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SIMME – Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique

Les thèses soutenues à l'école doctorale "SIMME – Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique"

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  • Contribution aux méthodes SPH pour simuler l'amortissement d'un train de vagues dans une structure poreuse    - Ramos Ortega Melissa  -  30 juin 2021

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    Le passage des navires dans une voie navigable produit des ondes de batillage qui modifient le régime d’écoulement du canal, affectent les berges, remettent du matériel en suspension et modifient la morphologie du lit. L’énergie transmise par les ondes de batillage dans les berges est dissipée par la friction de l’écoulement à l’intérieur des berges. Lorsque cet écoulement interne est intense, le risque d’érosion des berges apparaît. Les ondes de batillage peuvent alors être à l’origine de la destruction des berges. Pour connaître la stabilité des berges des canaux navigables, il faut estimer le comportement de l’écoulement dans les canaux navigables et dans les berges. L’objectif de ce travail est de construire un code 2D permettant de simuler l’amortissement d’un train de vagues dans une structure poreuse. La modélisation de l’interaction des vagues est difficile dû à la nécessité de connaître la distribution précise de la pression du fluide en fonction de la porosité du matériau. Des améliorations des méthodes Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) ont été proposées pour corriger les problèmes de champs de pression et des conditions aux limites sur l'interface fluide pur-milieu poreux. Deux approches classiques, SPH faiblement compressible (WCSPH) et SPH incompressible (ISPH) ont été optimisés. Les méthodes ISPH sont coûteuses en termes de temps CPU dû à la résolution de l’équation de Poisson pour obtenir la distribution de pression. Par conséquent, un couplage ISPH-maillage est adopté pour calculer la pression sur une grille régulière, réduire le temps CPU et obtenir une méthode efficace. De plus, une technique de remaillage est proposée pour garantir une distribution uniforme des particules. À partir d’une audite sur les méthodes particulaires SPH, la méthode SPH la plus robuste est utilisée pour le développement du code 2D. La comparaison des algorithmes optimisés ISPH et WCSPH pour simuler trois benckmarks d’écoulements incompressibles a été faite : un vortex de Lamb-Oseen, un écoulement de cavité entraînée et la rupture de barrage. Les effets de la résolution spatiale sont considérés dans l’étude ainsi que le nombre de Reynolds, la fréquence de remaillage, le pas de temps et le temps de calcul. WCSPH est moins robuste, mais il se limite à des discrétisations fines et à très petits pas de temps associés à la condition de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). ISPH est plus robuste en termes de temps et du maillage. La solution du problème de Poisson sur une grille a largement réduit le temps de calcul, mais ISPH reste aussi performant que WCSPH. Pour simuler l'écoulement à l'interface fluide pur-milieu poreux, les méthodes SPH sont exposées à deux difficultés. La continuité de la pression, de la vitesse et des contraintes normales et tangentielles doit être garantie. La différence du comportement de l'écoulement entre la zone fluide pur et la zone poreuse, par l'influence de la porosité, seront traitées avec l'équation de Brinkman pour résoudre de manière simultanée l'écoulement dans les deux zones et garantir la continuité des quantités physiques dans l'interface. Une deuxième difficulté est la différence de taille des particules. Le développement de Taylor à l’ordre 2 est appliqué à la fonction de lissage du noyau afin de prendre en compte les tailles des particules différentes. La validation de l’amélioration se fait avec l'infiltration d'un écoulement dans une structure poreuse à partir d'une rupture de barrage. Une validation finale du couplage batteur-structure poreuse est présentée. Le train de vagues est simulé par l’introduction d’une force source dans l’équation de conservation de mouvement. Le calcul des coefficients de réflexion et de dissipation sera présenté et comparé à des solutions analytiques pour quantifier l’amortissement de l’énergie des vagues.

