Soutenances autorisées pour l'ED ED 591 PSIME

Modélisation de transfert de matières dissoutes et particulaires dans un milieu fracturé.

Doctorant·e: HAWI Hanan
Direction de thèse: WANG HUAQING (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 18/07/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance: Le Havre, LOMC Prony
Rapporteurs de la thèse: HELLOU MUSTAPHA PROFESSEUR DES UNIVERSITES INST NAT SC APPLIQ RENNES
SAIYOURI NADIA PROFESSEUR DES UNIVERSITES UNIVERSITE DE BORDEAUX
Membres du jurys: AHFIR NASRE DINE, MAÎTRE DE CONFERENCES (HDR), Université Le Havre Normandie
HELLOU MUSTAPHA, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, INST NAT SC APPLIQ RENNES
JIA YUN, MAÎTRE DE CONFERENCES (HDR), Universite de Lille
OUAHBI TARIQ, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université Le Havre Normandie
SAIYOURI NADIA, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE DE BORDEAUX
WANG HUAQING, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université Le Havre Normandie

Résumé: Pour faire face aux problèmes émergents de pollution et de dégradation de la qualité des eaux, il est nécessaire de maîtriser le fonctionnement hydrogéologique des roches réceptrices de polluants. Cela implique de définir la vulnérabilité des aquifères et d'optimiser la modélisation des phénomènes de rétention et des mécanismes de transport des particules dans les roches. Dans les aquifères karstiques, les fractures servent de voies préférentielles pour les particules, permettant ainsi leur transport rapide. Le transport des particules et de la matière dissoute dans les fractures est régi par l'advection et la dispersion qui sont influencées par plusieurs facteurs. L'objectif de cette étude est de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes de transport des particules solides et des matières dissoutes dans les fractures et des différents facteurs qui influencent ces mécanismes. A cette fin, un programme expérimental a été développé pour comprendre l'influence de la vitesse d'écoulement, de l'ouverture de la fracture, de l'orientation de la fracture et de la force ionique sur le transport des particules de kaolinite et du traceur dissous (fluorescéine) dans des échantillons de craie fracturée. Un modèle numérique a été développé sur la base de l'équation d'advection-dispersion, afin de déterminer les paramètres de transport et de comprendre en profondeur les interactions entre les particules et la surface de la fracture dans différentes conditions. Les résultats de cette étude ont révélé que l'effet hydrodynamique est significatif quelle que soit l'orientation de la fracture, la récupération des particules augmentant avec la vitesse d'écoulement. Les particules de kaolinite sont transportées plus rapidement que la fluorescéine en raison de l'effet d'exclusion de taille et du coefficient de dispersion plus élevé de la fluorescéine. Le coefficient d’attachement augmente avec la vitesse d'écoulement pour toutes les orientations de fracture et est indépendant de l'ouverture de la fracture. Inversement, le coefficient de détachement, qui est négligeable pour les petites vitesses d'écoulement, est plus important dans les petites ouvertures en raison d'une contrainte de cisaillement plus élevée. Les résultats ont montré, aussi, que l'orientation des fractures affecte de manière significative le transport des particules de kaolinite mais a un impact négligeable sur la fluorescéine. L'augmentation de l'orientation verticale des fractures améliore la récupération et la dispersion des particules, tandis que le coefficient d'attachement diminue. Enfin, les résultats de l'effet de la force ionique indiquent qu'une force ionique plus élevée augmente la rétention des particules et diminue le taux de récupération. Le coefficient d'attachement présente une augmentation linéaire et le coefficient de détachement suit une évolution exponentielle avec l'augmentation de la force ionique. Les résultats de l'étude soulignent l'importance de prendre en compte des vitesses d'écoulement élevées dans l'étude des effets hydrodynamiques, de l'ouverture de la fracture et de l'effet de la force ionique pour comprendre les mécanismes de transport des particules de taille micrométrique dans les fractures de la craie. Elle contribue également à faire progresser la compréhension de l'effet de l'orientation des fractures sur le transport des particules. Cette compréhension est essentielle pour évaluer les risques pour les ressources en eaux souterraines et pour faire progresser les mesures de protection de l'environnement.
Abstract: In order to face the emerging problems of pollution and deterioration in water quality, it is necessary to master the hydrogeological functioning of pollutant-receiving rocks. This involves, defining the vulnerability of aquifers and optimising the modelling of the retention phenomena and transport mechanism of particles in rocks. In karstic aquifers, fractures serve as preferential pathways for particles, thus allowing their rapid transport. The transport of particles and dissolved matter in fractures is governed by advection and dispersion which are influenced by several factors. The objective of this study is to contribute to a better understanding of the mechanisms of transport of solid particles and dissolved matter in fractures and the different factors influencing these mechanisms. For this purpose, an experimental program was developed to understand the influence of flow velocity, fracture aperture, fracture orientation and ionic strength on the transport of kaolinite particles and fluorescein dissolved tracer in fractured chalk samples. In addition, a numerical model was developed based on the Advection-Dispersion equation, to determine the transport parameters and deeply understand the particle-fracture surface interactions under different conditions. The results of this study revealed that the hydrodynamic effect is significant regardless of fracture orientation, with particle recovery increasing as flow velocity increases. Kaolinite particles travel faster than fluorescein due to the size exclusion effect and the higher dispersion coefficient of fluorescein. The attachment coefficient increases with flow velocity for all fracture orientations and is independent of fracture aperture. Conversely, the detachment coefficient, which is negligible for small flow velocities, is greater in smaller apertures due to higher shear stress. The findings showed that fracture orientation significantly affects the transport of kaolinite particles but has a negligible impact on fluorescein as a dissolved tracer. Increasing the fracture orientation vertically enhances particle recovery and dispersion, while the attachment coefficient decreases. The effect of ionic strength indicate that higher ionic strength increases particle retention and decreases the recovery rate. With the attachment coefficient exhibiting a linear increase and the detachment coefficient follows an exponential trend with increasing ionic strength. The study findings highlight the importance of considering high flow velocities in studying the hydrodynamic effect, fracture aperture, and IS effect in understanding micron-sized particle transport mechanisms in chalk fractures. It also contributes to the advancement of understanding the effect of fracture orientation on the transport of particles by using experimental methods. These understandings are essential for assessing risks to groundwater resources and advancing environmental protection measures.

Intensification de la séparation d'émulsions par chauffage micro-ondes: application à l'extraction liquide-liquide de métaux critiques.

Doctorant·e: CERINO CLELIO
Direction de thèse: POLAERT ISABELLE (Directeur·trice de thèse)
ESTEL LIONEL (Co-directeur·trice de thèse)
ROUSSEL HERVÉ (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 17/07/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance: INSA Rouen Normandie, 685 Avenue de l'Université, 76800 Saint Etienne du Rouvray
Rapporteurs de la thèse: CURET SÉBASTIEN PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS ONIRIS, Nantes
FAVRE ERIC PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Université de Lorraine
Membres du jurys: CHARTON SOPHIE, CHERCHEUR HDR, CEA Marcoule
CURET SÉBASTIEN, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, ONIRIS, Nantes
ESTEL LIONEL, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
FAVRE ERIC, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Lorraine
LESAUZE NATHALIE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université Paul Sabatier, Toulouse
POLAERT ISABELLE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
ROUSSEL HERVÉ, INGENIEUR DE RECHERCHE, CEA Marcoule

