UPThèses

Le rachis, structure essentielle du corps humain, est constitué d’un empilement de corps rigides (les vertèbres) et de parties souples (les disques), l’ensemble étant maintenu en place par un système ligamentaire et musculaire complexe. Cette structure remplit plusieurs fonctions importantes, comme la protection de la canal rachidien, ou encore la transmission des efforts du tronc vers les membres périphériques. Il est aussi responsable de l’équilibre sagittal avec différentes courbures présentes à chacun des niveaux rachidiens, à savoir le rachis cervical, thoracique, lombaire, et sacré. Le rachis peut rencontrer certains disfonctionnements causés par des traumatismes ou des dégénérescences liées à l’âge. Afin de corriger les troubles les plus importants, différentes approches chirurgicales peuvent être employées, celles-ci consistant souvent à stabiliser les niveaux atteints, c’est-à-dire à les bloquer dans une position physiologique, ou encore à restaurer les fonctions perdues, notamment en remplaçant un disque par une prothèse mobile lors de la réalisation d’une arthroplastie. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet BORDO (Biomécanique Ostéoarticulaire du Rachis et Dispositifs Optimisés) et a pour objectifs l’étude d’implants rachidiens innovants et le développement d’implants rachidiens optimisés. Au cours de ce travail, plusieurs études ont été réalisées, qu’elles soient numériques ou expérimentales, afin d’étudier le comportement de spécimens rachidiens thoraco-lombaires et lombo-sacrés, à des états intacts et instrumentés avec différents implants. Plusieurs dispositifs chirurgicaux ont pu être évalués, en étudiant notamment le cas de prothèses d’arthroplastie, conduisant à des résultats très différents. Les résultats obtenus au cours des différentes études réalisées ont permis d’établir un cahier des charges complet et précis, posant ainsi les bases pouvant mener à la création d’un nouvel implant rachidien optimisé.

Tout corps épais immergé dans un écoulement provoque, sous certains régimes, la formation de structures tourbillonnaires. La dynamique de ces structures peut alors interagir avec celle du corps lorsque ce dernier possède, typiquement, une certaine flexibilité de mouvement et/ou une fréquence propre de résonance. On parle alors d’interaction fluide-structure (IFS), phénomène largement rencontré en pratique et pouvant être à l’origine de vibrations significatives. Parmi les mécanismes d’ IFS largement étudiés, celui de vibrations induites par vortex (VIV), observé dans le cas d’un cylindre circulaire monté de manière élastique et soumis à un écoulement uniforme, est le plus documenté (Williamson & Govardhan 2008). Cette configuration, bien qu’académique, est repré- sentative d’un nombre important de procédés d’ingénierie pour lesquels les vibrations peuvent être considérées comme néfastes (échangeurs thermiques, colonne montante offshore, etc) ou, au contraire, comme source d’inspiration pour l’élaboration de dispositifs d’extraction d’énergie (Bernistas et al. 2008, Lee et al. 2019). Ce manuscrit propose un nouveau dispositif de cylindre oscillant monté de manière élastique sur paliers à air et alliant une solution mécatronique pour l’émulation de différentes valeurs d’amortissement et de raideur. Le dispositif permet également la mise en rotation alternée ou non du cylindre autour de son axe principal. Cette étude s’inscrit dans le cadre d’un projet financé par la Région Nouvelle-Aquitaine et visant, à long terme, au contrôle du mécanisme de VIV dans un contexte d’extraction d’énergie propre. Le travail, présenté dans cette thèse, concerne : (1) la description du dispositif, (2) la validation de la solution mécatronique, (3) l’analyse fine de la réponse en amplitude et fréquence du système oscillant pour un amortissement négligeable et une raideur donnée, ainsi que de la dynamique du sillage en fonction du régime de l’écoulement, (4) l’effet de l’amortissement et de la raideur sur l’efficacité énergétique du dispositif, et enfin (5) une analyse de l’effet de la fréquence et de l’amplitude de rotation du cylindre sur la plage, dite de synchronisation fluide-structure. L’ensemble des essais a été mené en canal hydraulique à l’Institut Pprime (Poitiers). Les analyses réalisées ont fait appel à des techniques de visualisation par bulles d’hydrogène et de vélocimétrie à images de particules (PIV), ainsi qu’à des outils de post-traitement, tels que l’analyse en moyenne de phase ou encore la décomposition aux valeurs propres (POD). Les résultats obtenus laissent entrevoir de larges perspectives à la fois pour la modélisation et le contrôle des mécanismes de VIV.

