Dissertations / Theses on the topic 'Matériaux CFC'

Différents matériaux carbonés nanostructurés ont été synthétisés et mis en oeuvre comme matériaux supercapacitifs à double couche électrochimique (EDLC) ou comme substrats de matériaux pseudocapacitifs avec pour objectif d'augmenter leur densité de puissance. Nous avons ainsi développé une méthode de synthèse simple et originale de carbures de silicium (SiC) qui procède par une réduction topotactique d'un composite silice/carbon par le magnésium. Du fait de la température de synthèse inférieure à 800°C, SiC résultant conserve la morphologie et/ou la structure poreuse du précurseur composite. Par cette approche, nous pouvons moduler la structure poreuse ordonnée de SiC à façon, développer des porosités hiérarchiques méso/macro, préparer des feuillets ou des fibres de SiC. Les différentes formes de SiC ont été converties par chloration en autant de carbones, opération introduisant une microporosité supplémentaire. En électrolyte organique, ces carbones à porosité hierarchique combinent à la fois des capacités importantes issues de la microporosité mais également des performances inégalées en terme de puissance du fait de la méso ou macro-porosité associée. Dans une approche différente, des feuillet de graphène ont été décorés par voie sol-gel non-hydrolytique (micro-onde en milieu alcool benzilique) par des nanoparticules de FeOx. Le composite FeOx/graphene résultant combine simultanément les comportements EDLC et pseudocapacitif du graphène et de FeOx. Du fait de sa structure particulière, le composite FeOx/graphene conserve les performances en puissance du graphène auxquelles s'ajoutent celles d'énergie de FeOx. Nous avons également décoré des nanofibres de carbone avec des carbones mésoporeux. Après dépôt de MnO2 birnessite, les composites gagnent à la fois en capacité et en puissance en particulier avec des carbones présentant des pores supérieurs à 10nm<br>Various nanostructured carbon materials were synthesized and further served as active materials of electrical double layer capacitor or substrates of pseudocapacitive materials in order to improve power capability of corresponding supercapacitor. On the one hand, a simple synthesis of porous silicon carbides (SiCs) was achieved by performing a topotactic thermal reduction by magnesium (Mg) of a silica/ carbon composite. Thanks to the low synthetic temperature (below 800 ºC), the SiCs well preserved the pristine skeletons of their silica/carbon precursors. Successively, the SiCs with diverse porous structures from their silica/carbon precursor emerged, e.g. ordered tunable mesoporous SiCs, 3D-hierarchical meso and macroporous SiC, SiC nanosheet and SiC nanofiber. Furthermore, the porous SiCs derived from magnesio-thermal reduction were reduced to hierarchical carbons with newborn narrow distributed microporosity by chlorination. In an organic electrolyte, the hierarchical carbon combines the high specific capacitance from narrow distributed microporosity and the outstanding rate capability from ordered-arranged meso or macroporosity that make it promising for high power and energy density capacitor. On the other hand, a “benzyl alcohol route” has been used to decorate RGO nanosheets with FeOx nanoparticles. The resulting FeOx/ RGO composite, due to their hybrid nanostructure, combine both EDLC capacitive and pseudocapacitive bahaviors of RGO and FeOx, respectively. Thanks to the laminated RGO and nano FeOx particles film, the resulting composite gains the same power capability as RGO and a higher energy density than raw FeOx. Furthermore, mesoporous carbon was introduced to adorn the CNF surface through self-assemble of resol, carbon nanofiber(CNF) and Pluronic@127. After further coating with birnessite-MnO2, the composite electrode gains extra capacitance and power improvement in presence of superficially coating mesoporous carbon with pore size larger than 10nm

L'irradiation peut modifier les propriétés mécaniques des aciers inoxydables austénitiques. Une diminution de la ténacité à la rupture des aciers en fonction de la dose est observée. La rupture ductile due à la croissance et la coalescence des cavités est toujours un mécanisme dominant dans les aciers irradiés jusqu'à 10 dpa. Des cavités peuvent être crées de manière différente : nucléées à partir des inclusions ou des précipités d'irradiation, ou créées directement par irradiation. Cette thèse a pour objectif d'étudier la rupture ductile des aciers irradiés due à la croissance et la coalescence des cavités intragranulaires. Basée sur la plasticité cristalline, des simulations en éléments finis sont effectuées sur les cellules unitaires pour étudier l'effet de l'orientation cristallographique et de la triaxialité de contraintes sur la croissance et la coalescence des cavités. L'effet de l'écrouissage post-irradiation sur la croissance et la coalescence des cavités est étudié avec un modèle de la plasticité cristalline prenant compte des défauts d'irradiation. En outre, un modèle élastomère-visco-plastique en grandes transformations est proposé pour décrire la croissance des cavités dans le monocristal. Le modèle est appliqué à la simulation de l'endommagement ductile dans le monocristal et le polycristal. Des cavités peuvent avoir des tailles différentes et la taille peut avoir une influence sur la ténacité à la rupture des aciers. Afin d'étudier cet effet, un modèle micromorphe de plasticité cristalline est proposé et appliqué à la simulation de la croissance et la coalescence des cavités intragranulaires de différentes tailles ainsi qu'aux phénomènes de localisation dans les monocristaux<br>Irradiation causes drastic modifications of mechanical properties of austenitic stainless steels and a decrease in the fracture toughness with irradiation has been observed. Ductile fracture due to void growth and coalescence remains one dominant fracture mechanism for doses in the range of 0-10 dupa. Voids may have different origins : nucleated at inclusions or irradiation-induced precipitates during mechanical loading, or produced directly by irradiation. The present work is to investigate ductile fracture of irradiated steels due to growth and coalescence of intragranulaire voids. Based on continuum crystal plasticity theory, FE simulations are performed on unit cells for studying effects of lattice orientation and stress triaxiality on void growth and coalescence. The influence of post-irradiation hardening/softening on void growth ans coalescence is evaluated with a physically based crystal plasticity model. Besides, an elastoviscoplastic model at finite strains is proposed to describe void growth up to coalescence in single crystals, and is assessed based unit cell simulations. The model is then applied to simulate ductile damage in single crystals ans polycrystals. As voids in irradiated steels may have different origins, they may have different sizes, which potentially have an influence on ductile fracture process and fracture toughness of irradiated steels. In order to assess the size effect, a micromorphic crystal plasticity model is proposed and applied to simulate growth and coalescence of intragranular voids of different sizes

L’acier 316L(N) est le matériau de référence pour les structures du circuit primaire des réacteurs nucléaires de quatrième génération, en raison de leur résistance mécanique à la température de fonctionnement, de l’ordre de 550°C. La thèse a permis de développer un modèle polycristallin, capable de prédire le comportement de ces aciers, basé sur la description du glissement viscoplastique des dislocation à haute température, de mise en œuvre simple et avec l’identification d’un nombre de paramètres matériau limité. La démarche de modélisation a été progressive. Lors de la première étape, nous avons proposé et validé une loi d'homogénéisation élasto-viscoplastique à champs moyens, grâce à de nombreux calculs par éléments finis, en considérant des durcissements plastique et des viscosités cristallines. Ensuite, un modèle de viscoplasticité cristalline, reposant sur les lois d’évolution des densités de différents types de dislocations, a été implémenté et les prédictions ont été validés en considérant un très grand nombre de résultats expérimentaux à faible. Le modèle a ensuite été enrichi afin de prendre en compte les mécanismes physiques supplémentaires observés à température élevée, comme la montée des dislocations, le vieillissement dynamique et l’apparition d’une structure de dislocation très hétérogène. Le modèle proposé nécessite uniquement l’ajustement de trois paramètres par identification inverse, utilisant seulement des essais de traction monotone avec saut de vitesse. Les prédictions du comportement mécanique en chargement uniaxial et cyclique sont également en bon accord avec les mesures expérimentales aux températures élevées<br>The 316L(N) stainless steels is the reference material for the primary circuit structures of fourth-generation nuclear reactors. This alloy present high mechanical resistance at the operation temperature range of these reactors, of the order of 550 °C. This PhD allowed to develop a polycrystalline model based on the description of the viscoplastic dislocation slip at high temperatures, with straightforward implementation and with identification of a limited number of material parameters. The modeling process was progressive. In a first step, we proposed and validated a mean-field elastic-viscoplastic homogenization law, in comparison to numerous finite element calculations, considering crystalline plastic hardening and crystalline viscosity. Then, a model of crystalline viscoplasticity, based on the evolution laws of the different dislocations densities was implemented and the predictions were validated considering a very large number of experimental results at low temperature. The model was then enhanced to take into account the additional physical mechanisms observed at high temperature, such as dislocation climb, dynamic strain aging and the appearance of a very heterogeneous dislocation structure. The proposed model requires the adjustment of only three parameters by inverse identification, using only monotonic tensile tests at different strain rates. The mechanical behavior predictions in uniaxial and cyclic loading are also in good agreement with experimental measurements at high temperature

Cette étude concerne la compréhension des mécanismes de transfert de chaleur et le développement d’un système de stockage pour la valorisation de la chaleur fatale industrielle. L’utilisation de Matériaux à Changement de Phase (MCP) permet d’atteindre une densité énergétique élevée et de restituer la chaleur à température constante. Cependant, leur faible conductivité thermique impose d’améliorer les transferts thermiques, notamment par l’utilisation d’échangeurs à surface augmentée. Le but est de comprendre le comportement de tels échangeurs en régime transitoire au contact de MCP. Une étude expérimentale à basse température, où quatre échangeurs de type tube-calandre ont été testés avec différentes orientations (horizontale/verticale) et injections (haut/bas), a mis en évidence des phénomènes de transfert thermique importants, comme la convection naturelle à la charge et la contraction volumique à la décharge. Ces observations ont été validées par un modèle CFD tridimensionnel. Une méthode de comparaison des performances basée sur un calcul d’énergie par le biais d’un maillage expérimental est proposée et permet de sélectionner un échangeur selon les critères de densités énergétiques, de temps caractéristique et de coût. Trois MCP, envisagés pour l’application, ont alors été testés à température réelle (100-200 °C) au contact d’un échangeur tube inox à ailettes transverses en aluminium pour évaluer leur cyclabilité et comparer leur comportement. Le mélange de sels, H105 (Tfusion = 122 °C), n’est pas retenu pour l’application à cause de sa faible densité énergétique (≈ 56 kWh/m3) et sa plage de fusion trop étalée. L’acide sébacique (Tfusion = 132 °C) a un comportement répétable au cours des cycles et une densité énergétique plus élevée (≈ 66 kWh/m3). L’alcool de sucre, l’érythritol (Tfusion = 118 °C), présente de bonnes thermo-physiques (128 kWh/m3) mais la maîtrise de sa cristallisation est un point clé pour l’utiliser en tant que MCP<br>This PhD thesis deals with the understanding of the heat transfer mechanisms and with the development of thermal energy storage system for the industrial waste heat recovery application. The use of Phase Change Materials (PCM) is attractive for its high storage density and its possibility to deliver heat at constant temperature. However, the PCM low thermal conductivity leads to develop heat transfer improvement methods, such as heat exchangers with increased heat transfer surface. The goal is to characterize the behavior of such heat exchangers An experimental study, where four several heat exchangers have been tested with different orientations (horizontal/vertical) and injection types (upward/downward), highlighted the impact of natural convection during the melting process and the volume contraction one during the solidification. These results have been validated through a 3D numerical model. A performance comparison method based on an energy calculation through an experimental mesh is proposed and enables to select a heat exchanger on criteria such as the storage density, the characteristic time and the cost. Three PCM, adapted to our application, have been tested at the intended temperature (100-200 °C) by integrating them into a storage system made of a stainless steel tube with aluminum circular fins. Their ability to resist to repeated cycles has been assessed and their behavior has been compared. The salts mixture, H105 (Tmelting = 122 °C), is not selected for the application because of it low storage density (≈ 56 kWh/m3) and its large melting area. The sebacic acid (Tmelting = 132 °C) has a repeatable behavior with cycles and a higher storage density (≈ 66 kWh/m3) and is appropriate as storage material. The sugar alcohol, erythritol (Tmelting = 118 °C), has good thermo-physical properties (128 kWh/m3) but the crystallization control is a key point to use it as a PCM