Résumé: Cette thèse s’attache à étudier l’application d’une méthode d’intensification de la séparation des phases d’une émulsion par chauffage micro-ondes aux émulsions typiques rencontrées en extraction liquide- liquide pour la récupération de métaux critiques. Après une revue de la littérature concernant la séparation de telles émulsions, le traitement / chauffage par micro-ondes, puis le point spécifique de l’intensification de la séparation d’émulsions (typiquement pétrolières) par chauffage micro-ondes, le travail de thèse se centre sur quatre parties : Dans un premier temps, les propriétés physico-chimiques pertinentes pour la séparation de phase et identifiées dans l’étude bibliographique sont mesurées, ainsi que leur évolution avec la température. Les mesures de tension interfaciale, ainsi que les essais préliminaires de séparation, font ressortir le rôle déterminant mais mal compris de la tension interfaciale et de son évolution temporelle. Ensuite, on mesure et modélise, à partir de modèles issus de la littérature, les permittivités des phases liquides et des émulsions, grandeur d’intérêt pour décrire la propagation des ondes électromagnétiques dans ces matières, et permettant notamment de prévoir les longueurs de pénétration des micro-ondes dans les différentes matières. Les permittivités mesurées justifient le développement et l’emploi d’un séparateur continu intensifié par micro-ondes, à échelle laboratoire, afin d’observer à de faibles échelles de tailles et de débits l’influence des micro-ondes sur la séparation des émulsions. En dernier point, on entreprend une étude, par des simulations grâce au logiciel COMSOL Multiphysics, de la répartition de la puissance micro-ondes dans les matières à traiter, dans la géométrie expérimentale précédemment évoquée, ainsi que dans des géométries simplifiées afin de mettre en évidence les possibles problèmes à venir si une industrialisation est envisagée. Les résultats obtenus avec le séparateur mis en œuvre lors du travail de thèse, ainsi que les simulations effectuées, permettent effectivement de valider l’intérêt de la méthode, ainsi que d’envisager la mise à échelle industrielle. Les annexes présentent des axes de recherche identifiés au cours de la thèse.
Abstract: This thesis focuses on the application of a microwave heating emulsion separation method to the phase separation of emulsion typical to the critical metal recovery processes. Following a literature review centered around emulsion separation, microwave heating in general, and the intensification of the separation of petroleum-based emulsions by microwave heating, the research work focuses firstly on physico-chemical properties relevant to the phase separation of the studied emulsions, and their evolution with temperature. Surface tension measurements, along with preliminary separation tests, show the important but hardly understood role of surface tension and its time evolution. Emulsion and single phase permittivities are then measured and modeled with equations available in the literature, allowing us to prefigure the penetration depth achievable in such materials with microwaves. The measured permittivities justify employing a laboratory scale, microwave intensified phase separator to observe, with small treatment volume and fluids throughput, the effect of microwaves on emulsion separation. Lastly, we study microwave heating numerically, with COMSOL Multiphysics, first with the aforementioned experimental geometry, then with simpler geometries, presenting problems that could arise, should an industrialization occur. Results obtained with the experimental set-up, as well as the simulations performed allow us to confirm the described method’s interest in the metal recovery context, and to prefigure scale-up. The annexes present further research axis identified during the thesis.

Optimizing of Metal-Insulator-Metal Capacitors Performances by Atomic Layer Deposition: Advancing Production Efficiency and Throughput

Doctorant·e: IHARA Kou
Direction de thèse: LABBE Christophe (Directeur·trice de thèse)
CARDIN Julien (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 11/07/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance: Salle de Thèse
Rapporteurs de la thèse: MARCO DE LUCAS MARIA DEL CARMEN Professeur des universités UNIVERSITE BESANCON FRANCHE COMTE
MUNOZ-ROJAS DAVID Directeur de recherche Universite Grenoble Alpes
Membres du jurys: BLANQUET ELISABETH, Directeur de recherche, Universite Grenoble Alpes
CARDIN Julien, Ingénieur de recherche, Université de Caen Normandie
LABBE Christophe, Maître de conférences, Université de Caen Normandie
MARCO DE LUCAS MARIA DEL CARMEN, Professeur des universités, UNIVERSITE BESANCON FRANCHE COMTE
MECHIN Laurence, Directeur de recherche au CNRS, ENSICAEN
MUNOZ-ROJAS DAVID, Directeur de recherche, Universite Grenoble Alpes

Résumé: À mesure que la technologie des semi-conducteurs progresse, la nécessité de surmonter les limitations de la réduction des tailles de dispositifs est considérée comme primordiale. Bien que la loi de Moore ait guidé cette évolution au cours des cinq dernières décennies, les contraintes des composants actifs sont désormais évidentes à mesure que les processus de fabrication approchent de l'échelle atomique. L'approche "More Than Moore" a émergé pour y remédier, mettant l'accent sur l'intégration et la miniaturisation de puces hétérogènes afin de permettre l'empilement de diverses fonctionnalités système. Cependant, l'intégration de composants passifs pose des défis significatifs en raison de leur production par des processus disparates. Pour relever ce défi, Murata Integrated Passive Solutions a inventé la technologie du Substrat de Connexion Intégré Passif (PICS), facilitant l'intégration de composants passifs à base de silicium dans des structures 3D. La dernière itération, PICS5, utilise un gabarit en oxyde d'aluminium anodique et un dépôt de couche empilée Métal-Isolant-Métal par dépôt de couches atomiques. Cette thèse a contribué à l'affinement continu de la technologie PICS5 en améliorant les propriétés des condensateurs 3D et en explorant le potentiel des matériaux diélectriques à haute permittivité (Nb2O5). Cette recherche visait à optimiser les performances des composants et à anticiper les futurs défis de l'innovation en semi-conducteurs en clarifiant les subtilités des processus de dépôt de films minces et des conditions des équipements ALD.
Abstract: As semiconductor technology progresses, the need to overcome the limitations of shrinking device sizes is considered paramount. While Moore’s law has guided this evolution over the past five decades, the constraints of the active components are now obvious as manufacturing processes approach the atomic scale. More Than Moore's approach has emerged to address this, emphasizing the integration and miniaturization of heterogeneous chips to enable the stacking of diverse system functionalities. However, integrating passive components poses significant challenges due to their production via disparate processes. Addressing this challenge, Murata Integrated Passive Solutions invented the Passive Integrated Connecting Substrate (PICS) technology, facilitating the integration of silicon-based passive components into 3D structures. The latest iteration, PICS5, leverages an anodic aluminum oxide template and Metal-Insulator-Metal stack deposition via atomic layer deposition. This thesis contributed to the ongoing refinement of PICS5 technology by enhancing the properties of 3D capacitors and exploring the potential of high-k dielectric materials (Nb2O5). This research aimed to optimize component performance and anticipate future challenges in semiconductor innovation by clarifying the nuances of thin film deposition processes and ALD equipment conditions.

Etude des cinétiques d'absorption gaz liquide dans le cas de supports innovants

Doctorant·e: CIRIACO VILLEGAS GABRIELA
Direction de thèse: LEDOUX ALAIN (Directeur·trice de thèse)
ESTEL LIONEL (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 05/07/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance: Salle DAAR102 - bâtiment Darwin - INSA Rouen
Rapporteurs de la thèse: CASTEL CHRISTOPHE PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Université de Lorraine
THOMAS DIANE PROFESSEUR Université de Mons, Belgique
Membres du jurys: CASTEL CHRISTOPHE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Lorraine
ESTEL LIONEL, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
KHASHAYAR SALEH, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Technologie de Compiègne
LEDOUX ALAIN, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, INSA de Rouen Normandie
THOMAS DIANE, PROFESSEUR, Université de Mons, Belgique

Résumé: Cette thèse examine la cinétique d'absorption gaz-liquide en utilisant des supports innovants, en se concentrant sur les solvants eutectiques profonds (DES) à base de chlorure de choline (ChCl). L'objectif principal est d'améliorer l'efficacité de la capture du dioxyde de carbone (CO2). Les solvants traditionnels à base d'amines sont comparés aux DES, mettant en évidence les avantages des DES tels que le faible coût, la faible volatilité et la haute biodégradabilité. La recherche implique la synthèse et la caractérisation de divers solvants à base de ChCl, y compris les mélanges ChCl-glycérol et ChCl-glycinate de potassium. Les études expérimentales sur les propriétés thermophysiques—densité, viscosité, indice de réfraction et solubilité des gaz—révèlent que l'augmentation de la teneur en eau des DES réduit la viscosité, améliorant ainsi la solubilité du CO2. L'étude explore également la concentration optimale de ChCl pour équilibrer la cinétique de réaction et la diffusivité afin de maximiser l'absorption de CO2. Les résultats indiquent que, bien qu'une forte force ionique dans les DES améliore les taux de réaction, elle augmente également la viscosité, ce qui peut entraver la diffusion du CO2. Cette recherche offre des informations précieuses pour le développement de technologies efficaces de capture du CO2, en soulignant l'importance d'optimiser les paramètres thermiques et compositionnels.
Abstract: This thesis explores the kinetics of gas-liquid absorption using innovative supports, focusing on deep eutectic solvents (DESs) based on choline chloride (ChCl). The primary objective is to enhance the efficiency of carbon dioxide (CO2) capture. Traditional amine-based solvents are compared with DESs, highlighting DESs' advantages such as low cost, low volatility, and high biodegradability. The research involves synthesizing and characterizing various ChCl-based solvents, including ChCl-glycerol and ChCl-potassium glycinate mixtures. Experimental studies on thermophysical properties—density, viscosity, refractive index, and gas solubility—reveal that increasing the water content in DESs reduces viscosity, thereby enhancing CO2 solubility. The study also investigates the optimal ChCl concentration to balance reaction kinetics and diffusivity for maximum CO2 absorption. Results indicate that while high ionic strength in DESs improves reaction rates, it also increases viscosity, potentially impeding CO2 diffusion. This research offers valuable insights for developing efficient CO2 capture technologies, emphasizing the importance of optimizing thermal and compositional parameters.