Bien qu’un consensus sur les conséquences du balancement des bras dans la marche humaine semble s’établir, ce n’est pas encore le cas pour ses causes. Ceci est principalement dû à la difficulté de dissocier les parties passives et actives de la génération du balancement des bras, notamment liée à la complexité de l’identification des paramètres nécessaires à la modélisation du corps humain. L’hypothèse que l’étude de la bipédie d’un robot humanoïde, plus simple, pourrait apporter des éléments de réponse à la problématique est le point de départ de cette thèse. Par ailleurs, une optimisation dimensionnelle des bras des robots humanoïdes permettrait d’améliorer la performance dynamique de leur marche et constituerait une aide à la conception. La conduite de ces deux études nécessite de disposer d’un modèle de dynamique directe et inverse permettant la modification à la volée des paramètres inertiels et géométriques afin de pouvoir qualifier leurs impacts. Compte tenu de son utilisation dans les contextes d’identification et d’optimisation, l’évaluation d’un tel modèle doit être la plus rapide possible pour considérer de grands nombres de configurations dans des temps de simulation raisonnables et ainsi pouvoir accorder de la confiance aux valeurs obtenues. Un algorithme de génération de modèles dynamiques symboliques pour les structures polyarticulées ouvertes répondant à ces exigences a donc été écrit et testé sur plusieurs exemples dont deux sont présentés dans cette thèse : • La figure du passement filé effectuée par une gymnaste à la barre, dont la réalisation est très sensible à la finesse du modèle et à la précision des calculs, afin d’évaluer la fidélité du modèle en comparaison à une référence mesurée optoélectroniquement. • La marche du robot humanoïde ORHRO, équipé en simulation de bras aux paramètres modifiables, afin d’étudier le balancement des bras généré passivement par le déplacement de la partie locomotrice ainsi que l’impact de ce balancement sur des critères de stabilité et de déterminer les valeurs optimales des paramètres de conception. Cet algorithme de modélisation dynamique d’arborescence a montré son efficacité à modéliser et simuler des mouvements dynamiques sur des architectures complexes et variées permettant son utilisation dans la synthèse de mouvement et l’optimisation dimensionnelle de mécanismes.

Lorsque deux matériaux sont frottés l’un contre l’autre ou simplement mis en contact, ils acquièrent chacun une charge électrique de signes opposés. Ce mécanisme d’acquisition de charge, connu depuis l’antiquité et portant le nom de triboélectricité, n’est toujours pas totalement maitrisé. Différentes explications et plusieurs théories et hypothèses contradictoires existent. C’est pour cela que les recherches sur ce sujet doivent toujours continuer et essayer d’élucider plusieurs mystères et répondre à différentes questions qui persistent autour de la triboélectrification. Le travail mené dans le cadre de cette thèse de doctorat a eu comme un de ses objectif l'étude de l'influence de différents facteurs (temps de traitement, épaisseur du diélectrique, distance inter-électrodes...etc.) de la décharge à barrière diélectrique (DBD) sur l'évolution de la rugosité de surface de plaques de polypropylène exposées à un plasma froid. Ce travail a visé également à mettre en évidence les corrélations qui pourraient exister entre la modification de la rugosité et le potentiel électrique généré par effet triboélectrique à la surface du polypropylène traité par DBD atmosphérique. En effet, le traitement DBD a une influence directe sur la rugosité et sur le potentiel électrique de surface : l'exposition au plasma froid conduit à une surface plus rugueuse, qui se charge mieux par effet triboélectrique que la surface initiale. L’influence de l’humidité ambiante sur le comportement triboélectrique des polymères a également été étudiée, confirmant son influence sur le niveau de charge ainsi que son signe.

