UPThèses

Ce travail, divisé en deux parties principales, porte sur l’étude du transport de chaleur dans les nano-couches excitées par une source laser d'intensité modulée. Dans la première partie, nous exploitons la solution analytique de l’équation de transport de Boltzmann appliquée aux phonons pour décrire les variations de la température et du flux de chaleur dans les films minces diélectriques excités par un laser d’intensité modulée. Cette dernière solution nous permet de modéliser le comportement de la résistance thermique d’interface (RTI) entre deux couches diélectriques en fonction de la nature du régime du transport des phonons et de la fréquence de modulation. Dans le régime stationnaire, nous montrons que cette résistance d’interface présente un caractère non-intrinsèque et asymétrique par rapport aux propriétés des deux couches. En plus, elle devient très importante quand le régime du transport des phonons est balistique. Nos résultats sont en bon accord avec le modèle DMM dans le régime balistique, tandis que l’écart entre les deux modèles ne dépasse pas 16% dans le régime diffusif. Cependant, en régime dynamique, la RTI atteint son maximum à une fréquence caractéristique dans la limite diffusive. L’expression de cette fréquence caractéristique pourrait servir à déterminer le libre parcours moyen et le temps de relaxation des phonons dominants de la couche d’épaisseur finie en comparant les données expérimentales aux résultats théoriques. Dans la seconde partie, nous proposons trois différentes méthodes pour extraire simultanément la diffusivité et la conductivité thermiques d’une couche finie en se basant sur l’équation de la chaleur de Fourier. L’idée est d’utiliser l’expression exacte du profil de température à la face avant lorsque celle-ci est excitée par un flux thermique modulé, tandis que la face arrière peut être maintenue à trois différentes conditions : température modulée, flux thermique modulé où température constante. Nous déterminons les expressions des fréquences de modulation auxquelles le profil de température atteint ses premiers maximum et minimum. La combinaison de ces fréquences caractéristiques avec le rapport entre les premiers maximum et minimum de la température, conduit ainsi à la détermination de la diffusivité et de la conductivité thermiques.

L’impédance d’un accumulateur électrochimique est principalement caractérisée par trois phénomènes : la conduction électronique, le transfert de charge et la diffusion ionique. La modélisation de ces phénomènes fait intervenir des fonctions de transfert non rationnelles et non directement simulables dans le domaine temporel. Leur approximation par des modèles fractionnaires (ou modèles d’ordre non entier) devient alors judicieuse pour estimer les caractéristiques de l’impédance à partir non seulement de mesures fréquentielles (spectroscopie), mais aussi de mesures temporelles (chronopotentiométrie). La chronopotentiométrie permet en effet de s’affranchir des contraintes de la spectroscopie pour laquelle les mesures nécessitent un équipement plus complexe et des durées d’acquisition plus longues, en particulier aux basses fréquences. Des stratégies d’identification de ces modèles ont été développées et appliquées expérimentalement sur une cellule électrochimique de type Ferri ferrocyanure ainsi que sur des accumulateurs Lithium-ion et Nickel Métal-Hydrure. Les essais de caractérisation de ces éléments sont effectués à différents états de charge et les résultats obtenus montrent l’intérêt et la pertinence de la méthodologie utilisée.

Un système multi-agents est composé d’un ensemble d’agents interagissant entre eux et avec leur environnement, un agent étant vu comme un système dynamique autonome. La force des SMA repose sur la capacité des agents à coopérer entre eux pour atteindre un objectif qu’un agent seul ne pourrait atteindre. Chaque agent partage ses informations avec ses voisins, ce qui permet à l’ensemble des agents de s’accorder sur un objectif commun sans qu’il y ait pour autant une centralisation de l’information et de l’objectif. En ce sens, un système multi-agents peut être vu comme un réseau dans lequel l’information est distribuée. L’intérêt croissant pour le contrôle distribué et la coordination des réseaux constitués d’agents autonomes est motivé par l’absence de centralisation de l’information et la possibilité d’avoir une topologie du réseau variable. Les algorithmes de contrôle déployés sur ces réseaux sont de nature distribuée puisqu’ils s’appuient sur des informations locales, et sont robustes vis-à-vis des variations de topologie et de taille du réseau. Le problème le plus étudié dans le cadre de ces systèmes multi-agents est celui du consensus, qui peut être résumé ainsi : étant donné des conditions initiales pour chaque agent, quelles sont les conditions pour que les agents s’accordent asymptotiquement sur une valeur commune en n’échangeant que des informations entre agents voisins. Cette thèse traite du développement de commandes permettant d’atteindre ce consensus pour des topologies fixes et variables, en présence ou non d’un leader (suivi de consensus), et sur la qualité des informations transitant dans le réseau. En suivi de consensus, la notion de leader perceptif est développée et une commande est proposée pour une topologie fixe et variable.

