UPThèses

Les travaux exposés dans cet ouvrage décrivent la synthèse, la caractérisation microstructurale et les propriétés physiques de solutions solides nanolamellaires des phases MAX. Les phases Mn+1AXn (M : métal de transition, A : un métal des groupes IlIA ou IV A, et X: carbone ou azote) constituent une famille de nitrures et de carbures ternaires (n = 1 à 3), qui possèdent les meilleures propriétés des métaux et les meilleures propriétés des céramiques. Lors d'une première étape, nous nous concentrons sur la synthèse de solutions solides pures et denses de Ti2AICxNy par compression isostatique à chaud. Les variations des paramètres de maille sont étudiée et discutée an fonction du taux de substitution (carbone-azote) et du taux de lacune (sur le site X). Lors d'une seconde étape, nous étudions les propriétés mécaniques et les propriétés de transport électronique des solutions solides Ti2AICxNy et des phases Ti2AICx et Ti2AINy. La technique de nanoindentation pour déterminer la dureté et le module élastique en fonction du taux de substitution et de lacune. Nous démontrons que la substitution conduit à une amélioration des propriétés mécaniques tandis que l'introduction de lacune conduit à une détérioration de ces propriétés. La résistivité électrique augmente lorsque des lacunes et/ou un effet de substitution sont introduits. Dans le cas de la substitution, nous démontrons que le désordre introduit est faible et que seule la diminution du temps de relaxation explique l'augmentation de la résistivité (interaction électron-phonons). Dans le cas de l'introduction de lacunes, nous montrons que ces dernières conduisent à une modification du temps de relaxation et probablement à une modification de la densité de porteurs. Enfin, l'anisotropie des propriétés de transport électronique a été mise en évidence par des mesures de résistivité réalisée avec le courant électrique circulant dans le plan de base et avec le courant électrique circulant selon l'axe c. Nous démontrons les propriétés de transport dans le plan de base peuvent être comprises en utilisant un modèle à une bande et un mécanisme de conduction assuré par des électrons ayant le comportement de trous.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet international (MARS) dont le but est d'améliorer l'efficacité du transport aérien par contrôle d'écoulement. Dans ce contexte, les travaux expérimentaux présentés ici sont focalisés sur l'utilisation d'un actionneur plasma à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) pour contrôler l'écoulement turbulent en aval d'une marche descendante (BFS) à Reh = 30000. Deux types de décharges sont étudiés : une ac-DBD qui produit une force électrohydrodynamqiue et une ns-DBD qui produit une onde de pression. Plusieurs positions de l'actionneur sont étudiés, de façon à optimiser les effets de la décharge sur l'écoulement. A l'aide d'un système PIV stéréoscopique, une étude étendue est destinée à l'évaluation des paramètres électriques du signal. Parmi tous les résultats obtenus, la zone de recirculation est réduite de 20%. De plus, d'autres quantités moyennes telles que les composantes de Reynolds, l'énergie cinétique et l'épaisseur de la couche cisaillée ont été aussi analysées. La dernière partie de la thèse comprend une analyse dynamique des modifications produites par l'actionneur. Pour cela, les structures dominantes sont examinées par leur signature fréquentielle et par une décomposition orthogonal aux valeurs propres (POD). Tous les résultats conduisent à la définition d'un cas d'action optimal pour lequel il est obtenu une réduction maximal de la longueur de rattachement. Le lâcher tourbillonnaire est renforcé par un mécanisme de type "lock-on".

Les méthodes modernes d'entraînement utilisent des appareillages spécifiques appelés ergomètres sur lesquels, en particulier, des programmes d'entraînement et d'évaluation sont proposés par les entraîneurs. De tels dispositifs favorisent la continuité d'un entraînement pendant les périodes peu favorables à une pratique sportive. De même, lorsque ces outils sont instrumentés, ils apportent à l'entraîneur des informations difficilement accessibles en situation réelle de pratique. Ce travail s'inscrit dans cette problématique scientifique dont l'objet est la conception d'un ergomètre pour la pratique du kayak en ligne. Les travaux réalisés ont conduit à la conception d'un ergomètre kayak capable de reproduire les conditions d'une pratique écologique aussi précisément que possible tant d'un point de vue de la gestuelle (cinématique) que des efforts générés (dynamique) d'une part, de proposer et de valider une instrumentation afin de recueillir l'ensemble des efforts d'interaction kayakiste/ergomètre, d'autre part. De plus, cette instrumentation doit être suffisamment exigeante en termes de poids et d'encombrement pour être installée dans un kayak K1 pour réaliser des mesures in situ. Les moyens mis en œuvre donnent accès aux variables biomécaniques permettant de quantifier les éléments de base de la technique de pagayage qui constituent l'ensemble des facteurs déterminants de la performance (force, endurance, technique, etc.). Scientifiques et entraineurs ont ainsi à leur disposition un outil pour une évaluation objective des performances du kayakiste. Ce travail a été réalisé dans le cadre d'une collaboration entre l'axe RoBioss, le CAIPS et la société SENSIX.