Les recherches que nous présentons dans ce mémoire s'inscrivent dans le cadre du développement de nouvelles structures et de l'étude de matériaux accordables en vue d'une intégration industrielle comme radôme actif.Plus particulièrement, ils consistent en la réalisation d'un dispositif micro-onde permettant à la fois un filtrage et une agilité fréquentiels en espace libre. Des structures basées sur des surfaces sélectives en fréquences, pour l'aspect filtrage, et sur des matériaux de type ferroélectrique, pour l'aspect accordabilité, sont développées. Des modélisations et des simulations électromagnétiques montrent que le changement de permittivité du matériau, obtenu par application d'un champ électrique externe, permet le pilotage fréquentiel de la transmission de la structure. Une mise en oeuvre expérimentale complète ces travaux, au cours de laquelle des prototypes ont été fabriqués par des techniques de photolithographie, puis caractérisés en espace libre grâce à un banc ABmm. Les mesures micro-ondes valident ainsi les résultats de simulations menées en amont et montrent les possibilités de contrôler la fréquence de transmission du radôme<br>The research we present in this memory registers within the framework to develop new structures and to study tunable materials for an industrial integration as an active radome. Specifically, they consist of achieving a free space microwave device for both a filtering behaviour and a frequency agility behaviour. Structures based on frequency selective surfaces, for the filtering aspect, and on ferroelectric materials for the tuning aspect, are developed. Modeling and simulations show that the change of the material permittivity, obtained by applying an external electric field, enable piloting the transmission frequency of the structure. An experimental implementation complete this work and prototypes have been fabricated by photolithography techniques and then characterized in free space with a bench ABmm. Thus, microwave measurements validate the results of simulations and show the possibility to control the frequency transmission of the radome

Le Code de la Santé Publique fixe les exigences sur la qualité de l’eau au point d’usage et les matériaux utilisés au contact de l’eau sont soumis à l’obtention d’une Attestation de Conformité Sanitaire. Toutefois des cas de dégradation organoleptique de l’eau subsistent aux points d’usage des consommateurs. Une revue bibliographique a montré que la dégradation organoleptique de l’eau pouvait être causée par la présence de composés provenant des matériaux organiques constituant les réseaux intérieurs. Un modèle à compartiments développé modélise le transfert et le transport des composés organiques des matériaux dans l’eau. Ce type d’approche permet de coupler l’étude du transfert de composés organiques des matériaux dans l’eau et l’étude de l’hydrodynamique dans les réseaux intérieurs. Son application donne la possibilité i)- d’observer l’impact des conditions opératoires dynamiques sur la concentration en composés organiques au point de puisage ii)- de réaliser des diagnostics de réseaux pour éviter les désagréments au point d’usage et encore iii)- de quantifier les composés organiques acheminés au point d’usage dans des scénarios de puisage complexes. L’étude du transfert de composés organiques en condition dynamique a permis de montrer que la température de l’eau, l’agitation turbulente et la durée d’utilisation du matériau organique avaient un impact sur les cinétiques de migration de composés organiques. Toutefois, les expériences réalisées à l’aide du modèle à compartiments ont indiqué que la contribution de la migration en mode dynamique était négligeable devant la contribution en mode statique. En revanche, il a été vu que l’hydrodynamique pouvait avoir un impact important sur la qualité de l’eau au point de puisage notamment à cause de phénomène d’intercommunication. Enfin, l’élaboration de scénarios complexes basée sur les habitudes alimentaires des consommateurs au robinet a montré la corrélation entre les pratiques de consommation des usagers et la quantité de composés organiques ingérée. Cette démarche peut s’inscrire dans des approches de type Valeur Toxicologique de Référence basées sur la prédiction de la quantité de composés chimiques ingérés quotidiennement<br>The French Public Health Code sets out the requirement on tap water quality and the materials used in the contact of drinking water are subject to the Attestation of Sanitary Conformity. However, organoleptic degradation can remain in tap water. A bibliographic study has shown that organoleptic degradation could be caused by the presence of chemicals migrating from materials and by complex hydrodynamic phenomenon. A compartmental model has been developed. It models the transfer and the transport of chemicals from materials to water. This approach allows to combine the study of transfer of chemical from the material and the study of hydrodynamics in private water installations. It provides the opportunity i)- to observe the impact of dynamic operating conditions on the concentration of chemicals in tap water ii)- to make diagnostics of the installation to avoid disagreements and iii)- to study the quantity of chemicals deliver in tap water in function of consumption habits of the users. The study of chemicals transfer phenomenon in dynamic conditions has shown the impact of water temperature, turbulent agitation and duration of the use of materials on migration kinetics of chemicals. However, the experiences made with compartmental model have indicated that the leaching of chemicals in dynamic conditions was negligible compared with the leaching of chemicals in static conditions. Indeed, the static contact time is far more important that the dynamic one. However, it has been shown that the hydrodynamics could have a significant impact on tap water quality, particularly due to exchanges between different parts of the networks. Finally, the complex scenario development based on consumption habits of the users have shown that the quantity of chemicals ingest by the consumers were strongly dependant of the consumption behaviour of the users. The approach could be a part of a process like the threshold of toxicological concern based on the prediction of the daily quantities of chemicals ingest

De récentes études expérimentales ont montré que les valeurs usuelles du coefficient d’échange convectif sont différentes en présence de matériaux à changement de phase. Cette thèse de doctorat porte sur l'étude numérique des échanges convectifs fluide/paroi dans une cavité ouverte en régime dynamique. Plus précisément, les parois étudiées sont une paroi avec une capacité thermique et une paroi qui contient des matériaux à changement de phase. Trois modèles distincts ont été développés. Dans un premier temps un modèle (modèle 1) qui concerne l’interaction fluide-paroi à la surface d’une paroi résistive (temperature imposée) en régime laminaire stationnaire a été développé et validé. Les résultats ont été confrontés avec la littérature. Ensuite, les échanges convectifs à la surface d’une plaque capacitive (modèle 2) soumise à une rampe de température d’air ont été étudiés. Finalement, un troisième modèle (modèle 3) a été développé, à la suite du modèle 2. Ce dernier modèle concerne l’interaction fluide-paroi à la surface d’une paroi contenant des matériaux à changement de phase en régime dynamique. Les résultats obtenus révèlent des pics locaux du flux de chaleur au cours du temps. Ce fait témoigne du changement d’état à l’intérieur de la paroi qui contient le materiau à changement de phase. De plus, les courbes des coefficients d’échanges convectifs moyens révèlent la dépendance du coefficient d’echange convectif à la capacité thermique du materiau. Par conséquent, la présence des matériaux à changement de phase à l’intérieur d'une paroi influence l’évolution et la forme de la couche limite thermique<br>Recent experimental studies have shown that the usual values ​​of the convective heat transfer coefficient h are no longer valid in the presence of phase change materials. Three separate models were developed. Initially a model 1 which treats the fluid-wall (constant temperature) interaction in steady laminar flow has been developed and validated. Then, the wall with heat capacity (model 2) subjected to an air temperature ramp were studied. Finally, a third model (3) has been developed which treats the interaction fluid-wall which contains a phase change material. The results show local peaks of heat flow over time. This fact reflects the phase change inside the wall. Moreover, the curves of the convective heat transfer coefficient indicate the dependence of the coefficient h to the wall’s energy storage capacity. Therefore, the presence of the phase change materials within a wall effect and changes the shape of the thermal boundary layer

Dans un procédé industriel dans lequel de la vapeur intervient, l’intégration d’une solution de stockage de vapeur permet de découpler sa production de son utilisation ; cela permet de réaliser des économies d’énergie, ou bien de valoriser l’énergie thermique d’un effluent de vapeur autrement perdu. Le stockage de vapeur est par ailleurs crucial pour les centrales solaires thermiques à génération directe de vapeur. Ce travail porte sur la modélisation d’un système de stockage de vapeur par Matériau à Changement de Phase (MCP) de type tubes-calandre. Ces systèmes stockent l’énergie thermique de la vapeur via la chaleur latente de changement de phase solide-liquide d’un matériau dit MCP. Les transferts de chaleur dans un module de stockage sont souvent influencés par les mouvements de convection naturelle du MCP liquide pendant la fusion ou la solidification. La prédiction des performances thermiques d’un module requiert de simuler ces mouvements à l’aide d’un modèle de mécanique des fluides numériques (Computational Fluid Dynamics ou CFD) à maille fine, dont les temps de calculs sont incompatibles avec les besoins du dimensionnement. L’objectif de ce travail est de développer un modèle de dimensionnement et de prédiction des performances d’un module de stockage, qui tienne compte des phénomènes physiques d’échelle fine tout en permettant des temps de calcul raisonnables. L’approche de modélisation est multi-échelles : deux modèles de finesses différentes sont utilisés, à savoir un modèle CFD fin du MCP, et un modèle système d’un module.Le modèle CFD se fonde sur l’approche enthalpie-porosité de Voller, qui permet de simuler en 3D le changement de phase solide-liquide, en tenant compte des mouvements du MCP en phase liquide. La sensibilité du modèle à plusieurs de ses paramètres caractéristiques du changement de phase est étudiée, sur deux cas d’étude pour lesquels les mouvements de convection naturelle sont d’intensités différentes. Les effets d’influence croisée des paramètres sont mis en évidence. La comparaison à des résultats expérimentaux permet de dégager des préconisations pour l’utilisation du modèle. Les valeurs de la chaleur latente et de la plage de température du changement de phase du MCP s’avèrent fondamentales pour les deux cas étudiés, ce qui souligne l’importance de caractériser précisément le MCP pour la simulation numérique du changement de phase solide-liquide. La constante de zone pâteuse, qui détermine le taux de freinage de l’écoulement de liquide au niveau du front de fusion ou de solidification, a une influence différente selon le cas d’étude, aussi bien du point de vue de la tendance suivie par les résultats que de la valeur optimale à adopter. Il est ainsi préconisé de caler ce paramètre sur des résultats expérimentaux, lorsque cela est possible.Le modèle système représente l’écoulement 1D d’eau liquide / de vapeur dans les tubes d’un module, et les transferts de chaleur et le changement de phase dans le MCP à l’extérieur des tubes. Le MCP y est représenté par un modèle de conduction pure avec conductivité équivalente. Le modèle CFD est utilisé pour simuler un module de stockage prototype, installé au CEA Grenoble, avec tubes à ailettes segmentées ; le MCP est du nitrate de sodium (point de fusion : 305°C). Les résultats CFD permettent d’obtenir une loi d’échange thermique 1D entre le tube et le MCP, qui tient compte des échanges convectifs, et de l’intensification des transferts par les ailettes et les inserts conducteurs disposés dans le MCP. Cette loi est utilisée pour calculer une conductivité équivalente du MCP pour le modèle système. La méthodologie de modélisation est validée sur des essais de charge du module prototype (fusion du MCP et condensation de vapeur). Le modèle système reproduit correctement le taux de charge transitoire prédit par le modèle CFD, ainsi que celui mesuré expérimentalement, pour un temps de calcul 10 à 90 fois plus faible<br>In an industrial process where steam is employed as a heat carrier, the integration of a steam storage solution allows to make the production of steam independent of its usage. Steam storage technologies can be used to decrease the energy consumption of the process, or to valorize waste heat from steam flows. Steam storage is also crucial for thermal solar power plants with direct steam generation. This work presents a model of a shell-and-tube steam storage system using Phase Change Material (PCM). These systems store the thermal energy of steam through the latent heat of the solid-liquid phase change transition of a material called PCM. The heat transfers in a storage module are often influenced by the natural convection flow of the liquid PCM during fusion and solidification. Predicting the thermal performances of a module can only be done by simulating this flow with a Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical model with a fine mesh, whose computational times are too high for engineering needs. The goal of this work is to develop a model for the design and the performance prediction of a storage module, which takes into account the fine physical phenomena while having reasonable computational times. A multi-scale modelling approach is adopted: both a fine CFD model of the PCM and a system model of a storage module with a coarser mesh are employed.The CFD model is based on the enthalpy-porosity approach, which allows 3D simulation of solid-liquid phase change, and takes into account the movements of the liquid PCM. The sensitivity of the model to several parameters which characterize the phase change is studied, on two case studies where the natural convection flows has different amplitudes. The crossed influences of the parameters are identified. The comparison to experimental results allows to emit good practices for the use of the model. The values of the latent heat and of the temperature interval where the phase change takes place appear to be fundamental for both cases; this shows that the precision of the PCM characterization is very important for the numerical simulation of solid-liquid phase change. The mushy zone constant, which governs the damping of the liquid flow in the vicinity of the fusion or solidification front, has a different effect on the results and a different optimal value depending on the case study. Therefore, it is recommended to fit the value of this constant on experimental data, whenever such data are available.The system model represents the 1D liquid water / steam two-phase flow in the tubes of a module, and the heat transfers and the phase change in the PCM outside the tubes. The PCM is represented by a purely conductive model with an equivalent conductivity. A prototype storage module with segmented fins, installed at CEA Grenoble, is simulated with the CFD model; sodium nitrate is used as PCM (phase change temperature: 305°C). A 1D law for the heat transfer between the tube and the PCM is obtained from the CFD results; this law takes into account the convective heat transfer, and the heat transfer enhancement by the fins and the conductive inserts that are disposed in the PCM. An equivalent conductivity of the PCM in the system model is computed from the law. The modelling methodology is validated on charge tests from the prototype module (PCM fusion and steam condensation). The system model correctly reproduces the transient heat transfer rate to the PCM that the CFD predicts and the one measured experimentally, while allowing 10 to 90 times shorter computational times