Le dioxyde de carbone et le méthane représentent les deux principaux gaz à effet de serre produits par l’Homme. Dans le contexte environnemental actuel, leur valorisation constitue un enjeu scientifique majeur. Cette thèse s’inscrit ainsi dans cet objectif de valorisation du CO2 et du CH4. Pour cela, la réaction de reformage sec du méthane a été réalisée par couplage plasma non-thermique et catalyse. De façon générale, des catalyseurs à base de métaux, comme Ni/Al2O3, sont utilisés lors du couplage plasma-catalyse. Toutefois, les résultats obtenus en termes de conversions et de sélectivités sont très hétérogènes, voire contradictoires. Afin de mieux comprendre les origines de cette disparité, l’influence de la nature du solide présent dans la zone plasma a été étudiée. Pour ce faire, divers oxydes métalliques, tels que γ-Al2O3, α-Al2O3, MgO, CaO, La2O3, ZnO, CeO2, SiO2, BaO, TiO2 ou encore une zéolithe, ont été sélectionnés pour leurs propriétés physico-chimiques distinctes (permittivité, acidité, basicité, surface spécifique). Ces oxydes ont été testés dans des conditions opératoires identiques en utilisant un réacteur plasma à barrière diélectrique (DBD), une puissance de 8W (fréquence 800 Hz, tension de 13 et 16 kV), et un débit total de 40 mL.min-1, l’hélium étant le constituant majoritaire : 75% volumique. L’étude des caractéristiques physiques des catalyseurs a par exemple permis de souligner l’impact de la permittivité ou de la taille des grains des différents matériaux sur la décharge. Une constante diélectrique élevée n’est pas favorable à la réaction. La présence de TiO2 (εr=2903) dans la décharge entraîne une chute des conversions du CH4 et du CO2, qui passent respectivement de 20 et 9 % à vide, à 5 et 2% avec TiO2. Par ailleurs, il a été montré que la présence de grains trop volumineux réduit la surface accessible au plasma, ce qui entraîne une diminution des conversions des réactifs. Ces dernières passent de 30 et 15% respectivement pour CH4 et CO2 pour des grains de petite taille (250-355µm), à 24 et 11% pour les plus gros grains (800-1000µm). De plus, l’étude des propriétés chimiques des catalyseurs a mis en avant l’influence de la basicité sur les conversions du dioxyde de carbone. Il semble que plus le solide possède de sites basiques, plus l’adsorption du CO2 est favorisée. En outre, une étude plus détaillée a été réalisée en couplant plasma et oxyde de calcium, car ce dernier possède non seulement une faible permittivité (εr=2,1), mais également un nombre important de sites basiques. L’influence du ratio CH4/CO2 et de la température sur CaO a permis de mettre en évidence l’apparition de modifications structurales et texturales après décharge plasma. Il a été montré que pour un ratio CH4/CO2 = 2, et à 300°C, la formation d’eau (réaction inverse de gaz à l’eau) favorise la formation de Ca(OH)2 et CaCO3. L’ajout d’eau (0,1g.h-1) au mélange réactionnel a permis de mettre en avant l’hydroxylation de CaO et la carbonatation de Ca(OH)2. Par ailleurs, la carbonatation de l’hydroxyde de calcium hydraté (Ca(OH)2+ 18% H2O) est favorisée sous plasma. L’analyse des gaz en sortie par spectromètre de masse fait ressortir un phénomène d'oscillation lié à l’adsorption du CO2. Un mécanisme réactionnel, au cours duquel l’élimination et l’adsorption de CO2 et H2O s’effectuent successivement, a été proposé. Un plasma peu énergétique (4W) favorise la carbonatation du solide puisque sa composition est initialement : 0,9Ca(OH)2, 0,9 H2O, 0,1 CaCO3 et devient 0,1Ca(OH)2, 0,9CaCO3 après plasma. Par conséquent, il semble que l’application d’un plasma non-thermique favorise la diffusion du CO2 au cœur de Ca(OH)2+ 18% H2O. En outre, la carbonatation de solides, qui constitue une méthode de stockage du CO2, est un procédé lent et le plus souvent limité par la diffusion du dioxyde de carbone. Dans cette étude, il a été montré que le plasma pourrait présenter un grand intérêt, à condition d’augmenter l’efficacité du procédé.