Bio Jet Fuels Production from Lignocellulosic Biomass: Butyl Levulinate a Promising Molecule Towards the Development of Sustainable Aviation Fuels.

Doctorant·e: VASQUEZ SALCEDO WENEL NAUDY
Direction de thèse: LEVENEUR SEBASTIEN (Directeur·trice de thèse)
RENOU BRUNO (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 05/07/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance: Salle de Conférence CORIA - INSA Rouen
Rapporteurs de la thèse: BATTIN-LECLERC FREDERIQUE DIRECTEUR DE RECHERCHE Université de Lorraine
SCHUURMAN YVES DIRECTEUR DE RECHERCHE IRCELYON, Villeurbanne
Membres du jurys: BATTIN-LECLERC FREDERIQUE, DIRECTEUR DE RECHERCHE, Université de Lorraine
CABOT GILLES, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Rouen Normandie
DAYMA GUILLAUME, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité et Environnement (ICARE), Orléans
FAYET GUILLAUME, DOCTEUR, INERIS, Verneuil-en-Halatte
LEVENEUR SEBASTIEN, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, INSA de Rouen Normandie
RENOU BRUNO, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
SCHUURMAN YVES, DIRECTEUR DE RECHERCHE, IRCELYON, Villeurbanne

Résumé: Dans le contexte du secteur de l’aviation, qui pose des défis importants en raison de la complexité et des normes strictes en matière de carburant, notre proposition de recherche revêt une pertinence particulière. Nous visons à développer une approche intégrée qui valorise pleinement la biomasse lignocellulosique en carburéacteurs, contribuant ainsi au développement durable de la société. La biomasse lignocellulosique est une ressource renouvelable qui peut être utilisée comme matière première pour produire des matériaux et des produits chimiques de grande valeur, tels que le kérosène. Ce type de valorisation de la biomasse comprend de nombreuses étapes de transformation, pour lesquelles la cinétique et le risque thermique de la réaction chimique ne sont pas forcément connus. Ce travail se concentre sur un composé spécifique : le lévulinate de butyle (BL). Ce composé peut être obtenu à partir de la biomasse lignocellulosique et peut être transformé en gamma-valérolactone (GVL) par hydrogénation. Le GVL est une molécule de plateforme vitale qui peut servir de matière première pour produire des substituts aux combustibles fossiles comme l’essence, le diesel et les carburéacteurs. Les principaux objectifs de cette recherche sont les suivants : 1) Développer un modèle cinétique robuste et fiable pour l’hydrogénation BL afin de produire du GVL. Ici, nous cherchons à développer expérimentalement un modèle cinétique dans différents modes de fonctionnement thermiques, c’est-à-dire isotherme, isopéribolique et adiabatique. Ce type de modèle permet non seulement de prédire la cinétique et le débit de chaleur correspondant, mais aussi d’évaluer le risque thermique lié à la réaction chimique. Les expériences de développement de ce modèle cinétique ont été réalisées dans le réacteur calorimétrique Mettler-Toledo RC1. 2) La valorisation complète de la biomasse lignocellulosique vise l’échelle industrielle. Par conséquent, la production continue de GVL à partir de BL doit être évaluée. En ce sens, nous avons étudié la stabilité thermique de la production continue de GVL à partir de BL dans un réacteur CSTR (réacteur à cuve agitée continue). 3) L’un des aspects intrigants de notre recherche est l’utilisation potentielle du lévulinate de butyle (BL) comme additif pour carburants. Nous avons mené une évaluation approfondie de l’adéquation du BL en tant qu’additif de kérosène, dans le but de comprendre comment son ajout affecte le rendement de combustion et les limites de fonctionnement dans une chambre de combustion de turbine à gaz. Les résultats obtenus concernant le modèle cinétique ont montré que les modèles non compétitifs de Langmuir-Hinshelwood prédisent les données expérimentales de concentration et de température pour l’hydrogénation des BL avec une bonne précision. L’analyse du risque thermique, liée à l’hydrogénation BL, a montré que l’énergie libérée lors de la réaction est relativement faible, dH_{hyd}= -35.28 kJ/mol +/- 1.00 kJ/mol, et par la suite l’étude de stabilité thermique a montré que pour des valeurs de Ua > 1500\,W/m^3/K dans un réacteur continu, le risque d’instabilités thermiques est faible. L’évaluation du BL en tant qu’additif de kérosène a montré que l’ajout de 20 % de BL dans le kérosène ne modifie pas de manière significative les propriétés physiques, ni l’efficacité de la combustion, ni les limites de fonctionnement dans les conditions de fonctionnement prises en compte lors de l’évaluation de la combustion.
Abstract: In the context of the aviation sector, which poses significant challenges due to the complexity and stringent standards of fuel, our research proposal gains particular relevance. We aim to develop an integrated approach that fully valorizes lignocellulosic biomass into jet fuels, thereby contributing to the sustainable development of society. Lignocellulosic biomass is a renewable resource that can be used as feedstock to produce high-value materials and chemicals, such as jet fuel. This type of biomass valorization includes many transformation steps, for which the kinetics and the thermal risk of the chemical reaction are not necessarily known. This work focuses on a specific compound: butyl levulinate (BL). This compound can be obtained from lignocellulosic biomass and can be transformed into gamma-valerolactone (GVL) via hydrogenation. The GVL is a vital platform molecule that can serve as a feedstock to produce substitutes for fossil fuels like gasoline, diesel, and jet fuels. The main objectives of this research are: 1) To develop a robust and reliable kinetic model for BL hydrogenation to produce GVL. Here, we seek to develop a kinetic model experimentally in different thermal modes of operation, i.e., isothermal, isoperibolic, and adiabatic. This model type not only predicts kinetics and the corresponding heat-flow rate but also allows the assessment of the thermal risk related to the chemical reaction. The experiments for developing this kinetic model were performed in the calorimeter reactor Mettler-Toledo RC1. 2) The complete valorization of lignocellulosic biomass targets the industrial scale. Therefore, the continuous production of GVL from BL should be assessed. In that sense, we studied the thermal stability of the continuous production of GVL from BL in a CSTR reactor (continuous stirred tank reactor). 3) One of the intriguing aspects of our research is the potential use of butyl levulinate (BL) as a fuels additive. We have conducted a thorough assessment of the suitability of BL as a kerosene additive, aiming to understand how its addition affects the combustion efficiency and operating limits in a gas turbine combustion chamber. The results obtained concerning the kinetic model showed that the Non-Competitive Langmuir-Hinshelwood models predict the experimental data of concentration and temperature for BL hydrogenation with good accuracy. The thermal risk analysis, linked to BL hydrogenation, showed that the energy released during the reaction is relatively low, dH_{hyd}= -35.28 kJ/mol +/- 1.00 kJ/mol, and subsequently the thermal stability study showed that for values of Ua > 1500 W/m^3/K$ in a continuous reactor, the risk of thermal instabilities is low. The evaluation of BL as a kerosene additive showed that adding up to 20% of BL into Kerosene does not significantly change the physical properties, neither the combustion efficiency nor the operating limits in the operating conditions considered during the combustion assessment.