Ce travail de recherche est dédié à la compréhension des mécanismes physiques de l’érosion de cavitation dans un fluide compressible à l’échelle fondamentale de l’implosion d’une bulle de cavitation. Suite à l’implosion d’une bulle de vapeur à proximité d’une surface solide, des très hautes pressions sont générées. Ces pressions sont considérées responsables de l’endommagement (érosion) des surfaces solides observé dans la plupart des applications. Notre approche numérique démarre avec le développement d’un solveur compressible capable de résoudre les bulles de cavitation au sein du code volumes finis YALES2 en utilisant un simple modèle de mélange homogène des phases fluides. Le solveur est étendu à une approche ALE (Arbitraire Lagrangien Eulérien) dans le but de mener des simulations d’interaction fluide-structure sur un maillage mobile. La réponse du matériau solide est calculée avec le code de calcul éléments finis Cast3M, et nous a permis de mener des simulation avec un couplage d’abord monodirectionnel, ensuite bidirectionnel, entre le fluide et le solide. On compare des résultats obtenus à deux dimensions, puis à trois, avec des observations expérimentales. On discute les chargements de pression estimés, et les réponses de différents matériaux pour des implosions de bulle à des différentes distances de la surface. Enfin, à travers l’utilisation de simulations avec couplage bidirectionnel entre fluide et solide, on identifie l’amortissement des chargements de pression pour les différents matériaux<br>This research is devoted to understanding the physical mechanism of cavitation erosion in compressible liquid flows on the fundamental scale of cavitation bubble collapse. As a consequence of collapsing bubbles near solid wall, high pressure impact loads are generated. These pressure loads are believed to be responsible for the erosive damages on solid surface observed in most applications. Our numerical approach begins with the development of a compressible solver capable of resolving the cavitation bubbles in the finite-volume solver YALES2 employing a simplified homogenous mixture model. The solver is extended to Arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation to perform fluid structure interaction simulation with moving mesh capabilities. The material response is resolved with the finite element solver Cast3M, which allowed us to perform one-way and two-way coupled simulations between the fluid and solid domains. In the end, we draw comparisons between 2D and 3D vapor bubble collapse dynamics and compare them with experimental observations. The estimated pressure loads on the solid wall and different responses of materials for attached and detached bubble collapses are discussed. Finally, the damping of pressure loads by different materials is identified with two-way coupled fluid-structure interaction

Les énergies marines renouvelables (EMR) apparaissent aujourd’hui comme une formidable opportunité et un véritable choix écologique et industriel pour répondre à la demande croissante de l’énergie et pour lutter contre le réchauffement climatique. Au cours de cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types qui s’appelle l’énergie hydrolienne qui présente un immense potentiel dans le bouquet énergétique mondial. une nouvelle forme de pale d’une hydrolienne à axe horizontale a été développé par l’optimisation d’un hydrofoil existant en utilisant la méthode BEM (Blade Element Momentum) afin d’améliorer ses performances hydrodynamiques. La deuxième partie a été consacrée à étudier les performances mécaniques des matériaux composites comme composants structurels des pales d’hydrolienne et de la tuyère. Ces structures sont sujettes à de nombreux types de chargements, tels que les impacts de corps externes, la fatigue due à la variation des courants, mais également à diverses agressions liées à l’environnement marin telles que la variation de la température et l’humidité qui peuvent induire du vieillissement et de la corrosion. Une compréhension approfondie du comportement à long terme de ces parties mobiles est donc essentielle afin de doter les bureaux d’études, confrontés au dimensionnement des structures d’énergies marines, d’outils leur permettant de faire le choix des matériaux (couplefibre/matrice), architectures fibreuses (nappe, tissus), séquence d’empilement des stratifiées minimisant la sensibilité aux chargements appliqués des structures travaillantes. L’objectif final de cette thèse est le développement d’outils et de méthodologies tant numériques qu’expérimentales capables de simuler l’impact du courant et du comportement de ces systèmes de façon couplée ce qui constitue un enjeu majeur de dimensionnement. En effet le but est d’identifier les voies d’optimisation qui permettront d’aller sur la phase commerciale avec un gain de LCOE (Levelized Cost of Energy) substantiel<br>Recently, Renewable Marine Energies (RME) has emerged as a tremendous opportunity for a real ecological and industrial choice to meet the growing demands for energy and also to fight global warming. The study conducted in this thesis is with in this framework of research and is focused on the investigation of one of the most promising categories of RMEs which is tidal current turbine. A new hydrofoil for the turbine was designed using BEM (Blade Element Momentum) methods and CFD (Computational Fluid Dynamics) calculations with improved hydrodynamic efficiency. Furthermore, a series of numerical studies were conducted to investigate and examine the damage behavior of composite materials under critical loadings by developing DLOAD and VUMAT routines. This numerical study assisted in understanding the problems of structural lightening, resistance to fatigue and impact loading, and other degradation phenomena of themechanical properties of a composite turbine in severe marine environments and solving the needs of the manufactures. Moreover, study about the dynamic behavior of a composite/composite bonded assembly was also conducted because joint assembly plays a vital role in reducing the mass of the structure which is of extreme relevance in the field of marine and offshore structures. Another important obstacle regarding the application of composite and bonded structures in marine was the control of hygro-mechanical coupling. Therefore in this context, additional campaign of tests was carried out on bonded composite specimens by studying the hygrothermal effect on their dynamic behavior at different deformation rates using Hopkinson bar method. This hybrid study of hygro-thermal effect of the dynamic properties of the bonded composites will aid in optimization of the structures and to move into the commercial phase with a substantial gain in LCOE (Levelized Cost of Energy) in future

L’érosion constitue le principal risque auquel sont soumis les ouvrages hydrauliques en terre. Il est donc crucial de quantifier l’érodabilité des sols et plusieurs essais d’érosion ont été mis au point dans ce but. Cependant, leurs modèles d’interprétation sont assez simplistes et des incohérences peuvent être constatées. Malgré plusieurs études expérimentales sur le sujet, les mécanismes d’érosion à l’échelle des grains restent encore mal compris. Dans cette thèse, la méthode numérique LBM-DEM a été mise en œuvre afin d’analyser l’érosion à l’échelle du grain. La cohésion du sol est prise en compte par une loi de contact adaptée incluant éventuellement un modèle d’endommagement dépendant du temps. Une parallélisation GPU a permis en outre d’améliorer la vitesse de calcul et l’efficacité du code. Après une analyse préalable d’un jet impactant laminaire 2D, la pertinence du critère classique de Shields pour les échantillons sans cohésion a d’abord été confirmée avant qu’une généralisation de ce critère ne soit proposée pour les sols faiblement cohésifs avec un accord très satisfaisant. Enfin, le modèle d’interprétation classique de l’essai JET a été adapté à notre problématique afin d’analyser et discuter de façon critique les paramètres d’érodabilité. Enfin, une configuration mieux contrôlée d’écoulement tangentiel à contrainte de cisaillement constante a été étudié, permettant de suggérer une loi de puissance, et non linéaire, pour décrire l’érosion à l’échelle de l’échantillon. Une étude paramétrique sur la cohésion inter-particulaire et la taille des grains a finalement été menée, afin d’examiner le lien entre les paramètres micro et macro<br>Hydraulic earthworks are frequently subjected to erosion-induced failure as reported in the literature. Accordingly, several erosion tests have emerged to quantify soil’s erodibility. However, they are based on simplified interpretation models and may lead to some inconsistencies. Despite several experimental investigations on the subject, there is still a lack of understanding of the erosion mechanisms taking place at the grain level. To this end, the LBM-DEM method is used in the present study to analyze numerically the erosion phenomena at the grain scale, with the addition of a cohesion model, including a time-dependent damage law. The computational speed and the efficiency of the code was significantly improved here using GPUs parallelization techniques. Next, after a preliminary analysis of 2D laminar impinging jet flow, the relevance of the classical Shields criterion for cohesion-less samples was first recovered, followed by a proposed generalization of this criterion for weakly cohesive soils with satisfactory agreement. Lastly, an adaptation of the classical JET interpretation model was proposed to our 2D laminar problematic and the erodibility parameters were subsequently quantified and critically discussed. Finally, a constant shear-driven fluid flow configuration at the upper surface of a sample was alternatively studied. A power law function was found to be best suited than the usual linear relation to account for the erosion law at sample scale. A parametric study on inter-particle cohesion and grain size was next performed to investigate the link between micro and macro parameters