L’influence de la forme de cylindres longs sur leur rayonnement acoustique en écoulement est étudiée. Des simulations bidimensionnelles (2D) sont réalisées à bas nombre de Reynolds (Re=20-200), à l’aide du code de calcul direct (DNS) incompressible incompact3D au moyen d’une méthode de frontière immergée (IBM). Une formule dérivée de l’équation de Curle pour un cylindre compact permet la quantification de l’émission acoustique en 2D. En soufflerie anéchoïque, la signature acoustique d’une trentaine de géométries est mesurée, Re=4,000-53,000 ; l’anémométrie par fil chaud est utilisée pour la description des propriétés axiales de l’écoulement. L’avant corps et l’allongement (AR) sont les plus importantes propriétés géométriques tant pour l’écoulement que pour le rayonnement acoustique en 2D. Les géométries allongées sont généralement les plus silencieuses car les tourbillons sont moins intenses et repoussés vers l’aval et l’apparition de l’instationnarité est retardée. De leur côté, les résultats expérimentaux montrent que les géométries allongées sont les plus bruyantes, ce qui est à l’opposé des conclusions précédentes. Ceci est justifié par une augmentation significative de la cohérence de l’écoulement en envergure pour les AR les plus longs, presque complètement en phase, donc plus efficace acoustiquement. Globalement, cela implique que les géométries dont l’écoulement 2D est faiblement perturbé, marqué par un déclenchement plus tardif de l’instationnarité (Reynolds critique plus élevé), sont aussi plus organisées en 3D aux Re des mesures. La relation sous-jacente entre les transitions successives vers la turbulence nécessite une étude approfondie.

La dégradation des ressources en eaux par la présence de matières organiques (MO) et de micropolluants nécessite la mise en œuvre de procédés de production d’eau potable robustes. Dans ce contexte, de nombreuses municipalités françaises comme Saint Cloud et Angers ont décidé d’implanter un procédé d’adsorption sur charbon actif en poudre couplé à l’ultrafiltration (CAP/UF). Le CAP est utilisé en amont des membranes afin d’éliminer les traces de micropolluants tandis que les membranes d’UF assurent une qualité d’eau produite excellente et constante au cours du temps. Cependant, les retours d’expérience montrent une dégradation des performances de séparation liée notamment à un vieillissement des matériaux membranaires ainsi qu’une vulnérabilité du procédé vis-à-vis de certains micropolluants émergents tels que les composés organiques polaires (PMOCs). Les travaux réalisés au cours de cette thèse visent à mieux comprendre les conséquences du vieillissement chimique des membranes utilisées dans ces procédés et d’évaluer l’efficacité d’élimination de micropolluants afin de proposer des voies d’optimisation. Plus particulièrement il a été montré que la cause principale de vieillissement est l’exposition au chlore des membranes durant les phases de lavage modifiant les propriétés des matériaux. En effet, les nombreux outils de caractérisation utilisés ont permis de mettre en évidence une corrélation entre la dégradation de l’agent hydrophile des membranes et l'augmentation de la perméabilité lors de l'exposition au chlore. L’étude des performances membranaires a mis en évidence une altération de la résistance au colmatage vis-à-vis de la MO pour les membranes exposées au chlore. Cependant les résultats obtenus pour évaluer les performances de sélectivité des membranes vis-à-vis de virus n’ont pas souligné d’altérations majeures. Les essais d’adsorption ont démontré l’efficacité limitée du CAP pour la rétention des PMOCs. En effet, parmi les molécules testées, les molécules aromatiques les plus hydrophobes sont efficacement adsorbées par le CAP tandis que les plus polaires sont peu éliminées. Finalement, l’utilisation de la nanofiltration ou l’osmose basse pression, présentant des taux de rétention en moyenne supérieurs à 90%, en font des solutions techniques de choix pour l’élimination des PMOCs.

Cette thèse est une contribution expérimentale à l’étude des résonances aéroacoustiques des jets sous-détendus : le Screech. Diverses méthodes expérimentales sont utilisées à ces fins, telles que la mesure de pression acoustique, la strioscopie et Vélocimétrie par Image des Particules, et associées à des techniques classiques de post-traitement comme les décompositions en mode de Fourier et aux valeurs propres. Ces Techniques permettent d’évaluer les effets d’épaisseur de la lèvre de la buse sur l’écoulement, et fournissent des informations sur les différences de comportement d’un même jet montrant des modes oscillatoires différents. Enfin, on entreprend d’étudier la présence de divers mécanismes de fermeture de la boucle de résonance pour divers modes de screech. La présence d’ondes intrinsèques du jet, se propageant vers l’aval pour les modes axisymétrique (A2) et hélicoïdal (C) suggèrent que ces ondes puissent jouer un rôle dans la résonance. La signature de ces ondes n’est en revanche pas attestée pour les modes battants (B). Ces résultats semblent donc indiquer que plusieurs mécanismes de rétroaction différents puissent être à l’oeuvre dans la résonance du jet sous-détendus.