  • Behavior of scratched hydrodynamic journal bearings: a finite volume numerical analysis    - Vo Tran Anh  -  23 juin 2021

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    Les paliers lisses hydrodynamiques sont des éléments de machine importants utilisés pour supporter les machines tournantes à hautes vitesses telles que les turbines et les compresseurs, en raison de leur durabilité et de leur capacité de charge élevée. Sous des conditions sévères de fonctionnement, ils peuvent s’endommager par une perte de matière qui peut prendre différentes formes, entraînant une chute de la capacité de charge et donc une réduction significative de l'épaisseur du film d’huile. Les rayures sont un type majeur de dommage de surface dans les paliers ; elles peuvent apparaître aussi bien sur la surface du coussinet que sur la surface de l’arbre, induisant de fortes discontinuités géométriques. Peu de travaux existent dans la littérature mais tous montrent que la présence de rayures a une forte influence sur les performances des paliers. Pour simuler plus précisément et étudier le comportement des paliers lisses rayés, il est donc nécessaire de disposer d'un modèle précis. L'analyse théorique est basée sur la résolution simultanée des équations de Reynolds, d'énergie et de transfert de chaleur dans les solides et dans les fluides. Le modèle thermohydrodynamique développé au moyen de la méthode des volumes finis est écrit en langage FORTRAN. Afin de valider et de compléter la modélisation élaborée, les résultats de la simulation ont été comparés à des données expérimentales de la littérature. Les résultats ont montré de bons accords pour la pression, les profils de température et les paramètres de performance globale du palier. En outre, des études numériques ont également été réalisées pour une large gamme de configurations avec différents nombres de rayures (une, deux et plusieurs), des profondeurs de rayures, des positions de rayures et différents fonctionnements. Les résultats obtenus ont permis d'approfondir les connaissances sur le comportement des paliers lisses rayés.

  • Contribution à l'analyse des facteurs influents du processus de charge triboélectrique des matériaux granulaires    - Benabderrahmane Ahlem  -  17 juin 2021

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    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, portant le nom de triboélectricité, est à la base du principe de fonctionnement des séparateurs électrostatiques des mélanges granulaires de matériaux isolants. L’objectif de cette thèse de doctorat a été d’évaluer les effets des facteurs géométriques (taille des granules), de l’état de surface (rugosité et mouillabilité) et de la composition chimique (présence des retardateurs de flamme bromés), sur le chargement triboélectrique des particules de plastique issus des déchets des équipements électriques et électroniques. L’étude paramétrique de ces facteurs a servi ensuite de base pour optimiser les conditions de charge triboélectrique et améliorer le rendement de la séparation électrostatique. La réduction de la taille des granules, ainsi que l’utilisation du broyage en tant qu'opération simultanée de granulation et de chargement triboélectrique a permis l’amélioration de la séparation électrostatique des polymères. Un prétraitement de surface par la décharge à barrière diélectrique (DBD) s’est montré efficace sur le chargement triboélectrique et la séparabilité électrostatique de tels matériaux. Un banc expérimental de traitement de surface des matériaux granulaires par DBD dynamique a été conçu et réalisé afin de pouvoir intégrer ce procédé dans un processus industriel. Les travaux réalisés dans cette thèse ont aussi confirmé la faisabilité de la charge triboélectrique et de la séparation électrostatique des mélanges granulaires des polymères bromés et non-bromés.

  • Caractérisation des effets de surface, de désordre et d'empilement de feuillets dans le MXène Ti₃C₂Tₓ par microscopie électronique en transmission    - Bilyk Thomas  -  05 mars 2021

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    Les effets de chimie de surface, de désordre et d'empilement jouent des rôles majeurs sur les propriétés des MXènes. L'étude de ces effets sur la structure électronique représente donc un enjeu fondamental pour ces matériaux. La microscopie électronique en transmission permet de sonder celle-ci à des échelles allant du micromètre au nanomètre, notamment grâce à la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS). Cette étude se focalise majoritairement sur le MXène Ti₃C₂Tₓ avec T les groupements fonctionnels. Un premier objectif fut l'étude des informations accessibles sur la chimie de surface par spectroscopie EELS. En couplant cette méthode expérimentale à des simulations par théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), il est montré que dans les pertes de cœur, le seuil K du carbone est un marqueur permettant de découpler les modifications en surfaces des feuillets et les perturbations dans le volume. La caractérisation d'empilements de feuillets fut alors abordée, avec l'idée d'apporter, notamment lorsqu'elles sont faibles, une mesure quantitative de leurs épaisseurs, i.e. du nombre de feuillets. Ce second objectif a nécessité l'utilisation combinée des techniques expérimentales de diffraction d'électrons en faisceau convergent, d'imagerie STEM-HAADF et de spectroscopie EELS dans le domaine des pertes faibles, ainsi que de méthodes de simulation de structure électronique par DFT, et de clichés de diffraction par la théorie de Bethe des ondes de Bloch. En outre, la sensibilité du plasmon de volume à l'espacement moyen entre feuillets a été mise en évidence. Ces résultats ont été utilisés pour établir le rôle d'une impureté sur la structure électronique des feuillets et caractériser le MXène lorsqu'utilisé comme support de phase active pour la catalyse de la réaction d'évolution de l’oxygène.

