UPThèses

Les joints à brosse sont des joints compliants utilisés dans les turbomachines. Ils sont constitués d'une brosse de fils très fins compactés entre deux plaques, de telle manière que l'ensemble comble l'écart séparant le stator du rotor. Les fils sont le plus souvent constitués d'un alliage à base de cobalt appelé Haynes 25 (d'autres matériaux peuvent être utilisés, tels que le Kevlar). Le comportement de ces joints présente un fort couplage entre l'écoulement du fluide et la déformation de la brosse. Ce type de joints peut être modélisé en considérant la brosse comme un milieu poreux. Cette méthode présente l'avantage de permettre un calcul relativement simple de l'écoulement, mais elle demande l'usage de données expérimentales afin de calibrer ses perméabilités (i.e. sa capacité à laisser un fluide s'écouler à travers lui). L'objectif de cette thèse est de proposer une modélisation par milieu poreux indépendante des données expérimentales. Une simulation itérative entre le calcul de la déformation des fils sous l'action des efforts de pression et la résolution de l'écoulement dans le milieu poreux formé par la brosse déformée a été mise au point. Elle repose sur le calcul numérique des perméabilités obtenues à partir de la perte de charge générée par un réseau de cylindres représentatifs de la brosse. Des joints de faible diamètre en Haynes 25 ont été testés avec de l'air afin de vérifier la validité des résultats donnés par la simulation. L'évolution du débit avec la différence de pression et avec l'interférence des joints avec le rotor a été étudiée. Les déplacements du rotor et la température des joints ont été suivis durant les essais.

Cette étude a consisté à caractériser l'influence de la plasticité sur les formes de cloques observées à la surface des films minces déposés sur substrat à l'aide de simulations par éléments finis. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés à l'influence que peut avoir la plasticité du film sur les morphologies observées expérimentalement sur la surface de films d'or. Les simulations ont ainsi permis de caractériser la déstabilisation d'une cloque circulaire sous l'effet d'une surpression exercée sur la surface extérieure du film, menant à la formation de cloques en forme de «donut» et «croissant». Pour ce faire, un modèle 3D incluant une loi élasto-plastique a d'abord été considéré pour décrire le cloquage d'un film ductile. Un analogue à 2D moins coûteux en ressources numériques a ensuite été utilisé en imposant une pliure plastique sur la circonférence de la cloque. Les différentes morphologies de cloques en fonction de la surpression extérieure et de la contrainte interne ont ainsi été déterminées. Un bon accord a été obtenu entre les simulations numériques et les observations expérimentales confirmant le rôle de la surpression et de la plasticité dans cette déstabilisation. Dans la seconde partie, l'effet sur la propagation des rides des marches d'interface résultant de la déformation plastique du substrat a été étudié. A partir de simulations par éléments finis intégrant un modèle de zones cohésives prenant en compte la mixité modale, l'influence de la hauteur des marches et de leur orientation par rapport à l'axe de compression, orientation liée à la cristallographie, a été caractérisé.

Les milieux poreux font partie des formations géologiques assez répandue dans la nature et son sujet d'études intensives. L'engouement de ce sujet vient des multiples secteurs d'applications de ces recherches et leur importance dans notre société. Que ce soit de la part des sociétés pétrolières qui souhaitent optimiser leurs moyens de productions, les agences de contrôles environnementaux qui veulent prévenir la contamination de nappe phréatique et la fuite de déchets nucléaires ou encore des industriels avec des problèmes de drainages et de réhabilitation de mines, tous ces acteurs dépendent des recherches faites dans ce domaine. Cependant, un des principaux problèmes de ce sujet est l'inaccessibilité des milieux que nous voulons étudier. Pour palier à cela de nombreuses équipes se sont tournées vers la simulation numérique. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre et utilise le module PARADIS du logiciel d'hydrogéologie H2olab pour modéliser le transport de particules dans des milieux poreux fortement hétérogènes. Grâce aux données obtenues et à des comparaisons avec la littérature nous montrerons l'effet du passage au 3D sur la topologie de l'écoulement et les répercussions sur le transport de particules ainsi que l'effet de la diffusion moléculaire sur les coefficients de macro-dispersion. Enfin nous proposerons deux lois de transport reliant macrodispersion, variance du champ de perméabilité et diffusion moléculaire.

