractured media and its effects on slope stability. Chapter 3 develops the numerical model of transient, saturated flow in fractured media with a free surface using the composite element method (CEM). Chapter 4 presents the numerical model of transient, variably-saturated flow in fractured media using the CEM. Chapter 5 includes an investigation of the stability of homogeneous soil slopes under drawdown conditions, depending on the drawdown rate, hydraulic and strength parameters of soils, and slope geometry. The last chapter presents a parametric study on the influence of fracture characteristics on transient flow and stability of layered rock slope subjected to drawdown conditions.
03-09-2019
03-09-2019
Thèse
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