UPThèses

Dans le cadre de la problématique du refroidissement des déchets radioactifs, ce travail a pour objectifs l'étude de l'écoulement autour d'un cylindre chauffant monté en paroi soumis à un écoulement transverse selon l'approche URANS. Les limitations bien connues de la modélisation au premier ordre conduisent à considérer une approche au deuxième ordre. C'est dans ce sens qu'un modèle d'échange thermique est développé puis validé sur des cas académiques. Dans un premier temps, lorsque le régime de convection mixte est dominant, ces calculs, réalisés par le modèle bas-Reynolds k-w SST, et complétés par un calcul isotherme, mettent en évidence de nombreuses structures tourbillonnaires recensées par la bibliographie. Un calcul avec le modèle haut-Reynolds Rij-epsilon SSG est aussi effectué. Avec le modèle k-w SST, l'échange thermique est convenablement reproduit par rapport à l'expérience VALIDA, conduite par le CEA, alors qu'avec le modèle Rij-epsilon SSG celui-ci est fortement sous-estimé, certainement en raison de l'utilisation de lois de paroi. Dans un second temps, lorsque la convection naturelle est prépondérante, la topologie des écoulements est alors complètement différente et le transfert thermique est bien moins fidèle à l'expérience VALIDA. Le modèle à pondération elliptique EB-RSM, issu de l'approche de Durbin, consiste en la prise en compte des effets de paroi, et en particulier le blocage à la paroi. D'après ce formalisme, un modèle algébrique des flux thermiques avec pondération elliptique est développé, l'EB-AFM. Avec ce modèle, des tests a priori dans les trois régimes de convection puis les simulations sur les mêmes cas montrent une nette amélioration dans la prédiction des différents écoulements faisant place à une perspective intéressante d'un modèle intermédiaire entre une formulation SGDH et des équations de transport.

Ce travail concerne la mise au point d'une technique de mesure du frottement pariétal basée sur l'analyse de la dégradation d'une Peinture Sensible à la Pression (PSP). Cette dégradation est due à la diffusivité d'un de ses composants : le Pyrène. L'échange de Pyrène à l'interface est lié aux propriétés de l'écoulement à la paroi. Un modèle de dégradation est proposé puis testé expérimentalement dans une configuration de jet d'air subsonique axisymétrique impactant une plaque plane. L'écoulement est caractérisé par Vélocimétrie LASER (PIV et VLF). Ces techniques sont ensuite adaptées à la mesure de vitesse près de la paroi, afin de déterminer le frottement pariétal. L'analyse simultanée de la dégradation de la PSP sous l'effet du jet impactant et des mesures de frottement permet d'apprécier la validité du modèle associant les deux phénomènes. En particulier, le processus mis en évidence ne montre pas une dépendance directe au frottement pariétal. Il semble en effet que le phénomène responsable de la dégradation du revêtement soit lié aux fluctuations de pression et de vitesse à la paroi.

Ce travail a consisté à étudier le phénomène de la fatigue de contact de roulement (RCF). Les avaries qui apparaissent par RCF se caractérisent, à la surface des pièces roulantes, par des fissures, des piqûres et des écaillages. Les fissures de RCF sont mal décrites, dans leur forme géométrique, dans les travaux précédents. Ceci a conduit à une approche expérimentale utilisant un dispositif bi-disques dans lequel le disque éprouvette est réalisé dans un matériau transparent. La conception du dispositif permet d'imposer une force tangentielle et de créer des conditions de roulement avec glissement partiel. On résume les résultats expérimentaux par :-faire apparaître une famille de fissures débouchantes.-suivre avec précision l'évolution des fissures, dans la matière en 3D.-proposer des équations paramétriques pour décrire la forme géométrique du front de fissure.-constater que l'endommagement de RCF, à sec, s'est établi pour la position 'menant' de l'éprouvette.-et l'existence d'un pas quasi régulier entre les fissures. On a proposé un modèle numérique pour comprendre les deux derniers points. Le calcul a été réalisé avec le logiciel MSC.MARC. On a réalisé quatre plans d'expériences. On a décrit l'action d'un contact roulant sur un massif fissuré de façon incrémentale. Ceci permet d'obtenir les répartitions de pression et de cisaillement dans ce contact conformes à la loi de frottement et à la cinématique expérimentale. Ce modèle a montré que la contrainte de 'peau' sxx atteint des niveaux plus élevés pour la position 'menant'. C'est en accord avec les résultats expérimentaux. En s'appuyant sur la valeur de sxx max, on a expliqué le pas quasi régulier de fissures.