Le mouvement des masses molles est à la fois une source d'erreur en analyse cinématique et une source d'information en analyse de la dynamique articulaire. Leur effet sur la cinématique peut être numériquement minimisé et leur dynamique estimée seulement par la simulation car aucune méthode numérique ne permet de distinguer la cinématique des masses molles de celle de l'os. Le travail présenté dans ce mémoire propose de développer une méthode numérique pour distinguer ces deux cinématiques. Une méthode d'optimisation locale a d'abord été utilisée pour évaluer le mouvement des masses molles et comparée à l'os pour valider celle-ci. Les résultats ont montré une inadaptation de la méthode locale à évaluer quantitativement et analyser le mouvement des masses molles. L'incapacité de cette méthode vient du fait qu'elle ne prend pas en compte l'ensemble des composantes du mouvement des masses molles. Un modèle numérique du membre inférieur a été développé dans la seconde étude pour considérer l'ensemble de ces composantes. Ce modèle assure le calcul de la cinématique articulaire du membre inférieur et estime un plus grand mouvement des masses molles à partir du déplacement total des marqueurs. Ce déplacement de marqueur est plus le fait d'une composante à l'unisson que d'une composante propre du mouvement des masses molles. Cette composante à l'unisson induit un mouvement commun des marqueurs par rapport à l'os. Ce mouvement commun permet ainsi de déduire la cinématique des masses molles autour des axes anatomiques des os modélisés. Cette méthode numérique permet ainsi de distinguer la cinématique de l'os de celle des masses molles offre une perspective d'étudier leur dynamique.

Plusieurs types de dispositifs mécaniques (à vibration, à cylindre tournant, à lit fluidisé) mettant en jeu l'effet triboélectrique sont actuellement utilisés pour charger électriquement les constituants des mélanges de matériaux isolants granulaires, en vue de leur séparation dans un champ électrique intense. La non-uniformité de la charge des granules à la sortie de ces dispositifs affecte l'efficacité de la séparation, d'où l'intérêt des recherches visant la mise au point de procédés électrostatiques nouveaux, notamment pour des applications dans le domaine du recyclage des déchets. L'utilisation simultanée de l'effet triboélectrique, de la force de Coulomb et de la force d'image électrique est la solution innovante selon laquelle ont été conçus les quatre dispositifs à lit fluidisés réalisés ou améliorés dans le cadre de cette thèse. L'évaluation des performances de ces dispositifs a été rendue possible par la mise en oeuvre de systèmes de mesure complexes, permettant l'enregistrement continu et simultané des charges et des masses des produits de la séparation. Ainsi, la méthode des plans d'expériences pour surfaces de réponse a pu être utilisée pour modéliser le processus de séparation et déterminer les valeurs optimales des variables de contrôle de chacun des dispositifs, tels que le niveau de la haute tension d'alimentation ou la vitesse de l'air de fluidisation. Les résultats obtenus sur les installations de laboratoire et sur un prototype préindustriel recommandent cette classe de procédés tribo-aéro-électrostatiques comme la solution de choix pour le recyclage des déchets granulaires d'équipements électriques et électroniques.