L’objectif principal de ce travail est de produire des pièces massives nanostructurées à partir des nanomatériauxd’alliages anisotropes à base des éléments de transition 3d (Co et Ni). Afin d’utiliser ces nanomatériaux àl’échelle industrielle, nous avons extrapolé la méthode de synthèse de l’échelle du laboratoire (procédé polyol) àl’échelle pilote. Tout d’abord, nous avons montré qu’en variant les paramètres de synthèse à l’échelle delaboratoire, nous pouvons contrôler non seulement la morphologie mais aussi la taille et la distribution de tailledes nanoparticules. En effet, des sphères de diamètre 10 nm et des nanofils de longueur 260 nm et de diamètre 7nm ont été obtenus pour la stoechiométrie Co80Ni20. Les paramètres clés de cette étude sont la concentration dela soude, le taux de l'agent nucléant, la vitesse d’agitation et le champ magnétique externe appliqué. Le choix dusystème de mélange approprié pour une géométrie du réacteur donnée a également un rôle important dans lecontrôle et la maîtrise de la taille et la forme des nanofils. Avec une turbine Rushton à six pâles droites, nousavons obtenu des nanofils plus courts avec de plus petites têtes coniques et une forte coercitivité. Par ailleurs, larésolution numérique des équations de Navier-Stocks qui gouvernent le transport de matière et de la quantité demouvement dans un fluide agité a permis d’obtenir une corrélation entre les profils d’énergie turbulente dissipéeet la taille des nanoparticules mesurée expérimentalement. Les études magnétiques montrent que les propriétésmagnétiques des nanofils sont intimement liées à leur forme et à leur taille. La synthèse à grande échelle apermis de produire 25 grammes de nanofils de cobalt-nickel par batch. Grâce au procédé de frittage SPS, nousavons élaboré avec succès des matériaux massifs nanostructurés à partir de la poudre formée des nanofils. Alorsque les nanofils présentent des champs coercitifs élevés et des aimantations relativement faibles, les matériauxdenses consolidés par SPS possèdent les caractéristiques d’un ferromagnétisme doux (faible champ coercitif)mais une aimantation à saturation élevée proche de celle attendue. Des champs coercitifs meilleurs sont obtenusavec le matériau dense nanostructuré élaboré en présence d’un champ magnétique permanent. Ce champmagnétique a permis un meilleur alignement des nanofils au cours du frittage. Le comportement mécanique desmatériaux nanostructurés dépend essentiellement de la taille des grains. La dureté et la résistance mécaniqueaugmentent quand la taille des grains diminue conformément à la relation de Hall-Petch<br>The main objective of this PhD work is to produce nanostructured bulk from anisotropic nanomaterials alloysbased on 3d transition elements (Co and Ni). For using these nanomaterials on an industrial scale, we haveextrapolated the synthesis method (polyol process) from laboratory scale to pilot scale. First, we showed that byvarying the parameters synthesis in laboratory scale we can control not only the morphology but also the size andthe size distribution of the nanoparticles. Indeed, spheres with diameter of 10 nm and nanowires with meanlength of 260 nm and a diameter of 7 nm were obtained for a stoichiometry Co80Ni20. The key parameters of thissynthesis are the concentration of the sodium hydroxide, the nucleation rate, the agitation and the appliedexternal magnetic field. The choice of suitable mixing system for a given geometry of the reactor also has animportant role for the control of the size and shape of the nanowires. When a six-bladed Rushton turbine wasused, shorter nanowires with unconventional small conical-shaped heads and a higher coercive field wereobtained, confirming a strong relationship between flow patterns and nanowire growth. Moreover, numericalresolution of Navier-Stocks equations that govern the transport of matter and quantity of movement in anagitated fluid allowed us to obtain a correlation between turbulent energy dissipation profiles and nanoparticlesize measured experimentally. Magnetic studies revealed a narrow relationship between the magnetic propertiesand the shape of nano-objects. The large-scale synthesis has produced 25 grams of cobalt-nickel nanowires perbatch. Thanks to the SPS sintering process, we have successfully elaborated nanostructured bulk materials.Whereas nanofils show high coercive field and low saturation magnetization, dense materials produced at hightemperatures behave as soft ferromagnetic materials (low coercivity) but show high saturation magnetizationvery close to that expected. The best coercivities are obtained with the bulk nanostructured material using SPSassisted by a permanent magnetic field. This magnetic field succeeded to align the nanowires during sintering.The mechanical behavior of the nanostructured materials depends mainly on the grain size. Hardness andmechanical resistance increase when the grain size decreases in agreement with the Hall-Petch relationship

Le transport de particules solides dans un matériau poreux saturé, sujet à l'écoulement de fluide se produit dans les milieux naturels et dans diverses applications liées au génie civil. Ces particules solides peuvent colmater les interstices du matériau poreux et par conséquent réduire sa perméabilité ou au contraire se détacher du matériau poreux et provoquer son érosion. Ainsi, cette thèse s'attache à étudier à l'échelle des grains du matériau poreux les mécanismes du transport de particules en présence d'écoulement de fluide incompressible et de calculer les interactions fluide-solide pour contribuer à la connaissance des phénomènes de colmatage ou d'érosion. Le travail est réalisé principalement par la voie numérique utilisant un couplage original entre deux codes de calcul : PFC3D pour la matrice granulaire - CFD FINAS pour l'écoulement du fluide, validé par des expériences de visualisation menées sur des modèles de laboratoire.<br/> Les études numérique et expérimentale de la filtration dans un milieu poreux bidimensionnel montrent l'influence des particules sur le champ de vitesse du fluide qui se met à son tour en mouvement et accélère la filtration. L'étude des interactions particules-fluide par l'approche couplée DEM-CFD (Distinct Element Method-Computational Fluid Dynamics) a abouti à proposer une formulation de la traînée en fonction de la porosité du milieu poreux. Le couplage avec la loi de Darcy conduit à une relation pratique qui prédit la perméabilité en fonction de la porosité. L'étude est étendue à la filtration de particules solides dans un milieu poreux constitué d'un empilement désordonné de sphères dans lequel un fluide s'écoule en permanence. L'analyse à l'échelle des grains montre des zones de colmatage qui se développent dans le milieu poreux. L'étendue du colmatage est analysée en fonction de combinaisons des forces prédominantes que sont les forces de gravité et de viscosité. Des courbes de distribution des particules selon la profondeur sont trouvées.

Lorsqu’un liquide est soumis à de fortes dépressions, des bulles de gaz etde vapeur peuvent apparaître en son sein. Ce phénomène est appelé cavitation Ces bulles sont susceptibles d’imploser dans les zones de surpression etd’endommager les parois solides environnantes à travers la création d’écoulements violents. Dans les applications industrielles, ce phénomène d’érosionpar cavitation peut réduire la durée de vie des machines hydrauliques. Dans ledomaine biomédical, le phénomène d’érosion par onde de choc est utilisé pourl’ablation de tissus mous ou la destruction de calculs rénaux.Dans ce travail, à caractère numérique, nous nous intéressons à une bulled’air isolée implosant au voisinage d’une paroi déformable sous l’effet d’unesurpression générée par une onde de choc incidente. Le travail de thèse aconsisté à mettre en place un couplage fluide structure pour simuler le phénomène d’implosion de la bulle dans la partie fluide et la déformation plastiqueengendrée dans la partie solide. Pour cela, une stratégie en deux étapes a étémise en oeuvre. La première étape a consisté à construire un code fluide avecmaillage mobile pour gérer le déplacement de l’interface fluide/solide. Le codedéveloppé est dérivé du modèle numérique développé par Eric Johnsen et al.à University of Michigan dans lequel nous avons implémenté une méthodeALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) permettant de passer d’une descriptioneulérienne sur maillage fixe à une description eulérienne sur maillage mobile.La seconde étape a consisté à modéliser la déformation élasto-plastique de lapartie solide au cours de l’implosion de la bulle grâce à un couplage fort ducode fluide avec le logiciel CAST3M. La communication entre les deux codesutilise la bibliothèque MPI.A l’issue du couplage, nous avons été en mesure de simuler l’implosiond’une bulle d’air à proximité d’une paroi déformable. Nous avons pu calculerle niveau de déformation de la paroi solide ainsi que l’amortissement de la sur-pression en paroi pour plusieurs matériaux. L’outil numérique ainsi développépermettra à terme d’étudier le comportement de revêtements amortissants capables de protéger des structures industrielles de l’érosion de cavitation oud’optimiser les effets bénéfiques des traitements par onde de choc dans lesapplications biomédicales<br>His numerical work focuses on the collapse of a single air bubble close to adeformable wall generated by the impact of an incident high-pressure wave. A CFD code was fully coupled to a FEM solid code in order to compute the bubble collapse and the subsequent plastic deformation in the material. The CFD code was developed from the numerical model of Johnsen et al. (University of Michigan). A mobile mesh capability was added in order to account for the displacement of the fluid-structure interface. An ALE (Arbitrary LagrangianEulerian) method was implemented to switch from an Eulerian description in a fixed mesh to an Eulerian description in a moving mesh. The solid response to bubble collapse was computed with the FEM software CAST3M (developed by CEA) assuming an elastic-plastic constitutive law for the material. The communication between the two codes is achieved through the MPI library.For the CFD code, bubble collapse dynamics was validated by comparison with two others codes: research software CaviFlow and commercial software Ansys Fluent. The coupling between the CFD and the FEM code was validated on the case of the impact of a wave on an elastic medium.The paper will present a detailed analysis in 2D of both the dynamics of bubble collapse and solid behaviour for various conditions. They were obtained by changing the amplitude of the incident shock wave, the standoff distance and the material properties. Special attention will be given to the shock wave that forms when the microjet hits the bubble interface and to the impact of this shock wave on the material surface. In particular, the damping of the impactpressure with respect to a perfectly rigid wall was computed as well as the plastic deformation of the material surface. These final data gave us crucial information about the requirement of taking account of fluid-structure interaction in numerical modeling of cavitation erosion

Ce travail s’inscrit dans le projet LORVER, soutenu par la Région Grand Est et le FEDER. Il est destiné à créer une filière de production de biomasse végétale non alimentaire par valorisation de sites dégradés et de sous-produits industriels, en Lorraine. Un des procédés de valorisation de la biomasse produite est un procédé thermochimique de pyro-gazéification qui générerait de la chaleur et de l’électricité. Ce procédé, développé par SEA Marconi, se compose de trois réacteurs différents : un tambour tournant, pour la pyrolyse de particules de bois, la chaleur étant amenée par des billes d’acier chauffées ; un réacteur à vis sans fin pour l’oxydation du char qui permet de réchauffer les billes d’acier ; un réacteur de craquage des goudrons. L’objectif de cette thèse est de réaliser des modèles qui puissent permettre d’avoir une prédiction adaptée du comportement du système. Des modèles 3D du type DEM et CFD-DEM ont été conçus pour la modélisation des phénomènes qui interviennent dans le système. Les paramètres du modèle DEM ont été calibrés dans un tambour tournant de laboratoire. Pour le réacteur de pyrolyse, la simulation DEM a permis de prédire de façon satisfaisante la ségrégation pour des mélanges de billes d’acier et de particules non sphériques de bois, et de concevoir un modèle thermique et chimique 1D, sur lequel une étude de sensibilité a été effectuée. Un modèle CFD-DEM a été codé et validé sur un rhéomètre granulaire, permettant la simulation du réacteur d’oxydation partielle du char, qui n’a pas pu être réalisé dans le cadre de cette thèse<br>This work is part of the LORVER project, funded by Grand Est Région and FEDER. It aims to create a non-food biomass production chain by using and upgrading brownfields and industrial by-products in Lorraine. One possible valorization process of the produced biomass is a thermochemical pyro-gasification process that would generate heat and electricity. This process, developed by SEA Marconi, involves three different reactors: a rotating drum, for the pyrolysis of wood particles, the heat required being brought by hot steel balls; an Auger for partial oxidation of the char that allows heating the steel balls; a reactor for tar cracking. The aim of this thesis is to develop models that can predict the behavior of the system. 3D models based on DEM or CFD - DEM were designed for the modeling of phenomena involved in the system. The DEM model parameters were first calibrated in a rotating drum. The DEM simulation was able to predict in a satisfactory manner segregation between steel balls and non-spherical wood particles; it also helped to design a 1D thermal and chemical model, on which a sensitivity study has been done. A CFD - DEM model has been coded and validated on a granular rheometer allowing the simulation of the char oxidation reactor, even if this simulation was not possible during the PhD