Les robots parallèles à câbles sont des manipulateurs dont l'organe terminal est relié à la base fixe uniquement via des câbles. Ils sont ainsi flexibles, transportables, légers et possèdent un grand espace de travail translationnel. Cependant, leur précision est affectée par les vibrations des câbles, les incertitudes du modèle du robot et la configuration de la position initiale de l'organe terminal. De plus, leur espace de travail rotationnel est limité à cause du risque de collision entre ses éléments en mouvement et de la nature unidirectionnelle des câbles. Cette thèse, s'inscrivant dans le cadre d'un projet PHC-Utique entre la Tunisie et la France, vise le développement optimal et le contrôle des robots parallèles à câbles dédiés à la rééducation fonctionnelle du membre supérieur. Ce manuscrit détaille donc les étapes suivies pour aboutir à la fabrication des prototypes, à savoir, l'étude du geste de rééducation, les formulations des problèmes d’optimisation, le contrôle/commande des robots et enfin la validation expérimentale du travail. Des solutions aux principaux défauts de cette famille de robots tels que son espace de travail rotationnel restreint et son imprécision sont ainsi proposées.

L'objectif principal de la présente thèse est de valider, reconfigurer et renforcer un logiciel de simulation (déjà créé par le laboratoire) capable de reproduire les phénomènes tribologiques à l'intérieur d'un palier lisse. Le logiciel et le savoir-faire seront transférés et utilisés dans l'industrie - AKIRA Tech. La thèse est construite autour d'un programme expérimental réalisé sur un banc d'essai spécial appelé MEGAPASCALE. Deux types de bielles ont été utilisés. La première est une Renault RS et la seconde une Kawasaki ZX10. Pour les deux bielles, différentes positions d'alimentation en huile ont été testées. Dans le cas de la bielle Kawasaki, plusieurs jeux sont testés. De plus, des capteurs d'écart à courants de Foucault sont installés pour mesurer la position du tourillon. Et la technique de différence du potentiel est utilisée pour décrire qualitativement le fonctionnement du palier. La température du palier, la pression d'alimentation, la vitesse et la charge ont été surveillées. Une attention particulière est accordée à l'étalonnage des capteurs ainsi qu'aux mesures métrologiques des paliers. Les simulations ACCEL correspondent aux mesures expérimentales, ce qui témoigne non seulement de la précision des résultats, mais aussi de la qualité de la méthode d'étalonnage.

Cette étude expérimentale s'intéresse au bruit tonal de bord de fuite sur un profil NACA 0012, et en particulier aux effets de l'inhomogénéité en envergure de l'écoulement sur les sources de bruit. L'originalité de l'approche consiste dans la mesure simultanée du bruit rayonné par antennerie acoustique et des champs de vitesse dans le sillage par Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) résolue en temps (fréquence de 20 kHz afin de résoudre les échelles de temps acoustiques). Une expérience préliminaire retrouve, comme dans la bibliographie, des résultats de PIV altérés pour des fréquences inférieures à la limite de Shannon, et permet d'identifier l'allure des distorsions liées à cette erreur. La précision de la synchronisation entre le signal focalisé par formation de voies temporelle et les champs de vitesse est ensuite évaluée, et est de l'ordre du centième de milliseconde. La mesure acoustique révèle un bruit tonal (constitué d'un ou plusieurs pics fréquentiels) pour des conditions d'écoulement en accord avec la littérature. La formation de voies permet alors d'identifier des zones sources le long de l'envergure, distinctes pour chaque fréquence. Cela constitue un apport intéressant car les modèles théoriques utilisés pour décrire la formation de bruit tonal au bord de fuite sont bidimensionnels. L'analyse fréquentielle des champs de vitesse dans un plan parallèle au profil d'aile indique un détachement tourbillonnaire variable en fonction de la position en envergure, avec les mêmes fréquences dans les mêmes zones que les sources de bruit identifiées. Il est aussi montré que les zones sources de bruit sont celles où la cohérence transverse du détachement tourbillonnaire présente un maximum. Une mesure dans le plan perpendiculaire à l'aile permet le suivi temporel des tourbillons détachés au bord de fuite, et une comparaison entre le signal de vorticité et le signal acoustique focalisé sur la zone de mesure aboutit à un taux de corrélation satisfaisant, de l'ordre de 60%.