La texturation de surface est une thématique récente qui suscite un certain engouement pour les contacts dynamiques. Pendant de nombreuses années, les tribologues ont privilégié les surfaces lisses aux faibles rugosités pour limiter le frottement. Inspiré des rugosités de surface organisées observées dans la nature, les topologies de surfaces sont désormais axées sur la texturation et la structuration des rugosités. Fort de ce potentiel, de nombreuses études traitent, par une approche numérique, la modélisation de ces surfaces et les études expérimentales sont rares, avec une instrumentation souvent insuffisante pour appréhender tous les phénomènes physiques. Par une approche expérimentale, nous analysons le comportement des butées hydrodynamiques à faces parallèles partiellement texturées. Les 80 capteurs équipant le dispositif d'essais permettent d'apprécier avec rigueur la phénoménologie à l'interface du patin et du film lubrifiant. L'analyse met l'accent sur la capabilité de ce composant à être intégré dans un environnement industriel. Afin d'objectiver les résultats, les campagnes d'essais sont menées sur dix butées hydrodynamiques dont quatre sont munies de texturation. Une comparaison de ces butées facilite leur classement en termes de capacité de charge, de réduction de frottement ou encore de risque d'usure dans les phases de démarrage. Pour les configurations étudiées, les butées texturées ne peuvent concurrencer les butées à poches ou à plans inclinés du point de vue de la capacité de charge. En se référant à une butée à faces parallèles, les butées texturées permettent une réduction du frottement de 30% à faibles charges tandis que pour de fortes charges, les

Ce document présente les analyses expérimentales de deux types de composants aérodynamiques, lubrifiés en air : les butées à feuilles et les paliers à feuilles. Ces éléments constituent une nouvelle génération d'organes de guidages, et gagnent à être implémentés dans des machines tournantes dont les performances sont critiques. En effet, ils permettent d'atteindre des vitesses élevées, sans usure en régime établit, et diminuent la puissance dissipée en comparaison à des solutions fonctionnant avec de l'huile. Ce mémoire est une contribution à l'étude de chacun de ces éléments, dont les niveaux respectifs de maturité technologique ne sont pas similaires. Le palier à feuilles possède une littérature plus riche que la butée, dont aucune analyse expérimentale dynamique n'a été menée jusqu'à présent. Un banc d'essai, destiné à l'étude de butées à feuilles, sous des charges statiques et dynamiques, est conçu. Les caractéristiques de démarrage montrent une augmentation linéaire du couple de démarrage avec la charge statique, une augmentation linéaire du couple en fonctionnement aussi bien avec la charge statique qu'avec la vitesse de rotation, et enfin, une augmentation globale de la vitesse de décollage avec la charge statique. Les essais dynamiques montrent, pour la raideur dynamique, une augmentation non linéaire avec la fréquence d'excitation (entre 150 Hz et 750 Hz) ainsi qu'avec la charge statique appliquée. L'amortissement visqueux équivalent diminue avec la fréquence d'excitation, mais augmente avec la charge statique. Les essais montrent, à charge équivalente, une diminution de la raideur et de l'amortissement avec l'augmentation de la vitesse de rotation. Les facteurs d'amortissements structurels diminuent avec l'augmentation de la fréquence d'excitation, et augmentent avec la charge statique. Afin de se rapprocher d'une architecture de turbomachine, un banc d'essai existant est adapté à l'utilisation de paliers à feuilles. L'étude du comportement de deux rotors rigides (un léger et un lourd) est menée. Celle-ci s'effectue de deux façons : par l'analyse de spectrogrammes enregistrés suivant deux directions du plan de chaque palier, ou bien en étudiant la réponse synchrone à différents balourds. Une confrontation avec deux modèles théoriques est effectuée, en comparant soit la réponse synchrone au balourd dans chaque palier, soit les spectrogrammes. Les balourds sont comparés avec un modèle de rotor rigide linéaire (analyse en petites perturbations) à 4 degrés de libertés, dans lequel les coefficients dynamiques des paliers obtenus grâce au code Foil sont utilisés. les spectrogrammes montrent des vibrations sous-synchrones, qui sont reproduites dans ce mémoire au moyen d'un modèle simplifié de force dynamique. Les résultats expérimentaux actuels montrent les limites des modélisations des paliers à feuilles existantes. Afin d'améliorer la connaissance et la prédiction de ces composants, il est dorénavant nécessaire d'établir un nouveau modèle dynamique, non linéaire, permettant de prédire les réponses synchrones aux balourds ainsi que la richesse sous-synchrone de la signature dynamique d'un rotor supporté par ces paliers.