Transition dans les couches limites supersoniques: simulations numériques directes et contrôle par stries

Doctorant·e: CELEP MUHITTIN
Direction de thèse: HADJADJ ABDELLAH (Directeur·trice de thèse)
SAFDARI SHADLOO HUGO (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 01/07/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance: Salle de conférence du CORIA, Avenue de l'Université, 76801 Saint-Étienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse: CHAZOT OLIVIER PROFESSEUR Institut von Karman de dynamique des fluides
LEHNASCH GUILLAUME MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR École Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique
Membres du jurys: CHAZOT OLIVIER, PROFESSEUR, Institut von Karman de dynamique des fluides
HADJADJ ABDELLAH, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
LEHNASCH GUILLAUME, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, École Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique
SAFDARI SHADLOO HUGO, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, INSA de Rouen Normandie
SAYADI TARANEH, CHARGE DE RECHERCHE, Institut Jean Le Rond d'Alembert
VERVISCH LUC, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie

Résumé: Dans les écoulements à haute vitesse, une traînée visqueuse élevée et des charges thermiques importantes sont des conséquences inhérentes sur les corps aérodynamiques. Ces effets augmentent de manière significative pendant la phase de transition lorsque la couche limite devient turbulente. Afin de réduire les risques de dommages mécaniques et de défaillances liées à la fatigue, des systèmes de protection thermique sont intégrés aux véhicules, ajoutant de la complexité aux aspects techniques et économiques de la conception. La solution réside dans l’acquisition d’une compréhension approfondie des mécanismes de transition et le développement de systèmes de contrôle pour prolonger la couche limite laminaire le long de la surface du véhicule. De nombreuses techniques de contrôle actives et passives peuvent être utilisées pour le contrôle de la transition, parmi lesquelles la méthode de l’emploi de stries émerge comme une approche particulièrement prometteuse. Cette méthode consiste à générer des stries étroitement espacées dans la direction de l’envergure, créant des zones alternées de haute et basse vitesse dans le champ d’écoulement. Bien que la méthode ait été testée récemment dans des écoulements supersoniques, démontrant son efficacité pour retarder la transition, sa pertinence doit être évaluée plus avant. Dans ce travail de recherche, des cas de DNS sont réalisés dans des régimes supersoniques et près-hypersoniques. Les stries sont introduites à l’aide d’une bande de soufflage/aspiration placée sur la paroi avant celle de la perturbation qui est utilisée pour déclencher la transition de manière “contrôlée”, forcée par une perturbation à une seule fréquence et longueur d’onde. L’enquête à Mach 2.0 confirme que les stries avec cinq fois la longueur d’onde fondamentale sont les plus bénéfiques pour le contrôle de la transition. De plus, le refroidissement améliore l’efficacité de la méthode, tandis que le chauffage détériore considérablement la capacité de contrôle des stries. La condition murale isotherme n’altère pas l’impact stabilisateur comparable de la déformation du flux moyen (DFM) et de la partie 3D du contrôle à Mach 2.0. Cependant, à Mach 4.5, tant le type d’instabilité que les caractéristiques des stries changent de manière significative. L’impact stabilisateur de la DFM devient presque absent, et la partie 3D du contrôle prédomine, les caractéristiques des stries n’étant plus considérées comme indépendantes de leur amplitude de perturbation initiale.
Abstract: In high-speed flows, elevated viscous drag and thermal loads are inherent outcomes over aerodynamic bodies. These effects escalate substantially during the transition phase when the boundary layer becomes turbulent. To mitigate potential mechanical damage and fatigue-related failures, thermal protection systems are integrated into vehicles, adding complexity to the technical and economic aspects of design. The solution lies in gaining a comprehensive understanding of transition mechanisms and developing control systems to prolong laminar boundary layer along the vehicle’s surface. Numerous active and passive control techniques can be employed for transition control, with the streak employment method emerging as a particularly promising approach. This method involves generating narrowly spaced streaks in the spanwise direction, creating alternating high and low-speed regions in the flow field. Although the method has only recently been tested in supersonic flows, demonstrating its effectiveness in delaying transition, its suitability needs to be assessed further. In this research work, direct numerical simulations are performed in supersonic and near-hypersonic regimes. Streaks are introduced through a blowing/suction strip placed at the wall prior to that of the perturbation which is used to trigger transition in a “controlled” fashion, forced by a single frequency and wavenumber disturbance. The investigation at Mach 2.0 confirms that streaks with five times the fundamental wavenumber are most beneficial for transition control. Additionally, cooling enhances the method’s effectiveness, while heating severely deteriorates the capability of control streaks. The isothermal wall condition does not alter the comparable stabilizing impact of the mean flow deformation (MFD) and the 3-D part of the control at Mach 2.0. However, at Mach 4.5, both the type of instability and the characteristics of the streaks change significantly. The stabilizing impact of the MFD becomes nearly absent, and the 3-D part of the control predominates, with the characteristics of the streaks no longer considered independent of their initial disturbance amplitude.

Influence de l'austénite et des impuretés sur le vieillissement thermique de la ferrite des aciers inoxydables austéno-ferritiques

Doctorant·e: RENAUX Jeoffrey
Direction de thèse: PAREIGE CRISTELLE (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 19/06/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance: GPM
Rapporteurs de la thèse: ALLAIN SEBASTIEN Professeur des Universités Université de Lorraine
SIMEONE DAVID Directeur de Recherche UNIVERSITE PARIS-SACLAY
Membres du jurys: ALLAIN SEBASTIEN, Professeur des Universités, Université de Lorraine
BECQUART CHARLOTTE, Professeur des Universités, UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
JOUEN SAMUEL, Maître de Conférences, Université de Rouen Normandie
PAREIGE CRISTELLE, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie
SAILLET SÉBASTIEN, Ingénieur de Recherche,
SIMEONE DAVID, Directeur de Recherche, UNIVERSITE PARIS-SACLAY