Cette thèse a pour but d'étudier une nouvelle décharge nanoseconde pulsée à barrière diélectrique basée sur 3 électrodes (SL-DBD pour « SLiding DBD » en anglais), de la comparer à la décharge nanoseconde conventionnelle utilisant 2 électrodes (NS-DBD), et d'évaluer sa capacité à être utilisée soit comme capteur de vitesse pariétale, soit comme actionneur électromécanique pour le contrôle d'écoulement. Dans la première partie, les propriétés électriques des deux décharges sont caractérisées, permettant ainsi d'identifier le paramètre électrique clé qui permet de passer d'un régime de décharge à un autre. Des visualisations par caméra intensifiée ont confirmé cette transition lorsque le champ électrique moyen devient supérieur à 6.5 kV/cm. Des diagnostiques mécaniques (Schlieren et mesures de pression) ont permis de caractériser précisément l'onde de pression générée par les deux décharges. Ensuite, l'influence d'un écoulement sur le comportement électrique de la SL-DBD a été étudiée, mettant en évidence que le courant « collecté » par l'électrode (3) était à peu près proportionnel à la vitesse de l'écoulement en proche paroi. Même s'il reste encore de nombreux points à vérifier, ce résultat encourageant permet d'envisager l'utilisation de la SL-DBD comme capteur de vitesse et/ou de frottement pariétal. Enfin, la troisième partie est consacrée à l'effet de la SL-DBD sur des écoulements aérodynamiques, dans le but de les manipuler. Plusieurs configurations ont été étudiées (profil d'aile, marche descendante, plaque plane) et les résultats ont permis de montrer la complexité des phénomènes physiques à l'origine du contrôle, sans pour autant pouvoir totalement les expliquer.

Ce mémoire s'inscrit dans l'étude du comportement tribologique d'un couple de matériaux ferromagnétique acier XC48 en contact mécanique et magnétique à sec. Le but consiste à identifier les effets liés à la présence ou à l'absence d’un champ magnétique au niveau de l'interface de contact statique et de contact glissant. La première étape a été d'établir des équations de contraintes qui régissent la réponse linéaire, ponctuelle et surfacique des solides sous chargements donnés, en utilisant des modèles développés dans la théorie d'élasticité. Elles ont ensuite été simulées sous Mathématica pour obtenir des résultats analytiques des champs de contraintes en sub-surfaces. Dans la deuxième étape, des essais par contact sec effectués au moyen d'un tribomètre du type pion-disque nous révèlent une augmentation du coefficient de frottement avec le champ magnétique sur le tribocontact. L'analyse en diffraction des rayons X montre que les débris d'usures lors des essais avec champ magnétique comportent la présence d'oxyde de fer. La caractérisation en microscopie électronique à balayage et en profilométrie du matériau usé met en évidence l'état de la sub-surface avec modification de la structure des grains et une présence d'usure douce due aux essais avec champ magnétique. La mesure en photoélasticimétrie montre l'influence du champ magnétique sur les champs de contraintes. En faisant varier les paramètres cinématiques de l'essai sur notre modèle numérique, nous observons une augmentation des champs contraintes. Ces paramètres mécaniques, magnétiques et physico-chimiques sont complexes et l'étude contribue à comprendre ces problématiques liées au frottement sec.

L'objectif de cette thèse est l'étude de la déformation, à l'échelle microscopique, de la phase MAX Ti2AlN, synthétisée par métallurgie des poudres. Ce travail se divise en trois parties : une première dans laquelle l'accent a été mis sur l'hystérèse mécanique des phases MAX via des essais cyclés, en nanoindentation sphérique et compression ex-situ de micro-piliers, sur des grains d'orientations différentes déterminées par l'EBSD. Dans la deuxième nous nous sommes intéressés à la déformation de micropiliers via des essais de compression cyclés in-situ couplés à la micro-diffraction Laue. L'objectif a été d'analyser les taches diffraction au cours de la déformation du pilier afin de mettre en évidence les mécanismes de déformation élémentaires mis en jeu et d'observer les structures finales via des images MEB post-mortem des piliers. Enfin, une dernière dans laquelle l'objectif a été l'étude des mécanismes de déformation en température à l'échelle microscopique via des essais de nano-indentation allant jusqu'à 800°C. La caractérisation des lignes de glissement en surface et des configurations microstructurales sous l'empreinte a été réalisée par AFM et MET respectivement. Toutes les données recueillies par ces divers essais aux petites échelles, ont permis d'affiner notre compréhension des mécanismes de déformation du monocristal de phase MAX, notamment vis à vis des modèles usuellement proposés dans la littérature.