  • Improvement of water management in PEM fuel cells using water balance and electrochemical noise analysis    - Chadha Kush  -  07 janvier 2021

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    Cette thèse s’inscrit dans une démarche d’optimisation des performances des piles à combustibles PEMFC, à travers le développement de nouveaux designs de plaque d’alimentation. Des outils tel que le bilan hydrique et l’analyse des bruits électrochimiques ont été utilisés comme diagnostic de la gestion de l’eau au sein d’un mono-cellule PEMFC. Une gestion optimale du transport d’eau permet une augmentation des performances et de la durée de vie des piles à combustible. Le bilan hydrique a été utilisé pour mesurer et encadrer la valeur du coefficient de diffusion effectif de l’eau au sein des membranes de piles à combustibles. De nouvelles géométries de plaque d’alimentation ont été développées et caractériser par des mesures classiques de courbes de performance et des mesures de pression. La technique du bruit électrochimique a été utilisée pour détecter des phénomènes liés au comportement de l’eau lors du fonctionnement de la pile pour chaque géométrie développée. Le bruit électrochimique enregistré pendant ces expériences a été associé à des mécanismes sources grâce à une démarche expérimentale et à un traitement de signal approprié basé sur l’analyse fréquentielle et temporelle. Les résultats des descripteurs obtenus par l’analyse temporel et fréquentiel ont permis de d’obtenir la signature dans un fonctionnement normal de pile à combustible utilisant une géométrie classique de canaux en serpentin. Cette signature a été comparée aux nouveaux designs développés permettant de caractériser l’influence de ces nouvelles géométries sur le transport d’eau. Enfin, de manière à compléter l’approche expérimental effectuée sur le coefficient de diffusion de l’eau au sein des membranes de piles à combustibles PEMFC, une modélisation de la courbe de polarisation prenant en compte ce coefficient a été développé et comparé aux courbes de performances expérimentales. En termes d’ouverture, l’impact des nouvelles géométries développées a été étendu à leur utilisation en stack et un modèle de pronostic basé sur les réseaux de neurones artificiels a été proposé.

  • Plasma-flow interfaces for instability control    - Yadala Venkata Srikar  -  17 décembre 2020

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    La recherche présentée dans cette thèse se concentre sur la conception et l’utilisation d’actionneurs plasma à décharge à barrière diélectrique (DBD) de faible épaisseur et à géométrie complexe afin d’exercer un contrôle d’instabilité sur deux configurations d’écoulement dont la dynamique est régie par des mécanismes d’instabilités primaires et/ou secondaires. Le cas d’une couche limite tridimensionnelle telle que rencontrée sur une aile en flèche est étudié à l’aide de deux stratégies de forçage permettant de manipuler la transition induite par un phénomène d’instabilité stationnaire. Ici, un réseau d’éléments de rugosité discrets (DRE) est installé en amont du forçage par DBD afin de verrouiller l’origine et l’évolution des tourbillons stationnaires transversaux de la couche limite. La première approche de forçage consiste à modifier l’écoulement amont par déformation (UFD). Une seconde approche par modification directe de l’écoulement de base est également introduite (BFM). Un retard de transition est observé indépendamment du forçage réalisé. Cependant, comme les tourbillons transverses sont fortement amplifiés en raison de l’utilisation de DRE, l’action par approche UFD peut conduire à la fois à une atténuation directe des structures fluidiques transverses telle qu’envisagée mais aussi à une action non intentionnelle sur la nature inflectionnelle de l’écoulement de base. La méthode BFM résulte en une interaction directe sur les tourbillons transverses, interactions confirmées par une étude théorique de l’instabilité sous l’effet d’un modèle simplifié d’actionneur DBD. Il s’agit de la première démonstration expérimentale du retard de transition sur une aile en flèche grâce à l’effet d’un actionneur plasma et également à la première preuve de concept expérimentale de la stratégie BFM. Le sillage d’une couche de mélange plane à bord épais et les phénomènes d’instabilité primaire et secondaire responsables pour l’expansion spatio-temporelle du sillage sont également étudiés. Des conditions de forçage fréquentiel puis spatial sont successivement testées et analysées par approche spectrale (décomposition orthogonale spectrale, SPOD) sur des données expérimentales de PIV multi-champs résolues en temps. L’instabilité primaire est excitée par un forçage spatialement homogène pulsé à la fréquence naturellement la plus amplifiée. Ce forçage l’atténue les instabilités aux sous-harmoniques et inhibe l’appariement tourbillonnaires. A l’inverse, le forçage aux sous-harmoniques renforce les phénomènes d’appariement conduisant à un fort taux d’épanouissement de la couche de mélange. Enfin, l’effet d’un forçage modulé spatialement se traduit par un taux d’accroissement variant selon la position transverse et qui traduit à la fois le renforcement et la modulation spatiale des structures à grande échelle. La segmentation du forçage selon l’envergure de la couche de mélange permet toujours de modifier les structures transverses mais en sus, la coalescence des structures longitudinales et transversales est favorisée. Les travaux de recherche réalisés confirment la capacité des actionneurs plasma de type DBD à exercer un forçage modulé à la fois temporellement et spatialement. La large réduction de la puissance électrique consommée dans le cas d’un forçage modulé spatialement permet une amélioration notable de l’efficacité du système de contrôle.

