La recherche au sein des hautes écoles spécialisées 2012: descriptions, analyses, conclusions

Résumé Contexte et objectifs Les activités de recherche appliquée et développement (Ra&D) font partie du mandat de prestations des hautes écoles spécialisées (HES) prescrit par la loi. Néanmoins la tradition, le type et l'importance de la recherche varient fortement en fonction des domaines d'études. Il en va de même pour les liens avec les autres domaines de prestations que sont l'enseignement, la formation continue et les prestations de services. Les activités de Ra&D dans chaque HES s'inscrivent dans la tension entre l'orientation pratique (qui signifie le plus souvent une orientation vers le marché économique) et l'orientation vers la science (signe de leur rattachement au système scientifique). Il en découle des conflits d'intérêts entre les critères de qualité du « succès sur le marché » et de la « réputation scientifique ». En 2005, sur mandat de la Commission pour la technologie et l'innovation (CTI), B. Lepori et L. Attar (2006) ont mené une étude visant à examiner plus particulièrement les stratégies de recherche et l'organisation de la recherche au sein des hautes écoles spécialisées. Aujourd'hui, six ans plus tard, la phase de mise sur pied est en grande partie terminée. En lançant une nouvelle étude, l'Office fédéral de la formation professionnelle et de la technologie (OFFT) et la Commission fédérale des hautes écoles spécialisées (CFHES) souhaitaient faire le point sur les activités de recherche des HES, c'està- dire examiner les résultats des stratégies et de l'organisation de cette phase. Cette étude s'articule principalement autour de l'état actuel de la recherche, de ses problèmes et de ses perspectives. Structure de l'étude La recherche dans les HES se caractérise par différents facteurs d'influence (cultures disciplinaires, traditions, ancrage dans les régions linguistiques, structures organisationnelles, gouvernance, stratégies de positionnement, personnel, etc.). Dans la présente étude, ces facteurs sont systématiquement examinés selon deux dimensions: le « domaine d'études » et la « haute école spécialisée». L'analyse repose notamment sur l'exploitation de documents et de données. Mais cette étude se fonde principalement sur les entretiens menés avec les représentants des HES à différents niveaux de responsabilités. Les hautes écoles spécialisées (HES) Les entretiens avec les directions des HES ainsi que l'exploitation des données et des documents mettent en évidence la grande diversité des sept HES suisses de droit public dans leur structure, leurs combinaisons de domaines d'études et leurs orientations. Les modes de financement de la recherche varient fortement entre les HES. Concrètement, les sources de financement ne sont pas les mêmes d'une HES à l'autre (contributions des organes responsables, fonds de tiers, etc.). Les degrés et formes du pilotage concernant les contenus de la recherche diffèrent également dans une large mesure (définition de pôles de recherche, soutien cumulatif à l'acquisition de fonds de tiers), de même que les stratégies en matière de recrutement et d'encouragement du personnel. La politique de chaque HES implique des tensions et des problèmes spécifiques. Les domaines d'études Sur les dix domaines d'études, quatre ont été choisis à titre d'exemples pour des études approfondies : Technique et technologies de l'information (TI), Economie et services, Travail social, Musique, arts de la scène et autres arts. Chaque domaine d'études a été examiné à chaque fois dans deux HES. Cette méthode permet de relever les différences et les similitudes. Les résultats confirment qu'il existe des différences importantes à bien des égards entre les domaines d'études évalués. Ces différences concernent la position dans le système des hautes écoles, le volume des activités de recherche, l'importance de la recherche au sein des HES, la tradition, l'identité et l'orientation. Elles se retrouvent par ailleurs dans les buts et la place de la Ra&D dans les domaines d'études concernés. Il ressort toutefois qu'il n'y a pas lieu de parler d'une dichotomie entre les « anciens » et les « nouveaux » domaines d'études : Technique, économie et design (TED) d'une part et Santé, social et arts (SSA) d'autre part. Il semble plus pertinent de désigner le domaine d'études 4/144 Technique et TI comme le domaine dominant auquel se référent le pilotage et le financement des HES, que ce soit implicitement ou explicitement. Cadre homogène et espaces