L'étude de l'écoulement à l'aval d'une ride a un intérêt primordial dans la dynamique et l'évolution des rivières, des milieux côtiers ou des estuaires. Une des questions au coeur de ces écoulements est liée aux mécanismes d'interaction entre les particules et l'écoulement. Cette interaction donne souvent lieu à la formation de structures ondulées (rides ou dunes). Ce couplage est engendré au niveau de l'écoulement moyen, de la forme de la dune mais aussi au niveau de la macro turbulence et des structures tourbillonnaires instationnaires générées par la présence même des formes sédimentaires. L'identification des différents mécanismes et processus hydrodynamiques générés par la présence de dunes ou rides est exposée en détail par l'examen de l'écoulement laminaire à l'aval d'une ride fixe et isolée. Des techniques de mesure optiques 2D (PIV, visualisations) et 3D (Stéréo-PIV, tomographie laser) couplées à une étude numérique avec un code industriel, permettent de mettre en évidence l'instationarité, la tridimensionnalité de l'écoulement ainsi que la dynamique tourbillonnaire de la zone de recirculation à l'aval de la ride. L'impact de l'écoulement turbulent sur la naissance de dunes isolées est analysé au moyen d'une étude détaillée sur le transport de particules à partir d'essais menés en canal hydro-sédimentaire. Le rôle particulier de la zone de recirculation à l'aval de la dune est mis en évidence à l'aide d'un suivi spatio-temporel du transport des particules entre sa crête et sa face d'avalanche. Finalement, l'analyse et l'influence des conditions hydrauliques sur le seuil critique de mise en mouvement d'un lit de particules ainsi que la formation et la migration d

Cela fait environ soixante ans que l'on s'intéresse à la compréhension et à la modélisation du comportement Elastohydrodynamique (EHD) des joints à lèvres. Cependant, on peut considérer que, jusqu'à présent, leur modélisation n'a pas été totalement et rigoureusement traitée. En effet, même si de nombreuses études ont été consacrées à cette modélisation, plusieurs questions ont été soulevées et font toujours l'objet de controverses entre les chercheurs, à savoir l'impact sur les performances des joints à lèvre de l'effet des surfaces texturées de l'arbre, de la loi adoptée pour le comportement mécanique des joints à lèvre, de la démarche utilisée pour l'élaboration de la matrice de compliance (matrice de souplesse), de l'importance de supposer l'arbre lisse ou rugueux, ainsi que la valeur du rapport entre la largeur du contact et la longueur d'onde du défaut suivant la direction circonférentielle de la lèvre. Dans cette thèse, nous avons tenté d'apporter de façon rigoureuse des réponses claires et précises à toutes ces questions en élaborant et en validant un outil de simulation EHD complet pour les joints à lèvre qui tienne compte de presque tous les paramètres, à savoir une loi de comportement du matériau du joint précise, une matrice de souplesse rigoureusement validée et un arbre qui peut être lisse, rugueux et/ou texturé. De plus, un second modèle analytique est proposé. Il traite le comportement vibratoire du "squeeze film", en tenant compte de la non linéarité des caractéristiques intrinsèques du joint et du film.

Un des enjeux de la Directive Cadre sur l'Eau (2000) est de rétablir la migration piscicole aval à travers notamment une baisse de la mortalité des poissons au niveau des turbines des centrales hydroélectriques. Les grilles ichtyocompatibles constituent une des solutions possibles grâce à un arrêt physique des poissons couplé à un guidage vers un exutoire de contournement. Dans ce contexte, nous avons mené une étude expérimentale et numérique afin de caractériser différents types de grilles en termes de pertes de charge et de courantologie. Cela a permis de déterminer d'une part les pertes d'énergie liées à la proximité des barreaux pour diverses configurations et d'autre part les vitesses que les poissons sont susceptibles de rencontrer le long des grilles jusqu'à l'exutoire. Ces deux sujets complémentaires ont été abordés via l'utilisation de deux installations hydrauliques couplées à plusieurs systèmes de mesure adaptés à nos modèles de grille. Des mesures de hauteur d'eau ont permis d'établir des nouvelles lois de pertes de charge tandis que des mesures de vitesse avec des systèmes de vélocimétrie acoustique par effet Doppler (ADV) et de vélocimétrie par images de particules (PIV) ont permis de déterminer les angles pour lesquels les grilles satisfont les critères d'ichtyocompatibilité. Certains points de l'étude, liés à la caractérisation des exutoires notamment, ont été résolus grâce à des simulations numériques avec le logiciel OpenFOAM. L'ensemble des résultats obtenus a permis de dimensionner et de comparer les différentes solutions de grilles dans un cas de prise d'eau réel, soulignant ainsi les avantages et problématiques inhérents à chacune des solutions.