Résumé: Les aciers austéno-ferritiques utilisés dans la conception de diverses pièces moulées (valves, corps de pompe, etc.) du circuit primaire principal des centrales nucléaires de 2ème génération présentent une évolution de leurs propriétés mécaniques aux températures de service comprises entre 285 °C et 325 °C. Ces alliages biphasés, qui combinent la ferrite et l’austénite, vont présenter un durcissement microstructural qui se produit au sein de la ferrite. Ce durcissement est lié à deux transformations de phases comprenant, d’une part, la décomposition spinodale en une phase α riche en Fe et une phase α’ riche en Cr, et d’autre part, la formation de phase G riche en éléments d’alliage Ni, Si, Mn, Mo. Alors que les aciers austéno ferritiques contenant du Mo présentent un durcissement plus important que les aciers sans Mo, l’observation d’un acier purement ferritique contenant du Mo présentait, au contraire, un durcissement moins important en raison de l'absence de précipitation de la phase G. Cette étude avait pour objectif de comprendre l’influence de l’austénite sur le vieillissement de la ferrite, qui était l’hypothèse principale avancée, pour expliquer la raison du durcissement moins important de l’acier purement ferritique. Pour parvenir à confronter cette hypothèse, l’utilisation d’une méthode électrochimique a permis la dissolution sélective de l’austénite pour obtenir une ferrite sans austénite, de même composition, morphologie et histoire thermo-mécanique que la ferrite avec austénite. L’étude par sonde atomique tomographique de l’évolution microstructurale de ces deux ferrites, ainsi que celle d’un acier purement ferritique pour une condition de vieillissement de 1 000 h à 400 °C, a permis l’étude et la compréhension des points suivant : - Les résultats ont montré que la présence d'austénite induit des contraintes résiduelles de compression sur la ferrite, qui ne sont pas la cause du vieillissement plus rapide des aciers austéno-ferritiques, puisqu’aucune différence significative de microstructure n’était observable entre les ferrites avec et sans austénite. - La caractérisation de l’effet du gradient de composition Cr/Ni à proximité des interfaces α/γ sur l’évolution microstructurale de la ferrite a été réalisée. L’évolution des concentrations en Cr et Ni vers les interfaces α/γ n’impacte pas la décomposition spinodale mais affecte la formation de la phase G, avec comme principal effet une forte diminution de la densité de nanoparticules vers les interfaces α/γ. - Les contraintes résiduelles étant hors de cause, l’hypothèse d’un effet de la composition chimique a été envisagé. Ainsi, les résultats ont montré que la densité numérique des particules de phase G est fortement corrélée à la concentration en impuretés de la ferrite. L’absence d’impuretés dans l’alliage ferritique semble expliquer l’absence de nanoparticules de phase G aux interdomaines α/α’ et donc le vieillissement moindre de l'alliage ferritique.
Abstract: Austeno-ferritic steels used in the design of various cast components (valves, pump bodies, etc.) in the primary circuit of second-generation nuclear power plants exhibit changes in their mechanical properties at service temperatures between 285°C and 325°C. These two-phase alloys, which combine ferrite and austenite, exhibit a microstructural hardening that occurs within the ferrite. This hardening is associated with two phase transformations, including, firstly, spinodal decomposition into an α phase rich in Fe and an α' phase rich in Cr, and secondly, the formation of a G phase rich in alloying elements Ni, Si, Mn, Mo. While austeno-ferritic steels containing Mo present a greater hardening than steels without Mo, the observation of a purely ferritic steel containing Mo, on the contrary, showed less hardening due to the absence of G phase precipitation. The aim of this study was to understand the influence of austenite on the aging of ferrite, which was the main hypothesis put forward to explain the reason for the lesser hardening of purely ferritic steel. To confront this hypothesis, the use of an electrochemical method allowed for the selective dissolution of austenite to obtain austenite-free ferrite, with the same composition, morphology, and thermo-mechanical history as the ferrite with austenite. The study by atom probe tomography of the microstructural evolution of these two ferrites, as well as that of a purely ferritic steel under aging conditions of 1,000 hours at 400°C, allowed for the investigation and understanding of the following points: - The results showed that the presence of austenite induces residual compressive stresses on the ferrite, which are not the cause of the enhanced aging of austeno-ferritic steels, as no significant difference in microstructure was observable between ferrites with and without austenite. - The characterization of the effect of the Cr/Ni composition gradient near the α/γ interfaces on the microstructural evolution of ferrite was conducted. The evolution of Cr and Ni concentrations towards the α/γ interfaces does not impact the spinodal decomposition but affects the formation of the G phase, with the main effect being a significant decrease in nanoparticle density towards the α/γ interfaces. - As residual stresses are not the cause of the difference in aging between purely ferritic and austeno-ferritic steels, the hypothesis of a chemical composition effect was considered. The results showed that the number density of G phase particles is strongly correlated with the impurity concentration in the ferrite. The absence of impurities in the ferritic alloy appears to explain the absence of G phase nanoparticles at the α/α’ interdomains and thus the lesser aging of the ferritic alloy.

Etude de l'utilisation d'anas de lin pour réduire les effets de la dessication et de la fissuration dus aux retraits des bétons horizontaux au jeune âge

Doctorant·e: DELESTRE Benjamin
Direction de thèse: BOUTOUIL MOHAMED (Directeur·trice de thèse)
BOUDART Bertrand (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 17/06/2024 à 14:30
Lieu de la soutenance: Amphi NOE
Rapporteurs de la thèse: KAMALI-BERNARD SIHAM Maître de conférences HDR INSA de Rennes
MARCEAU SANDRINE Chercheur HDR Université Gustave Eiffel
Membres du jurys: BOUDART Bertrand, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
BOUTOUIL MOHAMED, Directeur de recherche, BUILDERS ECOLE D'INGENIEURS CAEN
KAMALI-BERNARD SIHAM, Maître de conférences HDR, INSA de Rennes
KHADRAOUI-MEHIR FOUZIA, Chercheur HDR, BUILDERS ECOLE D'INGENIEURS CAEN
MARCEAU SANDRINE, Chercheur HDR, Université Gustave Eiffel
PAGE JONATHAN, Maître de conférences, IUT - BETHUNE - ARTOIS

Résumé: Cette thèse se penche sur l'utilisation innovante des anas de lin comme addition pour le béton dans le secteur de la construction, avec un accent particulier sur l'amélioration de la réduction de la fissuration superficielle des ouvrages horizontaux soumis à de fortes évaporations. Au cœur de ce travail de recherche se trouve l'analyse des propriétés physiques et écologiques des anas de lin, un coproduit de l'industrie du lin, principalement produit dans le quart nord-ouest de la France ainsi qu'en Belgique et aux Pays-Bas. L'intérêt pour les anas de lin réside dans leur potentiel à offrir une alternative durable et performante aux composants traditionnels du béton, en contribuant à la réduction des phénomènes de dessiccation et de fissuration, des problématiques majeures pour la qualité et la durabilité des ouvrages produits en béton. L'étude s'inscrit dans le contexte d'une collaboration CIFRE entre Builders Ecole d’Ingénieurs, l’Université de Caen et VINCI Construction, un leader mondial du secteur, mettant en lumière une démarche d'innovation ouverte et de recherche appliquée Les résultats démontrent que l'intégration des anas de lin dans le béton contribue significativement à la réduction de la fissuration et du retrait, sans compromettre les propriétés mécaniques essentielles telles que la résistance à la compression. Néanmoins, l'ajout d'anas de lin au béton révèle également des défis, notamment en termes d'ajustement des formulations pour maintenir une consistance adéquate et de gestion optimale de l'hydratation et du retrait. L'étude met en évidence que les avantages des anas de lin, intégrés à hauteur de 4 kg/m3 de béton, sont principalement mécaniques, agissant comme un renfort qui limite l'ouverture des fissures, plutôt que par une modification substantielle des processus d'hydratation et de retrait exogène. La conclusion de cette thèse marque une avancée dans la recherche de matériaux de construction durables et met en lumière le potentiel de valorisation des anas de lin pour améliorer la performance et l'impact environnemental des ouvrages en béton.
Abstract: This thesis focuses on the innovative use of flax shives as an additive for concrete in the construction sector, with a particular emphasis on improving the reduction of surface cracking in horizontal structures subjected to high evaporation. At the core of this research is the analysis of the physical and ecological properties of flax shives, a by-product of the flax industry, primarily produced in the north-western quarter of France as well as in Belgium and the Netherlands. The interest in flax shives lies in their potential to offer a sustainable and effective alternative to traditional concrete components, contributing to the reduction of drying shrinkage and cracking, major issues for the quality and durability of concrete structures. The study is part of a CIFRE collaboration between Builders Ecole d’Ingénieurs, the University of Caen, and VINCI Construction, a global leader in the sector, highlighting an approach of open innovation and applied research. The results demonstrate that the incorporation of flax shives in concrete significantly contributes to the reduction of cracking and shrinkage, without compromising essential mechanical properties such as compressive strength. However, the addition of flax shives to concrete also reveals challenges, particularly in terms of adjusting formulations to maintain adequate consistency and optimal management of hydration and shrinkage. The study highlights that the benefits of flax shives, integrated at a rate of 4 kg/m3 of concrete, are primarily mechanical, acting as a reinforcement that limits crack opening, rather than through substantial modification of hydration and shrinkage processes. The conclusion of this thesis marks a step forward in the research of sustainable construction materials and highlights the potential for valorizing flax shives to improve the performance and environmental impact of concrete structures.