  • Computational Fluid Dynamics study of heavily loaded fixed-pad thrust bearings operating under thermoelastohydrodynamic regime    - Charitopoulos Anastasios  -  15 décembre 2020

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    Dans la présente thèse sont étudiés les effets des déformations thermiques sur les performances des butées à patin fixe fonctionnant sous des charges et des températures élevées. Le travail présenté se compose de deux parties principales. Dans une première étape, afin d'identifier les mécanismes de génération de pression dans les butées à surfaces parallèles, les différentes théories proposées dans la littérature scientifique ont été évaluées. À cette fin, un modèle thermoélastohydrodynamique (TEHD) basé sur la Dynamique de Fluides Numérique (CFD) a été généré, en tenant compte tous les phénomènes physiques du lubrifiant, des solides et de leur interaction, qui ont été suggérés dans la littérature comme des phénomènes contribuant au mécanisme de génération de pression des butées à faces parallèles. L'importance de chaque théorie a été quantifiée et une modélisation finale a été proposée afin d’évaluer avec précision les performances d'une butée à faces parallèles. De plus, le modèle généré a été validé par rapport aux résultats expérimentaux de la littérature. La deuxième partie de la thèse utilise l'approche de modélisation proposée précédemment pour évaluer les conceptions contemporaines de butées, telles que les butées à surfaces texturées, revêtus, à poche et à plan incliné. En conclusion, les déformations thermiques des patins de la butée ou de la glissière sont établies comme le principal mécanisme de création de pression dans les butées à surfaces parallèles. En outre, elles contribuent de manière significative aux performances TEHD des butées texturées et revêtues. Au contraire, sur les butées à poche et à plan incliné, les déformations thermiques sont d'une importance négligeable, même à des charges et des températures de fonctionnement élevées.

  • Écoulement électro-aérodynamique d'un aérosol de gouttelettes d'eau dans un réacteur de type pointe-plaque en vue de la récupération de composés chimiques    - Defoort Étienne  -  08 décembre 2020

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    Les décharges couronnes DC et les décharges à barrière diélectrique dans l’air à pression atmosphérique sont souvent utilisées en chimie car elles ont la capacité de produire des réactions chimiques hors-équilibre. Dans certaines conditions, elles peuvent générer un écoulement appelé « vent ionique ». Dans cette thèse, l’effet de l’injection d’un brouillard de gouttelettes d’eau micrométrique dans de tels plasmas est étudié, pour être appliqué à la récupération d’espèce chimique volatile in situ. L’objectif est donc d’étudier la mise en mouvement de l’aérosol par la décharge et sa précipitation sur la paroi d’un réacteur de type pointe-plan, à l’aide d’un dispositif de Vélocimétrie par Image de Particules (PIV) à haute fréquence (20 kHz). Dans un premier temps, la mise en mouvement de l’air par le phénomène de vent ionique est décrite, cet écoulement présentant des propriétés qui dépendent fortement du signal électrique alimentant la décharge (amplitude, fréquence, forme d’onde). Dans un second temps, l’effet du brouillard de gouttelettes d’eau sur la décharge ainsi que l’écoulement du brouillard dans l’espace inter-électrodes sont analysés. On a ainsi pu démontrer que le déplacement des particules était majoritairement dû au vent ionique, mais que le phénomène de précipitation électrostatique n’était pas négligeable, surtout à proximité de la plaque et dans les régions éloignées du centre du jet. Enfin, la quantité d’eau récupérée est évaluée pour différentes configurations de décharges électriques. L’application du procédé à la chimie n’a pu aboutir du fait de l’instabilité de la décharge dans un réacteur fermé à cause du film d’eau, non désiré, se formant sur les parois.