La démarche expérimentale menée dans cette thèse a eu comme objectif l'étude de la faisabilité de la séparation électrostatique d'une large gamme de mélanges de matériaux pulvérulents provenant du recyclage des déchets (Al, Cu, ABS, polycarbonate, polystyrène) ou de l'industrie agro-alimentaire (paille, copeaux de bois, semoule). Les recherches se sont focalisées sur des techniques faisant appel à trois mécanismes physiques différents pour la charge des matériaux : la décharge couronne, l'induction électrostatique et l'effet tribo-électrique. Deux nouvelles installations ont été conçues et réalisées, permettent de faciliter la compréhension des phénomènes physiques rencontrés lors de la séparation des particules sous-millimétriques, dont les trajectoires sont difficile à contrôler, en raison des importantes forces aérodynamiques en jeu. La première installation, le séparateur électrostatique multifonctions à électrode-convoyeur, donne la possibilité d'étudier un ou plusieurs des trois mécanismes de charge, en rapport avec les propriétés électriques des matériaux à traiter. La deuxième installation, le séparateur tribo-aéro-électrostatique à électrodes-disques-tournantes, utilise seulement l'effet tribo-électrique pour la charge des matériaux isolants dans un lit fluidisé. Le système de mesures simultanées et continues de la masse et de la charge électrique des produits collectés a facilité l'analyse des phénomènes. Les recherches ont permis de confirmer la séparabilité électrostatique des mélanges de matériaux pulvérulents, en faisant appel à la méthodologie des plans d'expériences pour identifier les facteurs influents et trouver le point de fonctionnement optimal.

Lors de diverses opérations de maintenance, des dégradations au niveau des rotors et des organes de supportage du groupe turbo-alternateur ont pu être constatées. Celles-ci se traduisent souvent par la présence de rayures au niveau des paliers hydrodynamiques, synonymes de fortes discontinuités dans le film d'huile. C'est dans ce contexte que s'inscrivent ces travaux de thèse. L'objectif est d'avoir une meilleure compréhension et prédiction de leur impact sur le fonctionnement du palier. Pour cela, les paliers à géométrie fixe sont étudiés théoriquement et expérimentalement. L'étude théorique présente un modèle de résolution en régime thermoélastohydrodynamique (TEHD) permettant de prendre en compte les déformations introduites par les champs de pression et de température. Le développement d'un code capable de faire des calculs en régime hydrodynamique (HD) pour des paliers à géométrie fixe a été réalisé. L'étude expérimentale permet d'étudier le comportement d'un palier à deux lobes symétriques pour diverses positions et profondeurs de rayure placée sur l'arbre. Pour tous les cas, différentes configurations de charge et de vitesses sont testées, 25 au total. Les résultats obtenus pour les cas rayés permettent de mettre en avant l'importance de la profondeur de la rayure sur le comportement du palier. Pour les cas de fonctionnement réalisés, il apparaît que les champs de pression sont plus fortement impactés par la présence d'une rayure que les champs de température. Ces résultats sont comparés à ceux obtenus par le calcul avec l'utilisation d'un code interne à EDF qui permet la résolution de problèmes en régime TEHD.