Study and analysis of Soot Filter Regeneration by using the Lattice Boltzmann Method

Doctorant·e: STOCKINGER CLAUDIUS
Direction de thèse: SAFDARI SHADLOO HUGO (Directeur·trice de thèse)
HADJADJ ABDELLAH (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 14/06/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance: CORIA Salle de conférence avenue de l'université 76801 Saint-Etienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse: CHINNAYYA ASHWIN PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS ENSMA
HOOMAN KAMEL PROFESSEUR TU Delft
Membres du jurys: CHINNAYYA ASHWIN, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, ENSMA
DOMINGO PASCALE, DIRECTEUR DE RECHERCHE DU CNRS, INSA de Rouen Normandie
HADJADJ ABDELLAH, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
HOOMAN KAMEL, PROFESSEUR, TU Delft
LATT JONAS, ASSOCIATE PROFESSOR, Université de Genève
NIEKEN ULRICH, PROFESSEUR, University of Stuttgart
SAFDARI SHADLOO HUGO, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, INSA de Rouen Normandie

Résumé: La maîtrise des émissions de noir de carbone est une tâche importante dans de nombreux domaines d'application, le secteur des transports étant l'un des domaines les plus importants. Les moteurs diesel, encore largement utilisés dans le monde entier, sont l'une des principales sources d'émissions anthropiques de noir de carbone. Afin de contrer l'effet néfaste du noir de carbone sur la santé humaine, le traitement des gaz d'échappement est au centre de la recherche depuis de nombreuses décennies. Les filtres à suie de pointe utilisent une structure en nid d'abeille en céramique, agissant comme des filtres à flux mur. Ces filtres nécessitent une régénération périodique une fois qu'une contre-pression de filtre critique est atteinte. La régénération est effectuée soit sous forme de régénération active à des températures élevées (>600 °C), soit en continu, sous forme de régénération passive à des températures à partir de 300 °C. La température nécessaire des gaz d'échappement pour la régénération active entraîne une pénalité en carburant, rendant le contrôle précis du processus de régénération impératif. Des travaux antérieurs ont suggéré que la morphologie mésoscopique de la suie et son évolution pendant la combustion de la suie influencent la réactivité, affectant ainsi le processus de régénération. Par conséquent, le contrôle du système de régénération nécessite une connaissance précise des phénomènes physiques et chimiques en jeu, nécessitant des simulations du processus de régénération. Dans cette thèse, un cadre de simulation pour modéliser l'écoulement de gaz, composé des différentes espèces réactives, en tenant compte des interactions solide-gaz, est créé. De plus, le transfert de chaleur conjugué, les réactions hétérogènes et la libération de chaleur de réaction à l'interface entre les phases solide et gazeuse sont traités. À cette fin, la méthode de Boltzmann sur réseau (LBM), en raison de sa nature mésoscopique, est choisie comme un excellent outil pour modéliser la combustion hétérogène à l'échelle des pores. Dans cette thèse, un cadre LBM est créé et des méthodes appropriées pour modéliser la combustion de la suie sont choisies et largement validées. Une procédure d'utilisation des données de microscopie électronique à balayage par faisceau ionique focalisé (FIB-SEM) de véritables échantillons de suie pour la simulation de combustion est mise en œuvre. De plus, les régimes de combustion sont analysés en fonction de la variation du nombre de Péclet, du nombre de Damköhler et de la fraction molaire d'oxygène dans le flux gazeux d'entrée. Des simulations avec des géométries de suie réalistes sont réalisées et les résultats sont comparés avec des résultats expérimentaux. Il est constaté que l'évolution de la surface réactive spécifique, telle que reçue des simulations LBM, n'est pas comparable aux résultats expérimentaux. L'analyse par microscopie électronique à transmission (TEM) et les spectres Raman de la suie avant et après les expériences de combustion ont révélé que la combustion affecte les particules primaires à l'échelle nanométrique. Pour cette raison, un modèle séparé pour décrire les particules primaires hétérogènes et leur combustion a été créé. Ensuite, les premières simulations avec couplage d'échelle ont été menées, en reliant les simulations LBM mésoscopiques avec la conception des particules primaires à l'échelle nanométrique. Il est démontré qu'une augmentation plus réaliste de la surface spécifique peut être obtenue dans les simulations en couplant le modèle LBM mésoscopique avec un modèle de particules primaires à l'échelle nanométrique.
Abstract: The control of the emission of carbon black is an important task in many fields of application, with the transport sector being one of the most important domains. Diesel engines, still being extensively used worldwide, are one of the main contributors to the anthropogenic emission of carbon black. In order to counteract the detrimental effect of carbon black on human health, exhaust gas treatment has been the focal point of research for many decades. State of the art soot filters use a ceramic honey-comb structure, acting as wall flow filters. These filters require periodic regeneration once a critical filter back-pressure is reached. Regeneration is conduced either as active regeneration at elevated temperatures (>600 °C) or continuously, as passive regeneration at temperatures starting from 300 °C. The necessary exhaust gas temperature of active regeneration results in a fuel penalty, making the precise control of the regeneration process imperative. Previous works suggested that the mesoscopic morphology of soot and its evolution during soot combustion influence the reactivity, thus affecting the regeneration process. Hence, the control of the regeneration system requires precise knowledge of the physical and chemical phenomena at hand, necessitating simulations of the regeneration process. In this thesis, a simulation framework to model gas flow, consisting of the different reactive species, taking into account solid-gas interactions, is created. Furthermore, conjugate heat transfer, heterogeneous reactions and the release of reaction heat at the interface between the solid and gas phases is treated. For this purpose, the lattice Boltzmann method (LBM), due to its mesoscopic nature, is chosen as an excellent tool to model the heterogeneous combustion on the pore scale. Within this thesis, a LBM framework is created and appropriate methods to model soot combustion are chosen and extensively validated. A procedure to use focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) data of realistic soot samples for the combustion simulation is implemented. Furthermore, the combustion regimes are analysed based on variation of Péclet number, Damköhler number, and oxygen mass fraction in the inlet gas stream. Simulations with realistic soot geometries are performed and the results are compared with experimental results. It is found that the evolution of the specific reactive surface, as received from LBM simulations, is not comparable to the experimental results. Transmission electron microscopy (TEM) analysis and Raman spectra of the soot before and after combustion experiments revealed that combustion affects the primary particles on the nano-scale. For this reason, a separate model to describe the heterogeneous primary particles and their combustion was created. Subsequently, first simulations with scale-coupling were conducted, by connecting the mesoscopic LBM simulations with the primary particle design on the nano-scale. It is shown that a more realistic increase in specific surface could be achieved in simulations by coupling the mesoscopic LBM model with a nano-scale primary particle model.

Etablissement d'un modèle théorique pour la collecte des aérosols par les gouttes de pluie : modélisation explicite du flux de Stefan et de la contribution de la diffusiophorèse

Doctorant·e: REYES Emmanuel
Direction de thèse: REVEILLON JULIEN (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 13/06/2024 à 09:30
Lieu de la soutenance: Salle de conférence UMR 6614 CORIA
Rapporteurs de la thèse: RIMBERT NICOLAS Professeur des Universités Université de Lorraine
TANGUY SÉBASTIEN Maître de Conférences Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
Membres du jurys: BELUT EMMANUEL, Ingénieur de Recherche,
LEMAITRE PASCAL, Ingénieur de Recherche, Commissariat A l'Energie Atomique et Aux Energies Alternatives
MENARD THIBAUT, Maître de Conférences, Université de Rouen Normandie
REVEILLON JULIEN, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie
RIMBERT NICOLAS, Professeur des Universités, Université de Lorraine
TANGUY SÉBASTIEN, Maître de Conférences, Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
TANIÈRE ANNE, Professeur des Universités, Université de Lorraine
VINCENT STEPHANE, Professeur des Universités, UNIVERSITE MARNE LA VALLEE UNIV PARIS EST MARNE LA VALLEE