  • Étude des grilles de prises d'eau ichtyocompatibles    - Lemkecher Fatma  -  04 décembre 2020

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    La présence des centrales hydroélectriques restreint la circulation des poissons migrateurs dans les rivières. Plusieurs dispositifs ont été, donc, aménagés dans ces centrales afin de faciliter leur passage. Les bases de conception et de dimensionnement de ces dispositifs, dénommés "prises d’eau ichtyocompatibles", ont été définies en 2008 par Courret & Larinier à partir des retours d’expérience acquis en France et à l’étranger. Des études hydrauliques sur des modèles réduits de grille, un des composant des prises d’eau, ont ensuite permis de confirmer ou préciser certains critères concernant leur implantation et la conception des exutoires associés. Il en résulte aussi des formules d’évaluation des pertes de charge adaptées aux configurations testées afin de quantifier la perte d’énergie résultante à l’installation de ces grilles. Cette thèse vient explorer de nouveaux concepts de grilles ichtyocompatibles (grille placée à l’entrée des turbines afin d’en dévier le poisson et lui permettre de continuer sa migration) qui minimisent les pertes de charges pour les producteurs et qui sont adaptées à la dévalaison des poissons. Dans un premier temps, une optimisation des grilles inclinées est proposée avec des formes de barreau différentes et l’ajout de l’effet des supports qui maintiennent les grilles. La courantologie de ce type de grille est ensuite étudiée in-situ afin d’évaluer l’efficacité des premières grilles ichtyocompatibles implantées dans les centrales hydroélectriques en appui des simulations numériques réalisées parallèlement. Dans un deuxième temps, de nouvelles barrières physiques sont étudiées. D’abord, les grilles orientées à barreaux horizontaux sont testées et montrent un guidage de poissons favorable et une perte de charge faible. La deuxième nouvelle solution explorée est la plaque perforée, qui s’est avérée aussi efficace que la grille inclinée en terme de guidage de poisson avec l’avantage de minimiser encore plus les pertes de charge.

  • Thin metal films on weakly-interacting substrates : Nanoscale growth dynamics, stress generation, and morphology manipulation    - Jamnig Andreas  -  05 novembre 2020

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    La morphologie de films minces métalliques polycristallins élaborés par condensation d’une phase vapeur sur des substrats à faible interaction (SFI) possède un caractère 3D intrinsèque. De plus, la nature hors équilibre de la croissance du film depuis une phase vapeur conduit souvent à la génération de contraintes mécaniques, ce qui peut compromettre davantage la fiabilité et la fonctionnalité des dispositifs optoélectroniques. Les objectifs de cette thèse sont liés à la croissance de films métalliques sur SFI et visent à : (i) contribuer à une meilleure compréhension des processus à l'échelle atomique qui contrôlent l'évolution morphologique des films ; (ii) élucider les processus dynamiques qui régissent la génération et l'évolution des contraintes en cours de croissance ; et (iii) développer des méthodologies pour manipuler et contrôler la morphologie des films à l'échelle nanométrique. L’originalité de l’approche mise en œuvre consiste à suivre la croissance des films in situ et en temps réel par couplage de plusieurs diagnostics, complété par des analyses microstructurales ex situ. Les grandeurs mesurées sont confrontées à des modèles optiques et des simulations atomistiques.L’ensemble des résultats obtenus dans cette thèse fournissent les bases pour : (i) déterminer les coefficients de diffusion sur une large gamme de systèmes films/SFI; (ii) concevoir des stratégies non invasives pour les contacts multifonctionnels dans les dispositifs optoélectroniques; (iii) apporter des éléments de compréhension à l’origine du développement de contrainte, qui permettent de prédire et contrôler le niveau de contrainte intrinsèque à la croissance de films minces polycristallins.

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