Cette étude vise à caractériser en soufflerie les mécanismes aérodynamiques à l’origine de la génération puis la transmission des fluctuations de bruit dans un modèle d’habitacle automobile. Le banc d’essai conçu en soufflerie anéchoïque consiste en un écoulement dont la vitesse incidente est modulée par un volet mobile, et qui par interaction avec une marche montante rayonne un bruit aéroacoustique transmis à travers une vitre dans un caisson anéchoïque. L’approche retenue consiste, pendant le temps de maniement du volet, à mesurer et relier le champ de vitesse externe mesuré à l’aide de la technique de vélocimétrie laser par images de particules (TR-PIV échantillonnée à 20 kHz) à la pression pariétale d’une part, puis au champ acoustique interne obtenu par transmission d’autre part. Des outils de corrélation spatio-temporelle sont alors utilisés pour mettre en évidence les zones de l’écoulement les plus corrélées avec les fluctuations d’énergie de la pression pariétale et celles du niveau de bruit intérieur. La fluctuation du chargement aérodynamique de la vitre sous la bulle de recirculation est logiquement liée à l’activité instationnaire de cette dernière, puis plus en aval, au lâcher tourbillonnaire. Quant au bruit transmis dans le modèle d’habitacle, il semble principalement lié aux fluctuations de vitesse dans la couche de cisaillement. Enfin, une procédure spécifique a permis d’évaluer le caractère quasi-stationnaire des variations temporelles des quantités fluctuantes ainsi que la réponse acoustique de la vitre.

L’objectif de ce travail a été d’étudier la présence, le devenir et le traitement de biocides dans les rejets d’un établissement hospitalier. Pour cela, 3 substances biocides, représentatives d’une activité de soins (i.e. didécylmethylammonium (DDAC), digluconate de chlorhexidine (CHD) et bis(aminopropryl)laurylamine (BAPLA)) ont été ciblées et 5 campagnes de prélèvements réalisées sur l’ensemble du réseau de collecte des eaux usées du CHU de Poitiers ont été menées. Dans ces conditions, une émission continue de biocides sur 24 h, avec des quantités rejetées en journée plus importantes du fait de la plus forte activité de soins et de nettoyage durant cette période a été montrée. Des concentrations de l’ordre de quelques mg/L pour le DDAC et de quelques dizaines de µg/L pour le CHD et le BAPLA ont été observées. En termes de flux massiques, la comparaison des quantités retrouvées dans les rejets aux quantités utilisées par le CHU a permis de préciser la nature des sources d’émission ainsi que les usages et/ou les pratiques les plus propices à ces rejets. Parallèlement, une étude laboratoire de la stabilité et du devenir des biocides dans les eaux résiduaires a été menée. Une première estimation des quantités adsorbées sur les matières en suspension a été obtenue. De même, les produits de dégradation susceptibles d’être générés lors du rejet de biocides en présence d’un résiduel de chlore ont été identifiés et l’évolution de l’écotoxicité vis-à-vis de Vibrio fisheri a été évaluée. Enfin, la possibilité d’un traitement à la source utilisant l’ozone pour limiter les rejets de biocides a été envisagée et une étude pilote sur le terrain a été menée.

Les matériaux absorbants acoustiques, qui sont d’un intérêt stratégique en aéronautique pour la diminution passive du bruit des réacteurs d’avion, conduisent à une physique complexe où l’écoulement turbulent, des ondes acoustiques, et l’absorbant interagissent. Cette thèse porte sur la simulation de cette interaction dans le problème modèle d’un écoulement de canal turbulent avec des parois impédantes, par le biais de simulations numériques aux grandes échelles implicites, dans un contexte de calcul haute performance. Une étude est d’abord faite des grandes échelles dans un canal turbulent avec des parois rigides, en s’intéressant plus particulièrement à l’effet d’une faible compressibilité (Mach <3) sur les caractéristiques de ces échelles. Un canal turbulent avec une paroi de type impédance est ensuite simulé, avec une condition habituelle de périodicité dans le sens de l’écoulement. On observe que pour des faibles valeurs de la résistance et des fréquences de résonance basses, l’écoulement est instable, ce qui engendre une onde le long de l’absorbant, qui modifie la turbulence et augmente la trainée. Enfin, on se tourne vers une simulation de canal spatial en levant la condition de périodicité dans la direction de l’écoulement, ce qui permet d’introduire une onde acoustique en entrée de domaine. L’atténuation de l’onde dans l’écoulement turbulent est étudiée avec des parois rigides, puis un absorbant acoustique est introduit. Dans cette configuration plus réaliste, il est confirmé que l’écoulement peut devenir instable au bord amont de l’absorbant, ce qui empêche l’atténuation de l’onde acoustique incidente.