UPThèses

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.

Différents domaines scientifiques et industriels exploitent l’application d’un champ électrique non uniforme dans la manipulation et le déplacement des particules. Le convoyeur électrostatique fait partie des procédés électrostatiques employés dans cette application. Constitué d’une série d’électrodes parallèles et alimenté par des tensions polyphasées, le convoyeur électrostatique a été largement étudié dans le domaine des ondes voyageuses pour le transport des particules fines telles que les particules de tonner. Cette configuration d’électrodes est aussi utilisée dans les systèmes électro-adhésifs des surfaces conductrices et isolantes. Des recherches récentes ont permis l’application de ce dispositif dans le domaine du dépoussiérage des panneaux photovoltaïques afin d’augmenter la perméabilité lumineuse, et dans le monde industriel et les systèmes de fabrication automatisée pour la manipulation et le déplacement d’objets. L’objectif de ce travail est d’optimiser l’action de l’électro-adhésion dans un dispositif de tri électrostatique des mélanges de particules métal/plastique, en contrôlant les principaux paramètres électriques et géométriques du système d’électrodes intercalées. L’idée est d’aboutir à nouveau séparateur basé sur l’utilisation d’un convoyeur électrostatique sous forme de cylindre tournant. Pour atteindre cet objectif, une première étude théorique et numérique a été effectuée afin d’interpréter l’effet des grandeurs physiques agissantes sur le comportement des matériaux au-dessus de la surface des convoyeurs. Cette étude a été suivie par une modélisation expérimentale des différents paramètres électriques et géométriques contribuant au processus de séparation. Les résultats de ces deux études ont permis de comprendre le mode d’action des forces électrostatiques dans le processus de manipulation des particules conductrices et diélectriques d’une part, et de démontrer le potentiel des convoyeurs électrostatiques dans le domaine de la séparation électrostatique. L’étude a été complétée par la caractérisation des décharges électriques qui apparaissent lors de l’action de l’électro-adhésion sur des particules conductrices.

La séparation électrostatique désigne l’ensemble des méthodes qui font usage des forces exercées par le champ électrique sur des particules chargées ou polarisées, pour faire le tri des constituants de mélanges granulaires. L'efficacité et la qualité de la séparation électrostatique dépendent de la charge électrique acquise par les particules dans les dispositifs de tribochargement appropriés. L’objectif cette thèse a été de trouver des solutions techniques viables aux problèmes de séparation électrostatique des matériaux plastiques granulaires, pour des applications au recyclage des déchets d’équipements électriques et électroniques. En effet la société CITF, partenaire de cette thèse CIFRE, vise de pouvoir proposer à ses clients des installations capables d’assurer le traitement d’une gamme élargie de mélanges de plastiques granulaires recyclables, avec des rendements de séparation élevés et une meilleure efficacité énergétique. Afin d’atteindre cet objectif, la thèse a dû répondre répondre en amont à plusieurs questions d’intérêt scientifique indéniable : (1) Quels mécanismes physiques (contact particule – particule, contact particule-parois), et quels types de dispositifs de charge (à vibrations, à cylindre tournant, à lit fluidisé,…) pour quels types de mélange de matériaux plastiques granulaires ? (2) Comment évaluer la faisabilité de la séparation triboélectrostatique d’un mélange ? (3) Quelles sont les limites des procédés actuels de séparation triboélectrostatique et quelles sont les solutions pour lever les verrous technologiques ? L’originalité de la démarche repose sur la mise en œuvre de techniques expérimentales de pointe pour une investigation pluridisciplinaire et multi-échelles des phénomènes triboélectriques, électrostatiques et aérodynamiques dont l’utilisation associée au prétraitement des matériaux par une décharge à barrière diélectrique rendrait possible la séparation de mélanges de matériaux plastiques granulaires de tailles < 10 mm.

