Date : le mardi 28 novembre 2023 à 14h00 / Amphithéâtre du LMA

Abstract : The lipid bilayer forms the dynamic boundary of cells, while the cytoskeleton provides structural support which is connected to the bilayer through protein junction complexes. Classically, these two structures are often modelled as a single entity for computational simplicity, neglecting the fact that they slide in relation to each other. We develop a realistic representation that accurately depicts the bilayer-cytoskeleton structure which is validated using red blood cells (RBC), by carefully analysing its dynamics in flow. Moreover, as the study progresses, this will be extended to investigate the activation of T cells by the coordinated actions of the cytoskeleton and condensation of the T cell receptor (TCR). 

Through comprehensive computational assessments of various modelling strategies by analyzing RBC behaviour in different flow scenarios, including extensional and shear flows, we explore the efficacy of double-layer strategies, such as the vesicle-capsule and capsule-capsule models, in accounting for the fluidity and surface incompressibility of the lipid bilayer. The double-layer capsule-capsule model is then employed to examine the localized reorganization of the cytoskeleton within T cells which subsequently resorb microvilli and triggers cell activation through the condensation of TCRs. The developed T cell model faithfully replicates the behaviour of an entire T cell during its interaction with an antigen-presenting cell. Our work illuminates the significance of establishing a region with a spontaneous actin deficit to facilitate seamless contact with the T cell, thereby enabling TCR condensation within a specific zone. The dynamic interplay between actin depolymerization and TCR condensation emerges as a pivotal factor in the process of T cell activation. Our findings indicate that the cell's geometry and cytoskeleton depolymerisation together initiate condensation at the tip of microvilli. Additionally, our investigations delve into the role of surface tension in instigating the formation of condensates at the immune synapse.

Our findings also reveal relevant information about the membrane dynamics such that introducing sliding between the layers provides the cytoskeleton with a significant degree of freedom to relax its elastic stresses, resulting in a substantial increase in RBC elongation. Moreover, our research demonstrates that the choice of membrane modelling strategy for RBCs has a more profound impact on their behaviour than the selection of the cytoskeleton's reference shape. These results underscore the importance of not solely considering mechanical properties but also emphasize the necessity of integrating these properties thoughtfully in computational models. Interestingly, our study uncovers a novel indicator for determining the appropriate stress-free shape of the RBC cytoskeleton, contributing to a deeper understanding of its biomechanics and offering valuable insights for future modelling efforts in the field.

Date : le jeudi 28 septembre 2023 à 13h00 / Amphi n°1- Centrale Méditerranée

Mme GUICHARDON Pierrette, Professeure, ECOLE CENTRALE DE MARSEILLE- Direction de thèse

M. DU Jiupeng, Maître de conférences, ECOLE CENTRALE MARSEILLE - Coencadrement de thèse

M. LEONETTI Marc, Directeur de recherche, Aix Marseille Université - Examinateur

Mme SCHMITT Véronique, Directrice de recherche, Université de Bordeaux 1 - Présidente

M. BREMOND Nicolas, Maître de conférences, ESPCI Paris - Rapporteur

Mme MUSCHERT Susanne, Maîtresse de conférence, Université de Lille – Rapporteuse

M. MONTAGNIER Bruno, CEO Capsudev Lab – Invité

M. HUBAUD Jean-Claude, CEO Hélioscience - Invité 

Date : le mercredi 27 septembre 2023 à 14h00 / Amphi n°3 - Centrale Méditerranée

Abstract : Helicopter performance is one of the most important elements for the competitiveness of the aircraft. This performance depends mainly on the available power, which comes essentially from its engine(s). Nevertheless, their operation requires an engine architecture, including an air intake and an exhaust system (nozzle), sensitive to environmental conditions. Thus, when the engine is integrated into the helicopter, the airflow entering the engine is subject to several aerothermal and/or aerodynamic disturbances, which can have a significant impact on the final power delivered by the engine as well as its operability. The difference between the power delivered by the engine in flight and the power delivered by the engine on the test bench is defined as installation effects. Usually, installation effects are determined during dedicated flight tests once the helicopter design is already fixed. Within the last few years, the arrival of the new generation of aircraft complexifies engine integration. In order to cope with the lack of upstream installation effect data during the development cycle impacting the final installed power and to reduce the risks associated with these new architectures, it is necessary to estimate the installation effects before the first flight tests. The objective of this thesis is to provide a methodological component for the modelization of installation effects, that can be used throughout the development of a helicopter. For this purpose, two approaches were investigated, a first approach called physical which is based on the modelization of the installation effects, and a second called Statistical based approach that aims to provide an additional level of information to the physical one. The first approach proposes a method for simulating installation effects before flight tests to reduce helicopter development costs and risks. It uses the reproduction of the engine's thermodynamic cycle coupled with computational fluid dynamics in the air inlet to predict the incoming flow into the engine. The results have been validated by comparison with dedicated flight tests, showing a good representation of installation effects with an accuracy of approximately 1%. This method can be used at any flight phase but does not capture the dispersion of effects. The second approach, called statistical, complements the weaknesses of the physical approach by considering the dispersion of installation effects. Additional CFD simulations with different helicopter attitudes allowed for a sensitivity analysis, demonstrating the importance of including the aircraft attitude in the simulation of installation effects. This combined approach, along with the simulation of installation effects, captures up to 90% of flight test points. Furthermore, a simulation method for installation effects based on machine learning allows for estimating the installation effects of an untested configuration using the flight test results obtained from another configuration. This approach combines machine learning and physics, thus reducing the number of flight tests required to define installation effects when modifying the air intake configuration. The use of these methods during the development process helps reduce risks and the number of flight tests needed to determine installation effects. Moreover, their applicability to all engine architectures and air intake configurations makes them a valuable set of tools for the development of new helicopters. 