Résumé: La compréhension actuelle des interactions entre les gouttes et les particules est étudiée de deux manières, à travers des expériences et des simulations numériques. Dans le cas de ces derniers, il existe actuellement des limitations dans lesquelles sont étudiées les tailles de gouttes qui maintiennent parfaitement la sphéricité, et les gouttes qui présentent des déformations sont étudiées à travers des expériences, cependant ces résultats peuvent présenter des incertitudes dans les mesures. Il est donc nécessaire de mettre au point de nouvelles méthodes capables de saisir avec précision le comportement complexe des gouttes déformables et leurs interactions avec les particules. Dans cette étude, nous souhaitons contribuer à cet effort en étudiant la dynamique des gouttes d'eau sous différents nombres de Reynolds et en analysant leur interaction avec les particules d'aérosol. Pour ce faire, une approche eulérienne pour simuler les écoulements internes et externes de la goutte est couplée à une approche lagrangienne pour simuler le transport des aérosols. Les écoulements sont simulés par simulation numérique directe (DNS), en résolvant numériquement les équations incompressibles de Navier-Stokes. La dynamique de l'interface liquide/gaz est suivie avec un couplage des méthodes Volume of Fluid (VOF) et Level Set (Vaudor et al., 2017). Le transport des aérosols est simulé en appliquant la deuxième loi de Newton, en tenant compte de la force de traînée et du mouvement brownien (Mohaupt et al. 2011). Nous montrons que cette approche, appliquée à des gouttes ne présentant pas d'oscillation, permet de retrouver les efficacités de collecte publiées dans la littérature. L'approche est ensuite appliquée à des gouttes présentant des oscillations, et les efficacités de collecte correspondantes sont obtenues, puis comparées aux résultats expérimentaux de Quérel (2014).
Abstract: The current understanding of droplet-particle interactions is studied in two ways, through experiments and through numerical simulations. In the case of the latter, there are currently limitations to study drop sizes where perfectly sphericity is maintained, and drops that present deformations are studied through experiences, however these results may present uncertainties in the measurements. Therefore, there is a need for new methods that can accurately capture the complex behavior of deformable droplets and their interactions with particles. In this study, we aim to contribute to this effort by investigating the dynamics of water droplets under different Reynolds numbers and analyzing their interaction with aerosol particles. To do so, an Eulerian approach to simulate the internal and external flows of the drop is coupled with a Lagrangian approach to simulate the transport of aerosols. The flows are simulated with Direct Numerical Simulation (DNS), by numerically solving the incompressible Navier-Stokes equations. The dynamics of the liquid/gas interface is tracked with a coupling of the Volume of Fluid (VOF) and Level Set methods (Vaudor et al. 2017). Aerosol transport is simulated by applying Newton's second law, considering drag force and Brownian motion (Mohaupt et al. 2011). We show that this approach, applied to drops presenting no oscillation, allows retrieving collection efficiencies published in the literature. The approach is then applied to drops presenting oscillations, and corresponding collection efficiency are obtained, which are then compared to the experimental findings of Quérel et al (2014).

Speed : système de production d'éléments exotiques déficients en neutrons

Doctorant·e: BOSQUET Vincent
Direction de thèse: JARDIN PASCAL (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 13/06/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance: LPC CAEN, 6 Bvd du maréchal Juin, 14050 CAEN cedex 4
Rapporteurs de la thèse: CHARTIER MARIELLE Professeur University of LIVERPOOL
GREVY STEPHANE Directeur de recherche au CNRS Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux
Membres du jurys: CHARTIER MARIELLE, Professeur , University of LIVERPOOL
FLECHARD Xavier, Directeur de recherche au CNRS, Université de Caen Normandie
GREVY STEPHANE, Directeur de recherche au CNRS, Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux
JARDIN PASCAL, Directeur de recherche au CNRS, 14 GANIL de CAEN
POPESCU LUCIA, Chercheur HDR, SCK/CEN

Résumé: L'installation GANIL/SPIRAL1 produit des faisceaux d'ions radioactifs avec la méthode ISOL. Ce travail de thèse se concentre sur le développement et l'amélioration de plusieurs ECSs (Ensemble Cible Source), dans le but d'augmenter la variété et l'intensité des faisceaux d’ions radioactifs disponibles. La première partie de ce mémoire présente les améliorations apportées à l’ECS FEBIAD, qui présentait des problèmes d'efficacité d'ionisation et de fiabilité. À l’aide d’une série de tests expérimentaux, la source du problème a été identifiée et résolue, ce qui a permis d'obtenir une efficacité d'ionisation de l'Ar+ de 20 % et plus de 60 nouveaux faisceaux d’ions radioactifs disponibles à SPIRAL1. La deuxième et principale partie de ce travail se déroule dans le cadre du projet TULIP. Le premier jalon de ce projet, qui consiste en la production de faisceaux de Rb+ déficients en neutrons à l'aide d'une source d'ionisation de surface, a été réalisé et présenté dans cette thèse. L'objectif final est la production de faisceaux d’ions déficients en neutrons dans la région de 100Sn, ce qui nécessite d'adapter le processus d'ionisation à l'ionisation par impact électronique. Par conséquent, une nouvelle source d'ions a été développée. Une simulation numérique et une modélisation analytique ont été développées pour concevoir la source. Enfin, un prototype à température ambiante a été conçu, construit et testé. Ce prototype a été utilisé pour mesurer l'efficacité d'ionisation et le temps de réponse de l'ECS. Les résultats ont été utilisés pour extrapoler l'efficacité d'ionisation à l’ECS haute température, atteignant 5 % d'efficacité pour l'étain.
Abstract: The GANIL/SPIRAL1 facility produces Radioactive Ion Beams (RIB) using the ISOL method. This thesis work focuses on the improvement and development of several Target and Ion Source System (TISS), with the aim of increasing the available RIB variety and intensity. The first part of this memoir presents the improvements made on the FEBIAD TISS, which had poor ionization efficiency and reliability issues. Using a series of experimental tests, the source of the problem has been identified and fixed, resulting in an Ar+ ionization efficiency of 20% and over 60 new RIBs available at SPIRAL1. The second and main part of this work takes place within the frame of the TULIP project. The first milestone of this project – producing neutron-deficient Rb+ RIBs using a surface ionization ion source – has been completed and presented in this thesis. The final goal is the production of neutron-deficient RIBs in the region of 100Sn, which requires adapting the ionization process to electron impact ionization. Consequently, a new ion source has been developed. Simulation and analytical modeling were used to design the source. Finally, a room temperature prototype was designed, built, and tested. This prototype was used to measure ionization efficiency and the time response of the TISS. The results were used to extrapolate the ionization efficiency to the high-temperature TISS, achieving 5% efficiency for tin.

Rôle des parcs éoliens sur la dispersion larvaire d'espèces benthiques en baie de Seine étendue

Doctorant·e: SAHNOUN Souha
Direction de thèse: BENNIS Anne-Claire (Directeur·trice de thèse)
DAUVIN Jean-Claude (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 07/06/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance: M2C Caen
Rapporteurs de la thèse: SCHOEFS FRANCK Professeur des universités Université Nantes
SENTCHEV ALEXEI Professeur des universités ULCO - UNIVERSITE DU LITTORAL COTE D'OPALE
Membres du jurys: ALEKSEENKO ELENA, Maître de conférences, ULCO - UNIVERSITE DU LITTORAL COTE D'OPALE
BENNIS Anne-Claire, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
BOUTET Martial, Ingénieur de recherche au CNRS, CNRS
DAUVIN JEAN-CLAUDE, Professeur émérite, Université de Caen Normandie
GUIZIEN KATELL, Directeur de recherche, Sorbonne Université
SCHOEFS FRANCK, Professeur des universités, Université Nantes
SENTCHEV ALEXEI, Professeur des universités, ULCO - UNIVERSITE DU LITTORAL COTE D'OPALE