Les récents progrès des microtechnologies permettent le développement de microdrones d'une envergure inférieure à 15 cm devant assurer des missions d'observation ou d'intervention en milieu risqué. Une approche biomimétique utilisant un système de locomotion par ailes battantes semble notamment prometteuse car elle permettrait une capacité de vol stationnaire et une grande manoeuvrabilité en milieu confiné. Cependant, l'aérodynamique des ailes battantes à bas nombre de Reynolds diffère sensiblement de l'aérodynamique des applications classiques en raison du phénomène de lâcher tourbillonnaire et de la superposition de nombreux mécanismes instationnaires. Dans le cadre de cette thèse, nous avons dans un premier temps étudié le lâcher tourbillonnaire derrière un profil d'aile en caractérisant théoriquement et expérimentalement l'apparition de ce lâcher puis en le simulant numériquement. Des essais en bassin hydrodynamique précisent enfin l'influence des effets 3D et du nombre de Reynolds sur les efforts créés par le lâcher tourbillonnaire. Dans un deuxième temps, nous avons étudié par simulation numérique directe (DNS) les mouvements fondamentaux du vol battu, c'est-à-dire le pilonnement pur et le tangage pur, afin de mettre en évidence les mécanismes instationnaires, de différencier les stratégies du vol battu et de proposer des modèles simplifiés pouvant décrire les efforts instantanés.

Ce mémoire porte sur l'étude des champs de déplacements expérimentaux dans les plaques élastiques fissurées, chargées en mode I. L'extraction des déplacements expérimentaux est réalisée à partir d'une méthode d'extraction de phase à une seule image. La première partie de ce mémoire, concerne l'étude des champs de déplacements entourant la pointe de fissure pour des fissures stationnaires. La méthode des grilles est utilisée pour déterminer les champs de déplacements dans le plan sur la surface libre. Parallèlement aux essais expérimentaux, une modélisation par éléments finis est réalisée pour valider les conditions aux limites numériques et les formulations empiriques proposées. Ces formulations caractérisent les déplacements dans le plan et les gradients de déplacements nécessaires au calcul de l'intégrale J. La seconde partie de ce mémoire porte sur l'étude des effets 3D et transitoires par confrontation de la formulation théorique et des résultats expérimentaux des déplacements hors-plan. L'accès aux déplacements hors-plan absolus par interférométrie de Michelson n'est pas direct, l'utilisation d'un photomultiplicateur et la soustraction d'un relief initial est nécessaire. La zone de décrochement évoluant avec la vitesse de propagation (V) nous incite à développer une formulation empirique du déplacement minimisée par rapport aux données expérimentales.

La connaissance des mécanismes physiques responsables de la production sonore par les écoulements turbulents est indispensable pour permettre l'élaboration des techniques de réduction et de contrôle du bruit d'origine aérodynamique. Dans ce travail, nous avons développé une méthodologie d'analyse s'appuyant sur une décomposition du terme source de l'analogie de Lighthill, qui fait apparaître explicitement la dilatation et la vorticité, et sur un filtrage en nombre d'ondes. Associé à des bases de données obtenues par calcul direct acoustique, qui offrent un accès simultané à toutes les quantités dynamiques et acoustiques, cet outil permet d'identifier le rôle acoustique des différents termes. L'application de notre méthodologie à l'analyse des sources acoustiques dans une couche de mélange, permet d'interpréter le rayonnement sonore comme le résultat de subtils déséquilibres spatio-temporels entre les termes. Une nouvelle version du code de calcul direct acoustique a ensuite été développée, afin d'obtenir des bases de données en configuration 3D pour un coût de calcul raisonnable. Nous avons choisi d'implanter des schémas compacts décentrés d'ordre élevé pour la discrétisation spatiale, et de tester leur aptitude au calcul direct acoustique sur un cas test. Les résultats obtenus montrent la capacité de ces schémas à contrôler les oscillations numériques à résolution marginale et soulignent leur robustesse. Deux simulations de jets 3D chaud et froid ont été réalisées, dont nous présentons des résultats dynamiques et acoustiques préliminaires.

L'objectif de ce travail est de comprendre, quantifier et prédire les conditions d'amorçage de l'endommagement dans les matériaux composites C/Epoxy aéronautiques soumis à un environnement thermo-oxydant. Un banc d'essai original a été conçu pour maintenir des échantillons composites en température, sous pression de gaz et sous chargement mécanique simultanément, afin d'étudier les couplages qui peuvent apparaître entre les mécanismes de déformation et de thermo-oxydation. D'un autre côté, une modélisation multiphysique est proposée. Elle est construite dans le cadre thermodynamique des milieux réactifs ouverts : cette approche permet de prendre en compte un grand nombre de mécanismes et établit la forme sous laquelle s'expriment leurs couplages. Le modèle est ensuite implanté dans un code de calcul par éléments finis, pour simuler de manière réaliste l'évolution du composite (champs de contraintes et d'éléments d'oxydation) pendant un cycle de thermo-oxydation. Afin de valider le modèle, une confrontation quantitative est effectuée entre les valeurs expérimentales mesurées de la profondeur des retraits matriciels et celles prédites par le modèle. Un bon accord a été trouvé dans diverses configurations, tant que le retrait généré par la thermo-oxydation ne conduit pas à l'endommagement du matériau. Dans le cas contraire, l'apparition de l'endommagement a été détectée et le scénario d'amorçage est maintenant correctement appréhendé. Enfin, une étude prospective est menée en vue de développer une approche multi-échelle, et mettre ce modèle au service de la prédiction de la durée de vie de pièces composites stratifiées.