Beaucoup de procédés utilisés dans l'industrie sidérurgique (coulée de lingots,coulée continue, …) peuvent générer des défauts : macro-ségrégation, mauvaises propriétés de la microstructure, défauts surfaciques. Ces problèmes peuvent être résolus par un contrôle de la température et de l’écoulement d'acier liquide. Le brassage électromagnétique (EMS) est une technique largement utilisée pour contrôler l’écoulement d'acier liquide par l’imposition d'un champ électromagnétique. Cette technique est complexe car elle couple plusieurs types de problèmes physiques:écoulement multiphasique, solidification,transfert de chaleur et induction électromagnétique à basse fréquence.En outre, l’approche expérimentale est difficile de par la dimension,l'environnement et le coût des procédés considérés. Pour ces raisons, des simulations numériques efficaces sont nécessaires pour comprendre les applications EMS et améliorer les procédés évoqués. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie numérique robuste,efficace et précise pour la simulation multi-physique de l'EMS, en particulier pour le brassage dans le moule dans le cadre de la coulée continue d'acier. Cette méthodologie a été mise en oeuvre dans le code commercial THERCAST® pour être utilisé dans le cadre d’applications industrielles<br>Many of the processes used in thesteelmaking industry (e.g. ingot casting,continuous casting, …) can lead todefects: macro-segregation, poormicrostructure properties, surfacedefects. These issues can be solved bycontrolling the temperature and the flowof molten steel. Electromagnetic stirring(EMS) is a widely used technique to steerthe flow of liquid steel by thesuperimposition of an electro-magneticfield. This application is complex becauseit couples several physical problems:multi-phase flow, solidification, heattransfer and low frequency electromagneticinduction. In addition,experimental work is difficult because ofthe size, environment and cost of theconsidered processes. For thesereasons, efficient and effective numericalsimulations are needed to understandEMS applications and improve theaforementioned processes.The objective of this thesis is to developa robust, efficient and accurate numericalprocedure for the multi-physicssimulation of EMS, especially for in-moldstirring in the framework of continuouscasting of steel. This procedure has beenimplemented in the commercial codeTHERCAST® in order to be used forindustrial applications

L'utilisation de composites et nano composites est une tendance croissante dans des industries telles que l'aérospatiale, l'automobile et l'énergie. Pour de nombreuses applications, l'adhésion entre des structures pour bien transférer les efforts est un problème difficile à résoudre. Dans l’industrie pétrolière, par exemple, une technique utilisée pour ancrer les armures de traction d’une conduite flexible est à travers un époxy intégré car elle fournit une bonne résistance mécanique et chimique. Cependant, des fissures et des défauts peuvent apparaître dans le bloc époxy pendant les opérations ou le montage lors de l'étape de cuisson de l'époxy, et ces fissures pourraient affecter les performances d'ancrage, en particulier pour les armures composites en fibre de carbone (CFAs). Dans ce contexte, ce travail propose le renforcement de l'époxy pour l'ancrage du CFA, focalisé sur les propriétés mécaniques et d'adhérence. Un modèle analytique est développé pour le mécanisme d'ancrage du CFA et vérifié par analyse numérique pour évaluer la sensibilité du système aux caractéristiques de l’époxy. Ainsi, l'augmentation de ces propriétés est proposée par l'ajout de nanotubes de carbone multi-feuilles (MWCNTs) et des essaies sont réalisées avec le époxy pur et renforcés pour caractériser l’augmentation des propriétés mécaniques et adhésives. Ensuite, la morphologie des nanotubes et l'homogénéité de la matrice sont investiguées pour corréler avec des résultats mécaniques. La recherche a confirmé une amélioration de la résistance à l'ancrage en renforçant la matrice époxy avec des MWCNTs<br>The use of composite and nanocomposites is a growing trend in many industries such as aerospace, automotive and energy. For many applications, the adhesion between structures for efficiently transferring loads is a difficult problem to solve. In oil and gas segment, for instance, a common technique used for anchoring the tensile armors of flexible riser within the end fitting is through an embedded epoxy since it provides good mechanical and chemical resistance. Even though, cracks and defects can arise in the epoxy block during operations or mounting at epoxy curing step, and such cracks could affect the anchoring performance, in particular for carbon fiber composite armors (CFA). In this context, this work proposes the improvement of the epoxy for anchoring the CFA, with a focus on the mechanical and adhesion properties. An analytical model is developed for CFA anchoring mechanism and verified by numerical analysis to evaluate the sensitivity of the system to the epoxy characteristics. Thus, the increase of these properties is proposed by adding multi-walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) and some experiments are carried out with neat and toughened epoxies to characterize the gain of mechanical and adhesive properties. Then, nanotubes morphology and the matrix homogeneity are expertized to correlate with mechanical results. The research confirmed an improvement of anchoring resistance by toughening the epoxy matrix with MWCNTs<br>O uso de compósitos e nano compósitos é uma tendência crescente em muitas indústrias, como aeroespacial, automotivo e energia. Para muitas aplicações, a adesão entre estruturas para transferência eficiente dos esforços é um problema de difícil solução. No segmento de óleo e gás, por exemplo, uma técnica comum utilizada para ancorar as armaduras de tração do tubo flexível dentro do conector é através de um epóxi embebido, pois proporciona boa resistência mecânica e química. No entanto, trincas e defeitos podem surgir no bloco de epóxi durante as operações ou montagem, na etapa de cura do epóxi, e tais defeitos podem afetar a performance de ancoragem, em particular para armaduras de compósito de fibra de carbono (CFA). Neste contexto, este trabalho propõe a melhoria do epóxi para ancorar o CFA, com foco nas propriedades mecânicas e adesivas. Um modelo analítico é desenvolvido para o mecanismo de ancoragem do CFA e verificado por análise numérica para avaliar a sensibilidade do sistema às características do epóxi. Assim, o aumento dessas propriedades é proposto pela adição de nano-tubos de carbono de múltiplas paredes (MWCNTs) e alguns experimentos são realizados com os epóxis puro e modificado para caracterizar o ganho de propriedades mecânicas e adesivas. Em seguida, a morfologia dos nano-tubos e a homogeneidade da matriz são investigadas para correlacionar com os resultados mecânicos. A pesquisa confirmou uma melhoria da resistência à ancoragem ao tenacificar a matriz de epóxi com MWCNTs

Any natural surface is in essence non-smooth, consisting of more or less regular roughness and/or mobile structures of different scales. From a fluid mechanics point of view, these natural surfaces offer better aerodynamic performances when they cover moving bodies, in terms of drag reduction, lift enhancement or control of boundary layer separation; this has been shown for boundary layer or wake flows around thick bodies. The numerical simulation of microscopic flows around "natural" surfaces is still out of reach today. Therefore, the goal of this thesis is to study the modeling of the apparent flow slip occurring on this kind of surfaces, modeled as a porous medium, applying Whitaker's volume averaging theory. This mathematical model makes it possible to capture details of the microstructure while preserving a satisfactory description of the physical phenomena which occur. The first chapter of this manuscript provides an overview of previous efforts to model these surfaces, detailing the most important results from the literature. The second chapter presents the mathematical derivation of the volume-averaged Navier-Stokes equations (VANS) in a porous medium. In the third chapter the flow stability at the interface between a free fluid and a porous medium, formed by a series of rigid cylinders, is studied. The presence of this porous layer is treated by including a drag term in the fluid equations. It is shown that the presence of this term reduces the rates of amplification of the Kelvin-Helmholtz instability over the whole range of wavenumbers, thus leading to an increase of the wavelength of the most amplified mode. In this same context, the difference between the isotropic model and a tensorial approach for the drag term has been evaluated, to determine the most consistent approach to study these flow instabilities. This has led to the conclusion that the model that uses the apparent permeability tensor is the most relevant one. In the following chapter, based on this last result, the apparent permeability tensor, based on over one hundred direct numerical simulations carried out over microscopic unit cells, has been identified for a three-dimensional porous medium consisting of rigid cylinders. In these configurations the tensor varies according to four parameters: the Reynolds number, the porosity and the direction of the average pressure gradient, defined by two Euler angles. This parameterization makes it possible to capture local three-dimensional effects. This database has been set up to create, based on a kriging-type approach, a behavioral metamodel for estimating all the components of the apparent permeability tensor. In the fifth chapter, simulations of the VANS equations are carried out on a macroscopic scale after the implementation of the metamodel, to get reasonable computing times. The validation of the macroscopic approach is performed on a closed cavity flow covered with a porous layer and a comparison with the results of a very accurate DNS, homogenized a posteriori, has shown a very good agreement and has demonstrated the relevance of the approach. The next step has been the study of the passive control of the separation of the flow past a hump which is placed on a porous wall, by the same macroscopic VANS approach. Finally, general conclusions and possible directions of research in the field are presented in the last chapter.

Orientador: Keizo Yukimitu<br>Resumo: Este trabalho visa o estudo da eficiência do uso da cinza de bagaço de cana-de-açúcar (CBC) como defloculante para materiais cerâmicos do tipo porcelanato, disponibilizada pela indústria Villagres, em comparação ao aditivo defloculante atualmente utilizado mesma, o silicato de sódio. O estudo do reaproveitamento deste material residual de origem orgânica na indústria cerâmica tem motivações que envolvem causas de disponibilidade, sustentabilidade, inovação e rentabilidade, motivações essas que, para este estudo em específico, foram fomentadas por resultados bastante promissores obtidos através de um estudo prévio envolvendo algumas destas mesmas variáveis citadas, em termos de redução do tempo de escoamento, e consequentemente, viscosidade. Materiais argilosos (argilominerais) fazem parte de grande parte da composição de massas cerâmicas. Durante o seu processo de moagem via úmida, observa-se nas argilas uma interação superficial de atração pelas forças de Van der Waals. Para que esta interação diminua e consequentemente a viscosidade da barbotina, utiliza-se aditivos defloculantes à base de sódio. O silicato de sódio é capaz de promover a troca catiônica dos cátions bivalentes. Conforme o decorrer do projeto, foram testadas diferentes formulações e metodologias nas instalações da indústria de porcelanato Villagres, com adições de silicato de sódio e/ou CBC aos materiais cerâmicos, e assim medir das viscosidades das misturas com o equipamento Copo de Ford para que fosse anali... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo)<br>Mestre