hétérogènes Le pilotage et le financement de la Ra&D au sein des hautes écoles spécialisées s'inscrivent dans un modèle-cadre fixé à l'échelle fédérale et principalement axé sur le domaine d'études Technique. Ce modèle-cadre se caractérise par un apport élevé de fonds de tiers (notamment les subventions de la CTI et les fonds privés) et des incitations en faveur de ce mode de financement, par une orientation vers le marché et par un haut degré d'autonomie des établissements partenaires/départements et instituts. Par comparaison avec les hautes écoles universitaires, les HES affichent notamment un faible niveau de financement de base dans le secteur Ra&D. Cet état de fait est certes compatible avec la forme actuelle du financement par la CTI, mais pas avec les règles de financement du Fonds national suisse (FNS). Un financement principalement basé sur les fonds de tiers signifie par ailleurs que l'orientation du contenu de la recherche et la définition de critères de qualité sont confiées à des instances externes, notamment aux mandants et aux institutions d'encouragement de la recherche. Il apparaît en dernier lieu qu'un tel modèle-cadre ne favorise pas les politiques visant à la constitution de pôles de recherche, l'obtention d'une taille critique, et la mise en place d'une coordination. Ces résultats concernent tous les domaines d'études sans avoir pour autant les mêmes conséquences : les domaines d'études se prêtant dans une faible mesure à l'acquisition de fonds de tiers sur des marchés économiques (dans cette étude, il s'agit essentiellement de la Musique, arts de la scène et autres arts, mais également du Travail social dans certains cas) ont plus de difficultés à répondre aux attentes énoncées en termes de succès et de profit. Les HES modifient plus ou moins le modèle-cadre en élaborant elles-mêmes des modèles d'organisation qui prennent en compte leur combinaison de domaines d'études et soutiennent leurs propres orientations et positionnements stratégiques. La combinaison de domaines d'études hétérogènes et de politiques différentes au sein des HES se traduit par une complexité du système des HES, beaucoup plus importante que ce que généralement supposée. De plus, au regard des connaissances lacunaires sur les structures « réelles » de gouvernance des HES, il n'est quasiment pas possible de comparer directement les hautes écoles spécialisées entre elles. Conclusions et recommandations Le principal constat qui ressort d'un ensemble de conclusions et de recommandations des auteurs est que le secteur Ra&D dans les HES doit être plus explicitement évalué en fonction des spécificités des domaines d'études, à savoir du rôle de la recherche pour l'économie et la société, des différences entre les marchés (économiques) correspondants et de l'importance de la Ra&D pour les objectifs visés. L'étude montre clairement qu'il n'y a pas à proprement parler une seule et unique recherche au sein des hautes écoles spécialisées et que la notion de « recherche appliquée » ne suffit ni comme description ni, par conséquence, comme critère d'identité commun. Partant de ce constat, nous recommandons de revoir le mode de financement de la recherche dans les HES et d'approfondir le débat sur les structures de gouvernance sur l'orientation de la Ra&D (et notamment sur les critères de qualité appliqués), de même que sur l'autonomie et la coordination. Les recommandations constituent des points de discussion et n'engagent aucunement l'OFFT ou la CFHES.

The major histocompatibility complex and perfumers' descriptions of human body odors

The MHC (major histocompatibility complex) is a group of genes that play a crucial role in immune recognition and in tolerance of tissue grafting. The MHC has also been found to influence body odors, body odor preferences, and mate choice in mice and humans. Here we test whether verbal descriptions of human body odors can be linked to the MHC. We asked 45 male students to live as odor neutral as possible for two consecutive days and to wear a T-shirt during the nights. The odors of these T-shirts were then described by five evaluators: two professional perfumers and three laymen. One of the perfumers was able to describe the T-shirt odors in such a way that some of the allelic specificity of the MHC was significantly revealed (after Bonferroni correction for multiple testing). This shows that, although difficult, some people are able to describe MHCcorrelated body odor components.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.