Date : le mercredi 5 avril 2023 à 14h00 / Amphi n°3 - Centrale Méditerranée

Résumé : Ce travail consiste à développer et à évaluer des stratégies d'adaptivité $h$ afin d'améliorer les capacités de calcul du solveur de fluide SOLEDGE3X-HDG pour simuler les plasmas de fusion de bord dans des dispositifs magnétiques tels qu'ITER.

Les expérimentations de fusion futures doivent gérer durablement des températures élevées pour permettre les réactions, et par conséquent des flux de chaleur intense sur les parois des tokamaks. Des conditions opérationnelles difficiles doivent être mises en place sur la machine afin de maintenir la combustion du plasma dans le cœur tout en assurant une répartition suffisante de la puissance sur les composants dédiés des parois, en assurant que les flux thermiques à la paroi soient compatibles avec les contraintes imposées par les matériaux du mur. Un plasma dans un tokamak constitue par sa température un environnement extrême, dans lequel les mesures sont difficiles et rares. La modélisation numérique a donc un rôle important à jouer dans l'interprétation des décharges de plasma et l'investigation de moyens d'améliorer les scénarios de plasma.

Dans ce contexte, le code SOLEDGE3X-HDG résout les équations de transport fluide en 2D dans des géométries magnétiques et de paroi de tokamak précises, en utilisant une méthode de Galerkin Discontinue Hybride (HDG). Ce formalisme, construit dans un cadre d'éléments finis d'ordre élevé, est bien adapté à la résolution des équations de conservation dans la géométrie complexe d'un tokamak. L'avancement dans le temps est effectué avec une discrétisation entièrement implicite utilisant des itérations Newton-Raphson. Un désign inadéquat du maillage peut conduire à des difficultés dans le cas où le maillage choisi est trop grossier localement, notamment près de la dernière surface de flux fermée ou sur les coins de la paroi avec des valeurs réalistes des diffusivités turbulentes, ou dans le cas où le maillage est trop raffiné, ce qui conduit à des temps de calcul inacceptables.

Cette thèse explore la possibilité d'automatiser le remaillage grâce à l'adaptivité spatiale de type \textit{h} afin de donner aux utilisateurs un accès plus fiable à des simulations localement raffinées avec des besoins moindres en mémoire et en temps de calcul. Cette investigation est réalisée à l'aide d'un modèle réduit 2D pour la densité ionique et la quantité de mouvement parallèle, qui est pertinent et représentatif du transport du plasma et de son interaction avec la paroi dans le bord d'un tokamak.  

Le maillage est optimisé de manière itérative en adaptant la taille des éléments du maillage à l'erreur locale jusqu'à ce qu'un estimateur global de l'erreur atteigne une valeur seuil. Plusieurs estimateurs sont examinés pour caractériser la distribution spatiale de l'erreur et conduire l'optimisation du maillage.

L'estimateur d'erreur basé sur la solution numérique conduit à une amélioration de la discrétisation, réduisant le nombre de degrés de liberté nécessaires tout en conservant une précision suffisante de la solution. La stratégie d'adaptation est encore améliorée par l'utilisation d'un indicateur qui identifie les éléments dans lesquels de fortes oscillations sont présentes et impose le raffinement dans ces éléments.

La stratégie finale développée repose sur une adaptation du maillage basée sur un estimateur de la norme $\mathcal{L}^2$ de l'erreur qui utilise la propriété de superconvergence de la discrétisation HDG pour limiter au minimum l'effort d'évaluation de l'estimateur. La prédiction de la taille d'élément requise localement est ensuite déterminée à l'aide d'une extrapolation de Richardson qui permet à la fois le d'agrandir les éléments ou de les raffiner. Un indicateur d'oscillation, basé sur la contribution d'ordre plus élevé à la norme locale du nombre de Mach, est utilisé simultanément pour raffiner systématiquement les éléments problématiques.

Cette stratégie est testée dans une géométrie réaliste de la section poloïdale d'un tokamak, à la fois sur des calculs statiques des équilibres de transport et sur des calculs instationnaires de la propagation de la perturbation de la densité. On observe que la stratégie d'adaptivité \textit{h} augmente la robustesse des calculs effectués par SOLEDGE3X-HDG et garantit systématiquement que le nombre d'éléments utilisés est inférieur à celui d'un maillage uniforme requis pour le même calcul.

Jury :

RAPPORTEURS

Paola CINNELLA, professeur à Sorbonne Université / Institut d'Alembert, Paris

Suad JAKIRLIC, professeur à la Technische Universität Darmstadt (Allemagne)

Michel VISONNEAU, directeur de recherche CNRS, LHEEA, Nantes

EXAMINATEURS

Eric SERRE, directeur de recherche CNRS, M2P2, Marseille (président)

Rémi MANCEAU, directeur de recherche CNRS, LMAP, Pau

Stéphane VIAZZO, maître de conférences HDR à Aix-Marseille Université / M2P2 (tuteur)