L’objectif de cette ´étude est de d´écrire en détail l´écoulement de jeu afin d’en ´évaluer la sensibilité´e auxparamètres de conception ainsi que la r´réceptivité´e `a des dispositifs de contrôle par injection d’air au carter. Pourcela, on considère une géométrie simplifiée qui est constituée d’une aube fixe isolée, placée perpendiculairement `aune plaque plane représentant le carter. L’analyse de cette configuration simplifiée s’appuie sur la complémentarité´edes mesures en soufflerie et simulations numériques. La taille du jeu est le paramètre principal qui affectel’écoulement de jeu. L’épaisseur de la couche limite incidente au carter et le chargement de l’aube ont ´égalementun effet visible sur la position latérale du tourbillon de jeu. Le calcul du taux de création d’entropie local a permisd’identifier plusieurs zones de pertes dans l’écoulement. Ensuite, les pertes de pression totale ont été décomposéesen la somme d’un terme li´e au tourbillon et d’un autre li´e au déficit de vitesse longitudinale. Ce terme li´e autourbillon est responsable de l’augmentation des pertes de pression totale avec la taille du jeu. Enfin, un modèleempirique a été développé pour estimer la circulation du tourbillon de jeu ainsi que les pertes de pression totaleen fonction de la taille du jeu. Un système d’injection continue d’air dans le jeu a été évalué, les jets étant orientésperpendiculairement au carter. D’une part, cette stratégie de contrôle permet de rapprocher le tourbillon de jeude l’aube, ce qui pourrait permettre d’augmenter le domaine de fonctionnement stable d’un compresseur. D’autrepart, le champ de vorticité axiale dans le tourbillon de jeu devient plus homogène, ce qui serait intéressant pourlimiter les interactions rotor-stator. Cependant cette approche tend `a augmenter les pertes de pression totale etperd en efficacité avec un élargissement du jeu<br>This study aims at providing a detailed description of the tip-leakage flow, in order to analyzeits sensitivity to design parameters and to control devices based on air injection from the casing. The setup iscomposed of a single blade, set orthogonal to a flat plate that plays the role of the casing wall. The analysis isbased on experiments conducted in a low-speed wind tunnel that are complemented by CFD calculations. Thetip-leakage flow is primarily driven by the gap height. The incoming boundary layer thickness and the bladeloading also have a notable effect on the lateral position of the tip-leakage vortex. The distribution of local entropycreation rate has been used to identify areas of losses in the flow. Moreover, the total pressure losses have beendecomposed in two terms identified as a vortex loss and a wake loss. This vortex loss drives the increase of totalpressure losses with the gap height. An empirical model has been developped to predict the evolution of thetip-leakage vortex circulation and of the total pressure losses with respect to the gap height. A steady injection ofair from the casing has been evaluated, using normal jets in the gap. With this control strategy, the tip-leakagevortex tends to be closer to the blade, which could lead to an extension of the range of stable operation for axialcompressors. In addition to that, the control device smoothes out the axial vorticity field in the tip-leakage vortex,which could be interesting to reduce rotor-stator interactions. However, this control strategy leads to higher totalpressure losses and is less effective with larger gaps

La première partie de ce travail a porté sur la mesure du gradient de vitesse et la direction de l'écoulement local de liquide dans un empilement de sphères. Cette étude a été menée grâce à des micro-électrodes tri-segmentées implantées à la paroi de sphères supports. Ces expériences originales ont en particulier permis de caractériser les recirculations dans le pore suivant les conditions opératoires. La seconde partie a porté sur la simulation numérique de ce même écoulement local. Un écoulement monophasique dans une géométrie complexe représentant exactement le milieu poreux a été simulé. Ces simulations ont été confrontées aux expériences; l'accord est satisfaisant, surtout à faible vitesse. L'inadéquation des modèles de turbulence usuels a été montrée dans notre cas. Enfin, des mesures par Vélocimétrie Laser Doppler ont montré l'intérêt de cette technique, bien que des améliorations soient nécessaires pour obtenir des résultats exploitables sur l'ensemble du milieu<br>The first part of this work deals with local measurement of flow direction and velocity gradients in a structured packing of spheres. Tri-segmented micro-electrodes flush mounted at the wall of supporting spheres are used for the measurements. Among other results, these original experiments allowed to charatcerize the flow recirculation within the pore.In the second part, the local liquid flow in the packing was numerically computed. More specifically, the local flow of liquid in a complex geometry was modelled and simulated. Numerical results are in agreement with experiments, especially for low flow rates. Usual turbulence models were shown to be inappropriate for the present case. Finally, some Laser Doppler Velocimetry measurements were carried out and showed the interesting potential of this technique, but improvements are yet to be made to get velocities in the bulk of the bed

En raison de la tendance positives pour le développement durable, les systèmes solaires(capteurs solaires, concentrateur solaire, etc.) Intègrent (et demandent d'intégrer encore plus)intensivement les résidences et les industries. Dans ce contexte, les systèmes diphasiques comme le caloduc semblent être très efficaces en raison de leurs capacités élevées de transport de chaleur et de leur fonctionnement passif appliqués aux capteurs. Compte-tenu de la complexité des caloducs à structure poreuse dans ce type d'application, la plupart des systèmes existants sur le marché utilisent des thermosiphons. Ainsi, le besoin croissant de solutions de contrôle thermique fiables et plus efficaces croit rapidement pour de tels systèmes.Ce travail de thèse porte sur la caractérisation des performances des caloducs à structure poreuse utilisés dans les applications solaires. Une étude numérique a été réalisée pour modéliser et simuler le comportement d'un caloduc typique à l'aide de la méthode Lattice Boltzmann. Une étude expérimentale a également été réalisée pour caractériser les performances de trois prototypes testes dans différentes conditions (température du condenseur, puissance introduite et angle d'inclinaison). Les effets induits par plusieurs paramètres incluant le taux de remplissage, le fluide de travail et la symétrie de la puissance appliquée sur les performances de ces dispositifs ont également été étudiés. En particulier, l'asymétrie du chauffage induit un assèchement plus précoce, toutes choses étant égales par ailleurs. L'inclinaison optimale est également déterminée là où est équilibrée la chaleur solaire maximale disponible et reçue par le caloduc et l'écoulement de liquide assisté par gravité à l'intérieur de ce dispositif<br>Owing to the trend to development sustainability, solar systems (solar collector, solar concentrator, etc.) Are integrating (and asked to integrate even more) intensively residences and industries. In this context, two-phase systems like heat pipe seem highly effective because of their high heat transport capabilities and their passive operation in collectors’ technology. In view of the complexity of the heat pipes with a porous structure in this kind of application,most of the existing systems on the market use thermosyphons. Thus, the growing need of reliable and more efficient thermal control solutions is increasing for such systems. This thesis work focuses on the performance characterization of heat pipes with porous structure used in solar applications. A numerical study has been performed to model and simulate the behavior of a typical heat pipe using the Lattice Boltzmann method. An experimental study has also been done to characterize the performance of three prototypes tested under different conditions (condenser temperature, heat input and inclination angle). The effects induced by several parameters including the filling rate, working fluid and symmetry of the applied heat on the performance of these devices has also been investigated. In particular, heating asymmetry is found to induce dry-out earlier, all other things being equal. Optimal inclination is also determined where is balanced the maximum solar heat available and received by the heat pipe and the gravity-assisted liquid flow inside that device

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:19:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6248.pdf: 27691207 bytes, checksum: cc929611cc4e506743fb3b9ce1730858 (MD5) Previous issue date: 2014-08-07<br>Universidade Federal de Sao Carlos<br>Motivated by the great growth presented in the last decade in research on lead-free piezoelectric ceramics and the fact that some ceramic systems, as those based on bismuth, have been identified as promising candidates to substitute the lead zirconate titanate (PZT) in their present technological applications, was proposed as the objective of this work, study the effect of adding &#119861;&#119886;&#119879; &#119894;&#119874;3 (BT) on the structural, electrical and anelastic properties exhibit by the system (1&#8722;&#119909;)&#119861;&#119894;0.5&#119873;&#119886;0.5&#119879;&#119894;&#119874;3&#8722;&#119909;&#119861;&#119886;&#119879; &#119894;&#119874;3 (BNT-BT). The structural characterization was performed by the techniques of X-ray diffraction (XRD) and Raman spectroscopy. The morphological and compositional aspects (qualitative), in the calcined powders, and the sintered samples were studied by scanning electron microscopy (SEM). The ferroelectric and dielectric character of the compositions were obtained through characterization of ferroelectric hysteresis exhibit and using the technique of electrical impedance spectroscopy, respectively. Phase transitions and the possible mechanisms of anelastic relaxation were studied by the technique of mechanical spectroscopy. Samples were obtained by the method of solid state reaction, where it was possible to obtain compositions with 0.00 &#8804; &#119909; &#8804; 0.08 with relative density greater than 95% and without the presence of spurious or secondary phases. On profiles of X-ray diffraction for the different studied sintered compositions was applied the method of Rietvelt refinement which allow the determination and confirmation of the crystal structures in the samples under study, and the presence of a morphotropic phase boundary (MPB) for the BNT-BT. The XRD results were corroborated by the results of Raman spectroscopy. The ferroelectric nature of the different compositions of BNT-BT system studied was confirmed. Electrical phase transitions (F-Af and Af-P) and structural transitions (R-T and T-C) exhibited by the BNT-BT were characterized by mechanical spectroscopy (using a dynamical mechanical analyzer (DMA)), and by electrical impedance spectroscopy, employing the results in complementing the electrical and structural phase diagram of this system. In addition to the phase transitions obtained, the technique of mechanical spectroscopy for compositions between 0.00 &#8804; &#119909; &#8804; 0.03, allowed the observation of a complex process of anelastic relaxation that was associated with interactions and mobility of different defects present, which possibly contribute significantly to an increase of conductivity in these materials, which had not been previously reported in the literature.<br>Motivados pelo grande crescimento apresentado na última década nas pesquisas em cerâmicas piezoelétricas livres de chumbo e o fato de alguns sistemas cerâmicos, como os baseados em bismuto, já terem sido identificados como promissores candidatos à substituição do titanato zirconato de chumbo (PZT) em suas atuais aplicações tecnológicas, foi proposto como objetivo deste trabalho, estudar a influência da adição de &#119861;&#119886;&#119879; &#119894;&#119874;3 (BT) sobre as propriedades estruturais, elétricas e anelásticas exibidas pelo sistema (1 &#8722; &#119909;)&#119861;&#119894;0,5&#119873;&#119886;0,5&#119879;&#119894;&#119874;3 &#8722; &#119909;&#119861;&#119886;&#119879; &#119894;&#119874;3 (BNT-BT). A caracterização estrutural foi realizada por meio das técnicas de difração de raios-X (DRX) e espectroscopia Raman. Os aspectos morfológico e composicional (qualitativo), tanto dos pós calcinados, quanto das amostras sinterizadas foram estudados mediante microscopia eletrônica de varredura (MEV). O caráter ferroelétrico e dielétrico das composições estudadas foram obtidos por meio da caracterização da histerese ferroelétrica exibida e da técnica de espectroscopia de impedância elétrica, respectivamente. As transições de fase e os possíveis mecanismos de relaxação anelástica foram estudados utilizando a técnica de espectroscopia mecânica. As amostras foram obtidas pelo método de reação de estado sólido, onde foi possível obter composições com 0, 00 &#8804; &#119909; &#8804; 0, 08 com densidades relativas maiores que 95% e sem a presença de fases espúrias ou secundárias. Aos perfis de difração de raios-X para as diferentes composições sinterizadas estudadas foi aplicado o método de refinamento Rietvelt que permitiu a determinação e confirmação das estruturas cristalinas nas amostras em estudo, além da presença de contorno de fase morfotrópico (CFM) para o BNT-BT. Os resultados de DRX foram corroborados por meio dos resultados de espectroscopia Raman. O carácter ferroelétrico das diferentes composições do sistema BNT-BT estudadas foi confirmado. Tanto as transições de fase elétricas, ferroelétricaantiferroelétrica (F-Af) e antiferroelétrica-paraelétrica (Af-P), quanto as transições estruturais, romboédrica-tetragonal (R-T) e tetragonal-cubica (T-C), exibidas pelo BNT-BT foram caracterizadas por espectroscopia mecânica (por meio de um analisador dinâmico mecânico(DMA)) e por espectroscopia de impedância elétrica, empregando-se os resultados obtidos na complementação do diagrama de fase elétrico e estrutural deste sistema. Além das transições de fase obtidas, a técnica de espectroscopia mecânica, para composições entre 0, 00 &#8804; &#119909; &#8804; 0, 03, propiciou a observação de um processo de relaxação anelástica complexo que foi associado a interações e mobilidade de diferentes defeitos presentes, que possivelmente contribuem significativamente para um aumento de condutividade nestes materiais, que não haviam sido reportado anteriormente na literatura.

Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique et de la morphologie de bulles non confinées dans des colonnes à bulles et de bulles confinées dans des microcanaux, ainsi que sur l'étude du transfert de matière entre une bulle sphérique confinée dans un microcanal et le liquide environnant. <p><p>Un dispositif expérimental d'imagerie et une méthode de posttraitement des images brutes ont été développés afin d'analyser la dynamique et la morphologie de bulles non confinées ayant une trajectoire non rectiligne de leur centre de masse en évitant les effets de perspectives et en déterminant un seuil pour la binarisation des images brutes sur base d'un critère bien défini. Ce dispositif expérimental et cette méthode de posttraitement des images brutes ont permis de générer des données relatives à la dynamique et la morphologie de bulles ellipsoïdales isolées et non confinées, pour des nombres d'Eötvös (Eo) et de Morton (Mo) de ces bulles tels que 0.8 < Eo < 8 et 10 <SUP>-11</SUP> < Mo < 10 <SUP>-7</SUP>. L'analyse de ces données a permis de cartographier la nature de la trajectoire d'une bulle et la présence d'une éventuelle oscillation de son interface en fonction de ses nombres d'Eötvös et de Morton. Les bulles ayant une trajectoire hélicoïdale sans oscillation de leur interface ont été sélectionnées afin de proposer des corrélations pour calculer l'amplitude et la fréquence de leur trajectoire en fonction de leurs nombres d'Eötvös et de Morton. Concernant les bulles ayant une trajectoire en zigzag ou hélicoïdale sans oscillation de leur interface, l'analyse des données a permis de montrer l'alignement entre le vecteur vitesse de leur centre de masse et leur petit axe. Les rayons de courbure de l'avant et l'arrière de l'interface de ces bulles ont été évalués. Pour les bulles ayant une trajectoire en zigzag, une corrélation a été établie pour calculer le rapport des rayons de courbure à l'avant et à l'arrière de leur interface en fonction de leurs nombres d'Eötvös et de Morton. Une pulsation dans la composante verticale du mouvement du centre de masse d'une bulle a été observée dans le cas d'une trajectoire en zigzag de la bulle et ce à une fréquence égale au double de celle de sa trajectoire. Une telle pulsation n'a pas pu être identifiée dans le cas d'une trajectoire hélicoïdale d'une bulle. <p><p>Concernant l'analyse de la dynamique de bulles sphériques confinées dans des microcanaux de sections carrée et circulaire, ainsi que du transfert de matière entre ces bulles et le liquide environnant, une méthode numérique a été développée dans laquelle deux conditons aux limites sont considérées sur l'interface liquide-gaz: une condition de contrainte tangentielle nulle et une condition de non glissement. Les résultats obtenus avec cette méthode ont permis de caractériser les champs de vitesse et de concentration autour des bulles considérées, et de montrer leurs interactions. Grâce à ces résultats, des corrélations ont été établies, dans ces microcanaux et pour ces deux conditions aux limites, pour calculer la vitesse des bulles et pour caractériser le transfert de matière entre ces bulles et le liquide en fonction des paramètres définissant le système. Sur base de ces corrélations et de bilans de matière et de quantité de mouvement, un modèle pour la dissolution de bulles le long de microcanaux de sections carrée et circulaire a été proposé, pour le régime bubbly flow, et comparé avec des données expérimentales disponibles dans la littérature. Ce modèle permet de prédire, pour une bulle se mouvant le long d'un microcanal de section carrée ou circulaire, les évolutions des pressions dans le liquide et le gaz, de son diamètre, de sa vitesse, de la concentration du gaz dissous dans le liquide, de la distance de séparation entre cette bulle et la bulle qui la suit et du coefficient de transfert de matière entre cette bulle et le liquide environnant.<p><p><br>Doctorat en Sciences de l'ingénieur<br>info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'utilisation extensive des matériaux composites dans l'industrie aéronautique nécessite une compréhension étendue de leur comportement mécanique et mécanismes d'endommagement. La prise en compte des effets environnementaux, température et vieillissement humide, dans la prévision du comportement à l'impact, des endommagements et des mécanismes associés reste un sujet encore peu traité actuellement. Dans ce travail différentes conditions de vieillissement humide (dénommées ci-après état neuf, 65% VH, et 90%VH) ont été appliquées au matériau de l'étude. La caractérisation des propriétés du pli et de l'interface ont été effectuée à température ambiante et 80°e. Une attention particulière a été portée à l'identification des propriétés en cisaillement plan. Un modèle d'endommagement progressif basé sur la mécanique de l'endommagement dans les milieux continus est proposé afin de décrire au mieux le comportement du pli élémentaire en prenant en compte les comportements fortement non-linéaires identifiés pour le cisaillement plan de ce matériau. Ce modèle matériau de comportement du pli est combiné avec des lois cohésives d'interface inter-laminaire utilisés dans des simulations numériques d'impact à faible vitesse afin de prédire la réponse mécanique à l'impact et les dommages. Le modèle de matériau a été implémenté dans le code de calcul explicite LS-Dyna. Des essais d'impact à différentes énergies ont été effectués afin de valider par comparaison essais-calcul l'approche utilisée. Une bonne adéquation est observée entre les résultats numériques et expérimentaux du matériau non-vieilli et testé à température ambiante pour ce qui concerne l'historique de la réponse globale et les dommages internes (rupture de fibre, fissures de matrice et délaminages)<br>The extensive application of composite laminates in aeronautical industries demands a thorough understanding of their mechanical behaviours and damage. The prediction of impact behaviour, impact damage and the associated mechanisms under complex environmental effects remain still an open issue. The effects of various humid ageing conditions (No ageing, 65% relative humidity and 90% relative humidity ageing) and environ mental temperatures (room temperature and 80°C) on the intra-Iaminar and inter-Iaminar properties are characterized. A particular emphasis is laid on the study of different non linear behaviours of in plane shear. A progressive damage model based on continuum damage mechanics is proposed to describe intra laminar mechanical behaviour by taking into account the identified in-plane shear nonlinear phenomenon. This model is then applied in numerical simulation on low velocity impact combined with cohesive law in interface to predict the impact response and associated damage (ie. Fibre failure, matrix cracks and delaminations). The damage model is implemented in LS Dyna as user defined material laws.lmpact tests on laminate coupons with different stratifications are performed to validate the numerical simulation. Good agreement is achieved especially for nonaged material under room temperature between numerical and experimental results in terms of contact force history, platedeflection and impact duration. By means of non-destructive inspection, the impact damage is coherent with predicted results concerning fiber damage location, matrix cracks especially the through thickness delamination

Aviation industry is continuously growing especially for very long distance flights due to the globalisation of local economies around the world and the explosive economic growth in Asia. Reducing the time of intercontinental flights from 16-20 hours to 4 hours or less would therefore make the, already booming, ultra-long distance aviation sector even more attractive. To accomplish this drastic travel time reduction for civil transport, hypersonic cruise aircraft are considered as a potential cost-effective solution. Such vehicles should also be fuelled by liquid hydrogen, which is identified as the only viable propellant to achieve antipodal hypersonic flight with low environmental impact. Despite considerable research on hypersonic aircraft and hydrogen fuel, several major challenges should still be addressed before such airliner becomes reality. The current thesis is therefore motivated by the potential benefit of hydrogen-fuelled hypersonic cruise vehicles associated with their limited state-of-the-art.Hypersonic cruise aircraft require innovative structural configurations and thermal management solutions due to the extremely harsh flight environment, while the uncommon physical properties of liquid hydrogen, combined with high and long-term heat fluxes, introduce complex design and technological storage issues. Achieving hypersonic cruise vehicles is also complicated by the multidisciplinary nature of their design. In the scope of the present research, appropriate methodologies are developed to assess, design and optimize the thermo-structural model and the cryogenic fuel tanks of long-range hydrogen-fuelled hypersonic civil aircraft. Two notional vehicles, cruising at Mach 5 and Mach 8, are then investigated with the implemented methodologies. The design analysis of light yet highly insulated liquid hydrogen tanks for hypersonic cruise vehicles indicates an optimal gravimetric efficiency of 70-75% depending on insulation system, tank wall material, tank diameter, and flight profile. A combination of foam and load-bearing aerogel blanket leads to the lightest cryogenic tank for both the Mach 5 and the Mach 8 aircraft. If the aerogel blanket cannot be strengthened sufficiently so that it can bear the full load, then a combination of foam and fibrous insulation materials gives the best solution for both vehicles. The aero-thermal and structural design analysis of the Mach 5 cruiser shows that the lightest hot-structure is a titanium alloy construction made of honeycomb sandwich panels. This concept leads to a wing-body weight of 143.9 t, of which 36% accounts for the wing, 32% for the fuselage, and 32% for the cryogenic tanks. As expected, hypersonic thermal loads lead to important weight penalties (of more than 35%). The design of the insulated cold structure, however, demonstrates that the long-term high-speed flight of the airliner requires a substantial thermal protection system, such that the best configuration (obtained by load-bearing aerogel blanket) leads to a titanium cold design of only 4% lighter than the hot structure. Using aluminium 7075 rather than titanium offers a further weight saving of about 2%, resulting in a 135.4 t wing-body weight (with a contribution of 23%, 25%, 18% and 34% from the TPS, the wing, the fuselage, and the cryogenic tanks respectively). Given the design hypotheses, the difference in weight is not significant enough to make a decisive choice between hot and cold concepts. This requires the current methodologies to be further elaborated by relaxing the simplifications. Investigation of the thermal protection must be extended from one single point to different regions of the vehicle, and the TPS thickness and weight should be considered in the structural sizing of the cold design. More generally, the design process should be matured by including additional (static, dynamic and transient) loads, special structural concepts, multi-material configurations and other parameters such as cost and safety aspects.<br>Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie<br>This thesis was conducted in co-tutelle between University of Sydney and Université Libre de Bruxelles.Professor Dries Verstraete was my supervisor at the University of Sydney (so as a member of SydneyUni), but is automatically registered here as a member of ULB because he worked at ULB almost ten years ago.Ben Thornber is also a member of the University of Sydney but the application does not save it for an unknown reason.<br>info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans les réacteurs à fusion nucléaire, un échange constant de particules se développe entre le plasma et la paroi. Ce phénomène, appelé recyclage, présente un intérêt crucial pour ces réacteurs car, une fois le plasma établi, le recyclage représente la principale source de particules pour le plasma. Une connaissance complète du recyclage est donc essentielle pour assurer un contrôle fiable de la densité plasma ainsi qu'une performance optimale du réacteur. Cependant, les études in-situ du recyclage demeurent complexes. La modélisation numérique peut assister dans la compréhension de ce phénomène. Les codes de transport de plasma de bord présentent la description la plus avancée de l’interaction plasma-paroi. La description du recyclage reste néanmoins partielle : la réflexion atomique est déjà traitée tandis que la désorption moléculaire est fixée ad-hoc par l’utilisateur. Cette thèse de doctorat se concentre sur le développement d’une extension au code de transport SolEdge2D-EIRENE, dénommée D-WEE, dont l’objectif est de modéliser la dynamique de la désorption. Afin d’initialiser D-WEE, une séquence de décharges plasma est simulée pour modéliser l’opération d’un tokamak. La dynamique simulée pendant ces décharges est étudiée, révélant des comportements intéressants qui pourraient impacter l’opération du réacteur. Pour évaluer la pertinence de la simulation, une confrontation avec l'expérience est effectuée et révèle un accord qualitatif entre la chute de pression post-décharge simulée (avec une tendance en t^{-0.8}) et celle observée expérimentalement. Le taux de rétention simulé pendant la décharge est étudié et présente un accord qualitatif avec l'expérience<br>In all plasma devices, a constant exchange of particle develops between the plasma and the wall. This phenomenon, referred to as recycling, is of critical interest for those reactors as, once the plasma is established, particle recycling represents the main particle source for the plasma. A complete understanding of the recycling phenomenon is therefore essential to ensure a reliable plasma density control and optimum performance. However, the in-situ experimental study of recycling remains challenging. Modelling can assist in the understanding of this phenomenon.The edge-plasma transport codes present the most-advanced description of the plasma-wall interaction. However, the description of recycling remains partial: atomic reflection is already handled while molecular desorption is set ad-hoc by the code user. This PhD focuses on the development of an extension of the SolEdge2D-EIRENE transport code, named D-WEE, whose goal is to model the dynamics of desorption.To initialise D-WEE, a sequence of plasma discharges is simulated with D-WEE to model a tokamak operation. The simulated wall dynamics during those discharges is studied, reveling some interesting behaviours that could impact the reactor operation. To assess the relevance of the simulated wall dynamics, a confrontation to post-pulse experimental pressure measurement is performed which reveals a qualitative agreement between the temporal pressure drop obtained in the simulation (with a t^{-0.8} trend) and the one observed experimentally under ILW configuration. The retention rate during the discharge is also studied and reproduces qualitatively the experimental trends