La relation de Hall-Petch décrit une évolution proportionnelle de la limite d’élasticité d’un métal avec l’inverse de sa taille de grain. Ce modèle, que l'on peut expliquer à partir d'empilements de dislocations, atteint ses limites pour les tailles de grain nanométriques, en général vides de dislocations. A cette échelle, le seuil de plasticité sature ou décroit, ce qui est généralement attribué à des processus plastiques portés par les joints de grains eux-mêmes, comme la rotation, le glissement intergranulaire et/ou le couplage migration/cisaillement. Si de nombreuses observations rendent compte de ces mécanismes dans les métaux, essentiellement à petits grains, ceux-ci ont rarement été quantifiés. Le modèle de Cahn, Mishin, Suzuki et Taylor (CMST), basé sur les dislocations de réseau et l'équation de Frank-Bilby permet de prévoir le couplage migration/cisaillement, à travers son facteur de couplage beta, en fonction de la désorientation de joints de flexion symétriques. Ce modèle conservatif, qui prévoit que beta (quantité de cisaillement/distance de migration) augmente avec la désorientation du joint, a été en partie validé sur des bicristaux, mais les rares mesures faites sur polycristaux semblent elles indiquer des valeurs de beta faibles, souvent indépendantes de la désorientation des joints. Cette étude tente d'apporter des valeurs statistiques de couplage pour le processus de migration/cisaillement dans des métaux CFC à grains ultra fins issus de déformation plastique sévère. Notamment, nous avons essayé de corréler le couplage avec la désorientation, le plan d’habitat du joint, les conditions expérimentales. Pour suivre le couplage migration/cisaillement, qui peut se produire dans les trois directions de l’espace, nous avons utilisé la microscopie électronique en transmission (MET) et la microscopie à force atomique (AFM), couplées avec des techniques de cartographie d'orientation cristalline. La traction en MET in situ à haute température, couplée avec la technique ACOM (Automated Crystalline Orientation Mapping) permet à la fois de suivre le mouvement des joints en temps réel dans le plan de la lame et, grâce à la corrélation d'image, de remonter au cisaillement qui en découle. Le couplage perpendiculaire au plan a été mesuré en utilisant la microscopie à champ proche sur des échantillons massifs et flués. Dans ce cas, la désorientation des joints est mesurée par EBSD (pour Electron Back Scattered Diffraction). Dans l'ensemble, on peut clairement montrer qu'en l'absence de dislocation intra-granulaire, le couplage cisaillement est le principal vecteur de la déformation plastique véhiculée par les joints de grains. Celle-ci est accommodée par endroit par de la rotation. Dans les trois dimensions de l'espace, ce couplage est en général caractérisé par un facteur beta faible, de l'ordre de la déformation appliquée. Nous avons montré que béta n'est pas lié à la désorientation des joints mobiles, ce qui implique que le modèle CMST peut difficilement servir de base pour expliquer le phénomène de couplage-cisaillement dans les polycristaux à grains fins. Les modèles basés sur les disconnections sont les plus à même d'expliquer cette décorélation entre désorientation et couplage, mais ceux-ci sont encore loin d'être prédictifs.

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 ?

L’analyse du mouvement humain est un paramètre clé pour comprendre les différentes problématiques de la locomotion humaine. Qui plus est, il est nécessaire que ces analyses soient effectuées au plus proche de la locomotion réelle. L’essor de la miniaturisation des capteurs et des technologies sans fil a permis d’offrir la possibilité d’utiliser les centrales inertielles sur le terrain. Mais différentes problématiques existent encore pour obtenir la cinématique des membres inférieurs avec les centrales inertielles. La première étude de ce manuscrit aborde une comparaison des différents calibrages centrale-à-segment pour définir le passage entre l’orientation de la centrale inertielle et le segment sous-jacent. Nous avons mis en avant une méthode qui valide ces critères au mieux et ne demande que deux postures et un dispositif simple. Mais la cinématique obtenue reste entachée d’erreurs qui pourraient être dues à la présence d’artefacts de tissu mou. C’est pourquoi dans une seconde partie nous étudions la possibilité de diminuer ces effets par l’intermédiaire de l’optimisation multisegmentaire. Ainsi nous avons pu mettre en avant la nécessité de bien paramétrer le modèle derrière l’optimisation sans pour autant présenter un apport significatif. Enfin, en dernière partie, nous proposons d’appliquer la méthodologie de traitement de la cinématique articulaire sur une population pathologique, en collaboration avec le laboratoire de cinésiologie Willy Taillard des HUG et de l’Université de Genève. En conclusion cette thèse propose un processus méthodologique et des recommandations pour développer des analyses de la cinématique en milieu écologique avec des centrales inertielles.