Les interactions fluide-structure (IFS) sont aujourd’hui des phénomènes fortement étudiés, car elles interviennent dans un grand nombre d’applications. Dans les domaines maritime et fluvial, les dispositifs de récupération d’énergie, les systèmes de protection des cotes ou des berges ou encore les systèmes de ralentissement des crues sont basés sur ces IFS avec des structures artificielles ou naturelles. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour objectifs d’évaluer les conséquences de la présence de structures flexibles sur un écoulement turbulent dans différentes configurations. Les éléments flexibles utilisés sont des cylindres circulaires dont les caractéristiques mécaniques sont inspirées des propriétés de structures végétales aquatiques. Lorsque ces structures sont placées dans un écoulement, elles subissent de grandes déformations dont les phénomènes observables sont caractérisés par l’Interaction Fluide-Structure pour laquelle le paramètre majeur est le nombre de Cauchy. Trois études principales composent ces travaux, avec dans un premier temps le cas fondamental d’une structure isolée dans un écoulement, dans un second temps l’étude de pertes de charge causées par un faisceau de structures et pour finir une application sur un dispositif hydraulique d’une canopée de structures flexibles sur le radier d’une passe à poissons à fentes verticales. Chacune de ces études a été menée expérimentalement et a conduit à la création d’un modèle numérique d’une part et d’autre part à l’étude d’une modélisation 1D sur la base des phénomènes mis en jeux. Les expériences menées ont nécessité la mise en place de mesures de hauteurs d’eau par sondes acoustiques, de vitesses tridimensionnelles locales avec sonde ADV (Vélocimètre Acoustique à effet Doppler), de vitesse 2D à deux composantes par méthode PIV (Vélocimétrie par Images de Particules) et des mesures de déformations des structures flexibles par ombroscopie. Les simulations numériques 3D instationnaires LES à surface libre avec IFS par couplage fort ont été réalisées et ont été validées à partir des résultats expérimentaux. Ces résultats de simulation ont permis de compléter les observations expérimentales en offrant des informations complémentaires sur les grandeurs des écoulements et sur les comportements des structures flexibles. De façon générale, pour une structure flexible isolée dans l’écoulement, son comportement dynamique (déplacements longitudinaux et transversaux) et les vitesses de l’écoulement dans son sillage dépendent des caractéristiques des régimes de l’écoulement et de la rigidité de la structure. Les fréquences du lâcher tourbillonnaire dans le sillage de la structure ont notamment été étudiées. Lorsque ces structures sont implantées en faisceaux de différentes densités, leur capacité de flexion réduit la résistance à l’écoulement et donc les pertes de charge par rapport à des structures rigides. Dans le cas où une canopée de structures flexibles est implantée sur le radier d’une passe à poissons, alors l’écoulement est modifié avec une réduction des vitesses et de l’énergie cinétique turbulente dans la canopée et une augmentation de la vitesse au-dessus. Le comportement hydraulique est modifié avec une baisse des coefficients de débits et des topologies très instationnaires dans les bassins.