Lorsqu'un matériau est soumis `a une onde de choc non-soutenue suffisamment intense pour induire sa fusion, les contraintes de traction générées à la réflexion de cette onde sur une surface libre se développent au sein d'un milieu liquide. Il en résulte un processus de fragmentation dynamique, appelé micro-écaillage, qui conduit à la création d'un nuage de fines gouttelettes. L'objectif de la thèse est d'améliorer la compréhension de ce phénomène afin d'en proposer une modélisation physique. Le travail expérimental, combinant des essais d'impact de plaques et de choc laser sur l'étain, permet de constituer une base de données de référence sur le micro-écaillage. Des d´eveloppements théoriques et numériques, reposant sur l'analyse de modèles existants fondés sur une approche énergétique globale, conduisent à la formulation d'un critère de fragmentation approprié au micro-écaillage, implémenté dans un code de calcul. Les résultats des simulations apportent une première description du nuage de particules : distributions de tailles, de vitesses et état du liquide qui les compose. En parallèle, une seconde approche de modélisation est entreprise pour mieux cerner les mécanismes physiques élémentaires mis en jeu lors du micro-écaillage. Motivée par des observations expérimentales, l'étude micro-mécanique d'une sphère creuse constituée d'étain liquide en expansion dynamique permet de d´ecrire l'évolution de la cavitation au sein des métaux liquides et d'en déduire les conditions pour lesquelles celle-ci peut effectivement conduire à la fragmentation. Les résultats de cette étude confortent certaines prédictions du modèle de fragmentation fondé sur une approche énergétique globale.

Les études menées dans cette thèse concernent le problème du placement optimal de tâches des robots redondants en vue d'améliorer leurs performances cinéstotatiques lors de l'exécution des tâches. Nous rappelons les concepts de la cinématique des manipulateurs ainsi que les notions de redondance et d'accessibilité. Nous examinons aussi les indices de performance cinématique proposés. Ensuite, nous évoquons les contributions existantes, sur le sujet du placement optimal robot / tâche. Ces travaux sont recensés selon trois groupes : ceux concernant l'accessibilité aux tâches; ceux consacrés à l'optimisation des performances cinétostatiques; et ceux envisageant la minimisation du temps du cycle. En tenant compte des limitations des méthodes publiées, nous résolvons le placement de tâches sous trois scénarios : optimisation d'un seul critère de performance pour un point de la tâche dans un environnement sans obstacles ; optimisation multicritère pour plusieurs points de la tâche dans un environnement sans obstacles ; et finalement optimisation globale d'un critère dans un environnement encombré. Nos méthodes constituent des contributions dans le domaine de la planification des mouvements des robots redondants. La prise en compte des contraintes assure l'obtention de solutions réalistes. Nous retenons deux aspects spécifiques de nos méthodes : le premier relatif à la démarche utilisée pour la synthèse de trajectoires articulaires continues entre les points-tâche dans le cas de l'optimisation multicritère ; le second relatif à la fonction objective que nous proposons dans le cas de la méthode avec contrainte anti-collisions. L'efficacité de nos méthodes est validée en les appliquant à des cas divers dans tous les scénarios envisagés.

Ces travaux concernent la modélisation d'une classe de composites particulaires fortement chargés s'endommageant par décohésion aux interfaces grains/matrice. Pour ce faire, une technique de transition d'échelle qualifiée d'"approche morphologique" (AM) a été choisie. Elle a été formulée par Nadot et al. (2006) pour un état d'endommagement donné, par extension des travaux de Christoffersen (1983). Un ensemble d'outils nécessaires à la description de l'évolution de l'endommagement (critères de nucléation, de fermeture et de réouverture de défauts) est ici formulé. Une première évaluation de l'AM ainsi complétée est ensuite proposée pour des constituants élastiques linéaires isotropes. Elle est réalisée à l'aide d'une procédure de résolution numérique discrète permettant de rendre compte de la chronologie de l'ensemble des nucléations, fermetures et réouvertures des défauts. Un algorithme de prédiction-correction permet en particulier d'adapter automatiquement le pilotage du chargement au séquençage des nucléations assurant ainsi une bonne prise en compte de leurs effets sur l'estimation des champs locaux et de la réponse homogénéisée. Sur quelques trajets de chargement significatifs, on montre les capacités de l'AM à décrire qualitativement la forme prise par l'endommagement (position, orientation,morphologie des défauts),, ainsi que ses effets aux deux échelles (effets unilatéraux, couplages entre anisotropies initiale et induite, quantification des différentes contributions formant les déformations locales...). Enfin, les bases de futures extensions, comme la prise en compte du caractère viscoélastique de la matrice ou encore la transposition au cadre plus réaliste des transformations finies, sont posées.