Les dispositifs électriques, notamment embarqués, sont de plus en plus compacts et nécessitent toujours plus de puissance. Or, tous ces composants électriques produisent de la chaleur qu’il faut absolument évacuer pour maintenir un fonctionnement optimal. Dans cet objectif, l’équipe électrofluidodynamique de l’institut Pprime développe des systèmes électrohydrodynamiques (EHD) qui ont déjà montré de nombreux avantages pour les applications aussi bien spatiales que terrestres. Pour fonctionner de façon optimale, les systèmes EHD utilisent des liquides diélectriques avec un impact écologique faible comme les Hydrofluoroethers (HFE) dont le comportement électrique est mal connu. L’objectif du travail réalisé dans cette thèse est de caractériser la variation des propriétés électriques des HFE 7000 et 7100 en fonction de la température. Plusieurs méthodes ont été employées pour analyser le comportement électrique en basse tension ; une première méthode conforme aux directives de la normes CEI 61620 puis une seconde basée sur la spectroscopie diélectrique. L’étude est ensuite élargie au comportement thermique sous haute tension. L’analyse des caractéristiques courant-tension permet de mettre en évidence les trois zones typiques de comportement : ohmique, quasi-ohmique et d’injection et ainsi de définir les limites des régimes de conduction et d’injection. Cette partie haute tension aborde également, dans le respect la norme CEI 60156, le problème de la rigidité diélectrique des deux HFE à différentes températures en phase gazeuse et en phase liquide. Enfin, une étude préliminaire novatrice sur l’effet Kerr dans le HFE-7100 est réalisée. Elle montre que cet effet électro-optique peut être utilisé pour l’étude du développement des couches chargées aux interfaces HFE/électrodes. En conclusion, les résultats obtenus dans ce travail apportent une contribution à la compréhension du comportement électrique des HFE. Ceci est nécessaire pour améliorer et optimiser les performances des systèmes EHD fonctionnant avec ces liquides.

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.

Les affections de la colonne sont la principale source de handicap mondiale. Leur impact sur les systèmes de santé et sociaux est monumental dans les pays occidentaux et sans doute négligé dans les pays en voie de développement. Bien que traditionnellement considéré comme non spécifique, il est possible dans certains cas de définir des sources anatomo-pathologiques responsables de la douleur des patients. Parmi elles, se trouve les fissures radiales de l’annulus fibrosus du disque intervertébral. Cette lésion structurelle à de nombreuses conséquences sur la biologie et la mécanique du disque intervertébral, pouvant conduire à une dégénérescence de la structure. Dans cette thèse nous nous intéressons aux déplacements et aux déformations du Nucleus Pulposus rendu plus importantes du fait de la brèche de l’annulus. McKenzie a émis l’hypothèse d’un nucleus mobile dans la fissure. Ces déformations / déplacements sont dépendants des forces imposées sur l’unité fonctionnelle par les mouvements physiologiques du rachis. Ainsi une flexion déplace / déforme le nucleus vers l’arrière, une extension vers l’avant et ainsi de suite. Afin de tester la pertinence de cette hypothèse, nous utilisons une approche quadruple, incluant : - Une revue systématique de la littérature avec une méta-analyse. - Une approche ex vivo, combinant IRM quantitative et analyse photomécanique. - Une approche in vivo d’analyse quantifié de mouvement. - Une approche in silico de modélisation par éléments finis. Nos résultats, quoique préliminaires, semblent confirmer cette hypothèse. Mais, nous sommes encore loin d’une validation ferme et définitive. D’autres recherches seront nécessaires pour finaliser cet objectif.

Dans des cas particuliers, les paliers hydrodynamiques démarrent et s'arrêtent souvent sous une charge élevée mais sans l’aide d’un système de support hydrostatique, ce qui provoque facilement des grippages et des défaillances par usure. Les revêtements autolubrifiants deviennent une alternative pour améliorer les performances de frottement des paliers hydrodynamiques. Les propriétés de glissement à l'interface lubrifiant-revêtement sont assez différentes de celles existantes dans les paliers à revêtements traditionnels. Dans la thèse, un modèle de lubrification mixte est établi en considérant à la fois le contact de surface et la lubrification hydrodynamique pendant le démarrage et l'arrêt des paliers lisses. Le comportement transitoire du contact lubrifié et le problème d'usure du palier chargé sont analysés. Les influences de la rugosité de surface, de l'accélération et du jeu relatif sur le comportement du contact lubrifié sont discutées. Un modèle thermoélastohydrodynamique (TEHD) considérant le glissement aux parois est établi. L'influence de la zone de glissement sur la capacité de charge et sur le coefficient de frottement est étudiée afin de déterminer la zone de glissement optimale pour des excentricités relatives élevées (charges lourdes) en régime isotherme. Ensuite, l'influence de la position du revêtement (glissement) sur le comportement thermique et l'épaisseur minimale du film est analysée. Les critères de sélection de la position de revêtement sont donnés. Des recherches expérimentales sur le fonctionnement à l’état stationnaire et en phase de démarrage sont menées sur des paliers à patins oscillants utilisés sur les turbines à gaz marines. L'usure et les caractéristiques thermiques des revêtements PTFE, graphite et argent (Ag) sont analysées. L'influence du jeu relatif, de l'accélération et de la température initiale sur l'élévation de température au démarrage est explorée.