La bataille navale d’Actium, qui s’est déroulée à l’embouchure du golfe Ambracique, fut un tournant de l’Antiquité en opposant trois personnages historiques (Octave contre Cléopâtre et Marc-Antoine). Ce combat a connu une issue inattendue, la flotte d’Octave s’imposant sur celle d’Antoine, pourtant composée d’embarcations plus imposantes. Pour élucider ce mystère les commentateurs de l’époque ont évoqué l’echeneis ou rémora, un poisson qui aurait eu le pouvoir de ralentir à lui seul une galère. A l’aune de mesures océanographiques modernes, et sur la base d’une approche pluridisciplinaire, ce travail de thèse cherche à expliquer les évènements qui sont survenus le 2 septembre 31 av. J.C.. Les eaux d’Actium présentent deux singularités : des hauts fonds et une stratification en densité faisant du golfe l’unique fjord de Méditerranée. Chacun de ces aspects a été exploré à travers des expériences en laboratoire, étayées de calculs analytiques. Dans un bassin des carènes, une reproduction de la galère antique Olympias est tractée à vitesse constante. L’analyse de la surface libre montre que le sillage du navire présente un motif particulier accompagnant la crise de résistance à l’avancement due aux effets de profondeur d’eau finie. Pour des vitesses proches de celles nécessaires à la technique martiale de l’éperonnage, les ondes divergentes du sillage se déplient, formant alors des bandes parallèles. Le pic de résistance et l’amplitude des ondes sont d’autant plus marqués que le rapport entre tirant d’eau et profondeur est grand, favorisant de ce fait les galères légères. La présence d’un bi-couche avec une marche en densité au niveau de la pycnocline, caractéristique particulière de l’embouchure, est connue pour être responsable d’un autre phénomène de ralentissement des navires appelé effet d’eaux-mortes. D’après la littérature antérieure, le mouvement d’un bateau au sein d’une stratification entraîne la génération d’ondes internes causant là encore une résistance à l’avancement, ainsi que des oscillations en vitesse. A partir du développement d’une technique de détection subpixel permettant de suivre des ondes internes micrométriques, et en tractant à force constante une maquette de bateau dans un aquarium stratifié, deux systèmes d’ondes ont pu être identifiés. Le premier est un sillage interne, stationnaire dans le référentiel du bateau : nommé sillage de Nansen, il est responsable d’un ralentissement continu du navire. Le second est une dépression ondulante dispersive, appelée onde d’Ekman, générée par l’accélération initiale du bateau. Longtemps confondue avec une émission périodique de solitons internes, l’onde d’Ekman peut être approximée par une onde linéaire agissant sur le bateau comme un tapis roulant bosselé. Le navire ressent alors une résistance de vague fluctuante, justifiant l’apparition d’oscillations en vitesse. Un modèle analytique linéaire a été développé et mène à des expériences numériques de stratification. Il apparaît que le caractère oscillant des eaux-mortes n’est qu’une période transitoire de la dynamique du bateau : l’onde d’Ekman finit par s’échapper à la proue ou par être abandonnée à la poupe. De plus, les confinements latéraux imposés par les expériences de laboratoire accentuent ces phénomènes. Enfin, des mesures de champs de vitesses en milieu stratifié révèlent que le sillage de Nansen crée des courants modifiant l’aspect des ondes surfaciques et provoquant l’apparition de bandes lisses ou rugueuses dans le sillage de surface. Les particularités du golfe Ambracique font de la bataille d’Actium une curiosité sur le plan de la physique des interactions ondes-courants-bateaux. Bathymétrie et stratification jouent toutes deux un rôle sur la dynamique des bateaux, pouvant les empêcher d’atteindre les vitesses recherchées, et faisant apparaître dans la forme du sillage des bandes ou ondes transverses rappelant le disque de succion du rémora. Peut-être l’origine de la légende de l’echeneis ?

Cette étude est consacrée au développement d’une nouvelle technique numérique pour la simulation du transfert thermique conjugué avec une application pour la reproduction de l’écoulement turbulent dans une conduite. La méthode est construite progressivement pour atteindre la haute-fidélité souhaitée. Tous les développements numériques et simulations sont effectués sur la base du code libre et massivement parallèle Incompact3d/Xcompact3d. Dans une première phase, le potentiel de la stratégie numérique choisie est étendu puis évalué par simulation directe et implicite à grande échelle pour mieux cerner la façon de combiner avantageusement ses caractéristiques. Parmi ces dernières, on peut mentionner la méthode des frontières immergées basée sur des interpolations polynomiales de Lagrange, la technique originale de filtrage visqueux et la modélisation implicite de turbulence pariétale par utilisation d’une dissipation numérique d’ordre élevé comme ersatz de la contribution sous-maille. La deuxième partie est consacrée à l’introduction d’une stratégie originale pour la simulation du transfert thermique turbulent pariétal. Dans ce but, la méthode des frontières immergées est adaptée pour permettre l’imposition de conditions aux limites thermiques spécifiques. L’approche est validée par simulation numérique directe du transfert de chaleur en turbulence de conduite avec des conditions aux limites de type Isoflux ou mixte. Une attention particulière est accordée au cas Isoflux qui nécessite des développements pour permettre l’imposition d’une condition aux limites de type Neumann. Cette stratégie est ensuite mise à profit pour mettre au point une méthode polyvalente qui permet la reproduction d’un phénomène de transfert thermique conjugué entre un fluide turbulent et le corps de la conduite qui le contient. Il est démontré que cette technique de couplage est capable de fournir une description précise de l’interaction thermique entre les milieux fluide et solide, ce qui peut être utile, par exemple, pour améliorer la modélisation RANS/LES dans les applications industrielles pour lesquelles les contraintes thermiques fluctuantes sont une préoccupation. La conduite cylindrique considérée ici,sans lien avec la nature Cartésienne du maillage, peut être vue comme un prototype de géométrie complexe, ceci ouvrant la voie à la réalisation de simulations haute-fidélité en géométrie réaliste telle que celle d’un Té de mélange avec plus largement des applications dans le cadre des centrales nucléaires ou solaires.