Ces travaux de thèse rentrent dans le cadre de l'ANR Photoflex (2013-2016) qui vise à mettre au point une technologie d'impression laser sans contact, pour créer des motifs actualisables ou permanents à caractère unique sur tout type de support, en particuliers des supports souples. Nous rapportons la synthèse par technique de pulvérisation magnétron en mode réactif et à température ambiante de films minces nanocomposites photochromes constitués de nanoparticules d'Ag entre deux couches nanoporeuses de TiO2. Ces films sont déposés sur des substrats souples tels qu'un plastique transparent (PET) et un papier diffusant. Nous montrons que lorsque le TiO2 est élaboré en régime de pulvérisation élémentaire, le film nanocomposite est coloré en raison de la présence de nanoparticules d'Ag métalliques induisant une résonance de plasmons de surface localisés dans le visible. En revanche, en régime de pulvérisation composite, le film nanocomposite est incolore car l'Ag s'oxyde lors de son recouvrement par le TiO2. Nous avons démontré que les échantillons incolores peuvent se colorer sous insolation laser UV (244 nm) dû à la réduction de l'Ag oxydé puis à la croissance de nanoparticules d'Ag métalliques par coalescence ou par mûrissement d'Ostwald. De plus, l'insolation laser visible (647 nm) à de faibles éclairements (quelques W.cm-2) de ce type de film ou des films initialement colorés donne lieu à des changements morphologiques des nanoparticules d'Ag qui modifient l'absorbance du film et entraînent une modification de la coloration de l'échantillon. Nous avons étudié l'influence des conditions de dépôt (épaisseur de la couche de recouvrement des nanoparticules, épaisseur de la sous-couche de TiO2, quantité d'Ag, temporisation après dépôt d'Ag, traitement plasma des nanoparticules d'Ag, multicouches) afin d'optimiser les effets de photochromisme en amplitude et en vitesse. Tous les mécanismes de photochromisme sont répétables durant des processus cycliques d'insolation UV/Visible. Pour de forts éclairements en laser visible (plusieurs dizaines de kW.cm-2), nous avons observé sur des films nanocomposites déposés sur verre, des changements de couleurs dépendants de la direction de polarisation du faisceau sonde, liés à la croissance thermique et à l'auto-organisation de l'Ag selon un réseau périodique de chaînes de nanoparticules. Contrairement aux faibles éclairements, les couleurs photo-induites sont permanentes et présentent un caractère dichroïque. Cette étude ouvre des perspectives intéressantes en termes d'applications, notamment pour l'authentification et la traçabilité de produits manufacturés, le stockage de données, les nouvelles générations de datamatrix, etc.

La performance sportive et la prévention des blessures en cyclisme sont étroitement liées à l'amélioration des capacités physiques, de la technique gestuelle ainsi qu'à l'optimisation du matériel utilisé. Dans ce contexte, nous avons étudié l'influence du recul de selle sur l'efficacité du mouvement de pédalage ainsi que sur les efforts internes au niveau du genou. Une approche de modélisation musculo-squelettique a été développée afin de quantifier indirectement les forces musculaires et articulaires exercées à partir de mesures externes cinématiques et dynamiques. Un intérêt tout particulier a été porté sur l'adéquation entre les mesures des efforts extérieurs, le modèle anthropométrique et les mesures cinématiques afin de diminuer les incohérences dynamiques associées à un système surdéterminé. A partir de ces mesures, les effets du recul de la selle sur la performance ont été évalués à travers l'indice d'efficacité de la force produite à la pédale et un nouvel indice, basé sur le travail mécanique externe. Les résultats ont montré qu'un positionnement de la selle plus reculé augmente l'efficacité du mouvement de pédalage. Concernant la prévention des blessures, notre analyse s'est portée sur l'effet du recul de selle sur deux troubles musculo-squelettiques (TMS) fréquents en cyclisme : le syndrome fémoro-patellaire et le syndrome de la bandelette ilio-tibiale. Nos résultats ont montré que le recul de selle ne modifie pas les forces fémoro-patellaires communément incriminées dans la survenue de ce syndrome. Par ailleurs, une position plus reculée augmente les forces fémoro-tibiales de compression par le biais notamment de la contraction excentrique des muscles ischio-jambiers. Bien que le syndrome de la bandelette ilia-tibiale soit classiquement décrit comme un syndrome de friction (syndrome de l'essuie-glace), le calcul de la force d'interaction entre la bandelette iliotibiale et l'épicondyle fémoral a montré que la compression est le facteur discriminant dans le pathoméchanisme. L'approche méthodologique de simulation développée dans ce cadre possède par ailleurs un fort potentiel afin de corriger les défauts techniques, d'optimiser les réglages matériels et améliorer la prise en charge thérapeutique des TMS. Plus généralement, les développements méthodologiques et implications cliniques issus de ces travaux trouvent des applications directes dans le milieu du cyclisme mais aussi dans l'étude de nombreuses activités sportives (notamment sur ergomètre) du point de vue de la performance, de la prévention des blessures et de la rééducation.