La méthode LS-STAG est une méthode de type frontière immergée/cut-cell pour le calcul d’écoulements visqueux incompressibles qui est basée sur la méthode MAC pour grilles cartésiennes décalées, où la frontière irrégulière est nettement représentée par sa fonction level-set, résultant en un gain significatif en ressources informatiques par rapport aux codes MFN commerciaux utilisant des maillages qui épousent la géométrie. La version 2D est maintenant bien établie et ce manuscrit présente son extension aux géométries 3D avec une symétrie translationnelle dans la direction z (configurations extrudées 3D). Cette étape intermédiaire sera considérée comme la clé de voûte du solveur 3D complet, puisque les problèmes de discrétisation et d’implémentation sur les machines à mémoire distribuée sont abordés à ce stade de développement. La méthode LS-STAG est ensuite appliquée à divers écoulements newtoniens et non-newtoniens dans des géométries extrudées 3D (conduite axisymétrique, cylindre circulaire, conduite cylindrique avec élargissement brusque, etc.) pour lesquels des résultats de références et des données expérimentales sont disponibles. Le but de ces investigations est d’évaluer la précision de la méthode LS-STAG, d’évaluer la polyvalence de la méthode pour les applications d’écoulement dans différents régimes (fluides newtoniens et rhéofluidifiants, écoulement laminaires stationnaires et instationnaires, écoulements granulaires) et de comparer ses performances avec de méthodes numériques bien établies (méthodes non structurées et de frontières immergées)<br>The LS-STAG method is an immersed boundary/cut-cell method for viscous incompressible flows based on the staggered MAC arrangement for Cartesian grids where the irregular boundary is sharply represented by its level-set function. This approach results in a significant gain in computer resources compared to commercial body-fitted CFD codes. The 2D version of LS-STAG method is now well-established and this manuscript presents its extension to 3D geometries with translational symmetry in the z direction (3D extruded configurations). This intermediate step will be regarded as the milestone for the full 3D solver, since both discretization and implementation issues on distributed memory machines are tackled at this stage of development. The LS-STAG method is then applied to Newtonian and non-Newtonian flows in 3D extruded geometries (axisymmetric pipe, circular cylinder, duct with an abrupt expansion, etc.) for which benchmark results and experimental data are available. The purpose of these investigations is to evaluate the accuracy of LS-STAG method, to assess the versatility of method for flow applications at various regimes (Newtonian and shear-thinning fluids, steady and unsteady laminar to turbulent flows, granular flows) and to compare its performance with well-established numerical methods (body-fitted and immersed boundary methods)

La corrosion des armatures de renforcement des structures en béton représente un enjeu socio-économique majeur. Sa détection et le suivi de son évolution constituent un défi pour la recherche appliquée. Les techniques standards non destructives de détection de corrosion mettent en œuvre des procédés indirects tels la mesure d’impédance, de potentiels, ou par ultrasons. Leurs capacités d’auscultation sont limitées dans l’espace (notamment en profondeur), leur coût reste élevé dans un contexte de maintenance périodique et elles conduisent à des paramètres d’interprétation complexe. Des progrès sont nécessaires dans la détection et l’analyse fiable de la progression des processus de corrosion. Dans ce travail, nous présentons une nouvelle méthode pour détecter la corrosion et le suivi de son évolution, basée sur l’observation directe des changements intervenant à l’interface fer-béton par Capteur à Fibre Optique (CFO). L'attaque par corrosion de la surface de l'armature dépend de plusieurs paramètres électrochimiques (température, pH, carbonatation, présence de chlorures, contamination biologique, etc.). Deux comportements mécaniques à l'interface fer-béton sont distingués. Dans le premier cas (carbonatation), le produit d'oxydation du métal reste à l'interface et augmente la pression interne, pouvant conduire à la fissuration de la couche de béton extérieure. Dans le second cas (piqures), les ions métalliques sont évacués hors de la structure avec comme conséquence une réduction de section des barres d'armature (affaiblissement du renforcement). Un CFO innovant est proposé dans le but de localiser et quantifier les deux types de corrosion précités. Le principe consiste à observer l’impact direct de la corrosion sur l’état de déformation d’une fibre optique préalablement précontrainte par construction. Deux procédés métrologiques sont étudiés : Bragg et réflectométrie fréquentielle (Optical Frequency-Domain Reflectometry - OFDR). Des tests de corrosion accélérée montrent la faisabilité du procédé. Une procédure de fabrication simplifiée et à coût optimisé est proposée pour la surveillance in situ et répartie des structures de génie civil, dans une perspective future de maintenance conditionnée<br>Corrosion of reinforced bars (rebars) in concrete structures remains a major issue in civil engineering works, being its detection and evolution a challenge for the applied research. Usual non-destructive corrosion detection methods involve impedance, potential or ultra-sonic indirect measurements of complex interpretation. Besides, they are restricted to near-surface examinations and the maintenance cost is still high (scheduled maintenance). Many efforts remain to be done to survey the onset and progression of corrosion processes in a reliable way. In this work, we present a new methodology to detect the onset of corrosion and to monitor its evolution, based on the direct observation of rebar–concrete interface changes by the use of an Optical Fiber Sensor (OFS). The corrosion attack over rebar surface depends on several physical, chemical and electrochemical parameters (temperature, pH, presence of chlorides/CO2, biological contamination, etc.). Two types of mechanical behavior and described. In the first case (carbonation), metal oxidation products stay at the interface and increase internal pressure, potentially leading to a crack of the external concrete layer. In the second case (pitting), metal ions are evacuated out of the structure, leading to a reduction of the rebar section (structural weakness). An innovative sensor design is proposed with the purpose of localizing and quantifying the amount of both corrosion types. The basic principle consists in measuring the impact of corrosion over the state of strain of a prestressed optical fiber. Two metrological techniques are used: Fiber Bragg Grating (FBG) and Optical Frequency-Domain Reflectometry (OFDR). Accelerated corrosion tests were performed in electrolytic solutions for both kinds of corrosion types (pitting and carbonation) and provide a proof-of-concept for the technique. A low-cost, simplified manufacturing procedure is proposed with the aim to provide distributed and in situ Structural Health Monitoring (SHM), suitable for future Condition-Based Maintenance (CBM) of civil engineering concrete structures

Cette thèse porte sur l'étude numérique des écoulements fluide-particules rencontrés dans l'industrie. Ces travaux se situent dans le cadre de la compréhension des phénomènes qui se déroulent dans des tambours tournants et réacteurs à lit fixe en présence de particules de forme non convexe. En effet, la forme des particules influence de manière importante la dynamique de ces milieux. A cet effet, nous nous sommes servis de la plateforme numérique parallèle Grans3D pour la dynamique des milieux granulaires et PeliGRIFF pour les écoulements multiphasiques. Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une nouvelle stratégie numérique qui permet de prendre en compte des particules de forme arbitrairement non convexe dans le solveur Grains3D. Elle consiste à décomposer une forme non convexe en plusieurs formes convexes quelconques. Nous avons nommé cette méthode « glued-convex ». Le modèle a été validé avec succès sur des résultats théoriques et expérimentaux de tambours tournants en présence de particules en forme de croix. Nous avons aussi utilisé le modèle pour simuler le chargement de réacteurs à lits fixes puis des lois de corrélation sur les taux de vide ont été déduites de nos résultats numériques. Dans ces travaux, nous avons aussi testé les performances parallèles de nos outils sur des simulations numériques à grande échelle de divers systèmes de particules convexes. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l'extension du solveur PeliGRIFF à pouvoir prendre en compte la présence de particules multilobées (non convexes) dans des écoulements monophasiques. Une approche du type Simulation Numérique Directe, basée sur les Multiplicateurs de Lagrange Distribués / Domaine Fictif (DLM/FD), a alors été adoptée pour résoudre l'écoulement autour des particules. Une série d'études de convergence spatiale a été faite basée sur diverses configurations et divers régimes. Enfin, ces outils ont été utilisés pour simuler des écoulements au travers de lits fixes de particules de forme multi-lobée dans le but d'étudier l'influence de la forme des particules sur l'hydrodynamique dans ces lits. Les résultats ont montré une consistance avec les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature<br>Non convex granular media are involved in many industrial processes as, e.g., particle calcination/drying in rotating drums or solid catalyst particles in chemical reactors. In the case of optimizing the shape of catalysts, the experimental discrimination of new shapes based on packing density and pressure drop proved to be difficult due to the limited control of size distribution and loading procedure. There is therefore a strong interest in developing numerical tools to predict the dynamics of granular media made of particles of arbitrary shape and to simulate the flow of a fluid (either liquid or gas) around these particles. Non-convex particles are even more challenging than convex particles due to the potential multiplicity of contact points between two solid bodies. In this work, we implement new numerical strategies in our home made high-fidelity parallel numerical tools: Grains3D for granular dynamics of solid particles and PeliGRIFF for reactive fluid/solid flows. The first part of this work consists in extending the modelling capabilities of Grains3D from convex to non-convex particles based on the decomposition of a non-convex shape into a set of convex particles. We validate our numerical model with existing analytical solutions and experimental data on a rotating drum filled with 2D cross particle shapes. We also use Grains3D to study the loading of semi-periodic small size reactors with trilobic and quadralobic particles. The second part of this work consists in extending the modelling capabilities of PeliGRIFF to handle poly-lobed (and hence non-convex) particles. Our Particle Resolved Simulation (PRS) method is based on a Distributed Lagrange Multiplier / Fictitious Domain (DLM/FD) formulation combined with a Finite Volume / Staggered Grid (FV/SG) discretization scheme. Due to the lack of analytical solutions and experimental data, we assess the accuracy of our PRS method by examining the space convergence of the computed solution in assorted flow configurations such as the flow through a periodic array of poly-lobed particles and the flow in a small size packed bed reactor. Our simulation results are overall consistent with previous experimental work