Résumé: Les études antérieurs ont montré l’impact notable des parcs éoliens en mer sur l’environnement local et potentiellement régional. En effet, les fondations des éoliennes fonctionnent comme des habitats artificiel pour une diversité d’espèces bentho-pélagiques, créant ainsi un écosystème récif. De plus, l’environnement hydro-sédimentaire à proximité des fondations se trouve modifié avec l’introduction d’effets d’abri, de sillage turbulent, d’affouillement et de rides par exemple. Cette étude se concentre sur l’investigation des effets hydrodynamiques des parcs sur la dispersion larvaire dans la baie de Seine étendue. Les impacts des parcs sur la dispersion des espèces naturelles (i.e. moule et crabe tourteau) et introduites (i.e. huître japonaise et crabe sanguin) sont étudiés par une approche couplée physique-biologie, basée sur la modélisation numérique. L’échelle locale autour d’une fondation ou d’un ensemble de fondations puis à l’échelle régionale de la baie de Seine étendue (de la frontière maritime franco-britannique aux Hauts-de-France) incluant les parcs éoliens de Courseulles-sur-Mer et de Fécamp ont été étudiés. À cette échelle, les effets hydrodynamiques des fondations varient en fonction de leur type et de leur disposition spatiale. Les simulations de dispersion mettent en évidence une sensibilité notable à la géométrie de la fondation et à l’angle du courant incident par rapport à celle-ci. À l’échelle régionale, les simulations ont mis en lumière le rôle potentiel en tant que points de relais pour les espèces. La dispersion des larves libérées depuis les parcs éoliens ont également montré une connectivité entre les parcs eux-mêmes et les côtes de la baie de Seine étendue. Pour améliorer la prise en compte de la réalité physique et biologique dans les simulations, une intégration de paramètres biologiques réalistes est bénéfique, ainsi qu’une considération des effets cumulés des multiples structures présentes dans les parcs éoliens en mer.
Abstract: Previous studies have shown the notable impact of Offshore Wind Farms (OWFs) on the local and potentially regional environment. Indeed, the foundations of wind turbines serve as artificial habitats for a variety of benthopelagic species, thus creating a reef ecosystem. Additionally, the hydro-sedimentary environment near the foundations is altered with the introduction of sheltering effects, turbulent wake, scouring, and ridges, for example. This study focuses on investigating the hydrodynamic effects of the parks on larval dispersion in the extended Seine Bay. The impacts of the parks on the dispersion of both natural species (e.g., mussels and European green crabs) and introduced species (e.g., Japanese oysters and Asian shore crabs) are studied through a coupled physical-biological approach based on numerical modeling. The local scale around a single foundation or a cluster of foundations and then the regional scale of the extended Seine Bay (from the Franco-British maritime border to Hauts-de-France), including OWF of Courseulles-sur-Mer and Fécamp, have been examined. At this scale, the hydrodynamic effects of the foundations vary depending on their type and spatial arrangement. Dispersion simulations highlight a notable sensitivity to foundation geometry and the angle of incident current relative to it. At the regional scale, simulations have underscored their potential role as relay points for species. Larval dispersal from the wind farms has also shown connectivity between the parks themselves and the shores of the extended Seine Bay. To enhance the consideration of physical and biological realities in simulations, the integration of realistic biological parameters is beneficial, as well as considering the cumulative effects of multiple structures within offshore wind farms.

Disaster Modelling and Emergency Facilities Location under Uncertainties: A case study of the Moroccan Relief Supply Chain

Doctorant·e: RAILLANI HAJAR
Direction de thèse: EL BALLOUTI ABDESSAMAD (Directeur·trice de thèse)
SOUZA DE CURSI EDUARDO (Directeur·trice de thèse)
BARBU VLAD STEFAN (Co-directeur·trice de thèse)
HAMMADI LAMIA (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 06/06/2024 à 15:00
Lieu de la soutenance: Amphithéâtre CED, Faculté des Sciences d'El Jadida, Maroc
Rapporteurs de la thèse: COSTA AFFONSO ROBERTA PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS ISAE-SUPMECA, CY Cergy Paris Université
ELFEZAZI SAID PROFESSEUR Ecole Supérieure de Technologie Safi, Maroc
Membres du jurys: BARBU VLAD STEFAN, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, Université de Rouen Normandie
COSTA AFFONSO ROBERTA, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, ISAE-SUPMECA, CY Cergy Paris Université
EL BALLOUTI ABDESSAMAD, PROFESSEUR, Université Chouaib Doukkali, Maroc
ELFEZAZI SAID, PROFESSEUR, Ecole Supérieure de Technologie Safi, Maroc
HAMMADI LAMIA, PROFESSEUR, Université Chouaib Doukkali, Maroc
HILAL RACHID, PROFESSEUR, Université Chouaib Doukkali
MOKHLIS AHMED, PROFESSEUR, Ecole Supérieure de Technologie, Safi
SOUZA DE CURSI EDUARDO, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie

Résumé: La modélisation des catastrophes et la localisation des installations sont des aspects essentiels de la gestion des catastrophes qui contribuent à améliorer l’efficacité et l’efficience des chaînes d’approvisionnement des secours. Cependant, les incertitudes inhérentes aux catastrophes et aux chaînes d’approvisionnement des secours peuvent avoir un impact significatif sur l’efficacité de ces modèles. Pour relever ce défi, la thèse propose l'utilisation de modèles basés sur la quantification de l'incertitude et de modèles basés sur Markov caché pour la modélisation des catastrophes dans le contexte de la chaîne d'approvisionnement des secours marocains. La thèse commence par conceptualiser la chaîne d'approvisionnement de secours marocaine, décrivant de manière exhaustive sa conception, ses activités et les différents acteurs impliqués dans le processus humanitaire, puis une analyse détaillée a été menée pour mettre en évidence les forces et les faiblesses de la chaîne d'approvisionnement de secours marocaine. Cela impliquait un examen approfondi des sources d’incertitude au sein du processus humanitaire, afin de bien comprendre les défis rencontrés au sein de la chaîne d’approvisionnement humanitaire marocaine et d’identifier les exigences spécifiques. À la suite de ce travail de base conceptuel, les modèles proposés sont ensuite appliqués à une étude de cas dédiée à la chaîne d’approvisionnement humanitaire marocaine. Cette application pratique vise à valider l'efficacité des modèles basés sur la quantification de l'incertitude et des modèles basés sur Markov caché dans un scénario réel, fournissant des informations précieuses sur leur applicabilité, leur utilité et leur impact potentiel sur la dynamique complexe du domaine humanitaire. Les résultats démontrent que le modèle basé sur la quantification de l'incertitude et le modèle basé sur Markov caché peuvent améliorer considérablement la robustesse et l'efficacité du réseau de la chaîne d'approvisionnement en termes de prévision des catastrophes. Le modèle basé sur la quantification de l'incertitude permet de prédire l'impact humain potentiel des catastrophes et des régions les plus sensibles, ce qui peut aider à évaluer la robustesse du réseau de la chaîne d'approvisionnement dans différents scénarios, en tenant compte de diverses sources d'incertitude, telles que la demande et incertitudes sur les données documentées. D'autre part, le modèle caché basé sur Markov est utilisé pour prédire le comportement d'une catastrophe lors de la prochaine occurrence, sur la base de données et de tendances historiques. Ce modèle fournit des informations importantes sur le potentiel des HMM dans la gestion des catastrophes et la logistique humanitaire et souligne l'importance de ces modèles dans la protection des impacts des catastrophes, des populations vulnérables et dans l'atténuation des effets des catastrophes naturelles à l'avenir. La thèse vise également à identifier les emplacements optimaux des installations et à développer un plan de réponse efficace aux catastrophes pouvant atténuer l'impact des catastrophes. Ces stations auront pour fonction la réception, le contrôle, le soutien et la distribution de l'aide en cas de catastrophes naturelles (tremblements de terre, inondations, sécheresse, glissements de terrain...) ou catastrophes d'origine humaine (accidents technologiques, attentats terroristes, accidents de la route), à travers l'intégration des différents acteurs de la chaîne d'approvisionnement de l'aide marocaine (Ministère de l'Intérieur, Ministère de l'Aménagement des Territoires marocains, protection civile, militaire...) et en considérant diverses sources d'incertitude, telles que la demande, les délais de transport et les ruptures d'approvisionnement. Les emplacements optimaux des installations identifiés par les modèles offrent une meilleure couverture des zones touchées, améliorant ainsi la rapidité et l'efficacité du plan d'intervention en cas de catastrophe.
Abstract: Disaster modelling and facility location are critical aspects of disaster management that help to improve the effectiveness and efficiency of relief supply chains. However, the inherent uncertainties associated with disasters and relief supply chains can significantly impact the effectiveness of such models. To address this challenge, the thesis proposes the use of uncertainty quantification-based models and hidden Markov based models for disaster modelling in the context of the Moroccan relief supply chain. The thesis initiates by conceptualizing the Moroccan relief supply chain, comprehensively outlining its design, activities, and the various actors involved in the humanitarian process, then, a detailed analysis was conducted to highlight the strengths and weaknesses of the Moroccan relief supply chain. This involved a deep examination of uncertainty sources within the humanitarian process, to make a good understanding of challenges faced within the Moroccan relief supply chain and identify the specific requirements. Following this conceptual groundwork, the proposed models are then applied to a dedicated case study of the Moroccan relief supply chain. This practical application aims to validate the effectiveness of the uncertainty quantification-based models and hidden Markov-based models in a real-world scenario, providing valuable insights into their applicability, utility, and potential impact on the complex dynamics of the humanitarian field. The results demonstrate that the uncertainty quantification-based model and the hidden Markov based model can significantly improve the robustness and efficiency of the supply chain network in term of disaster prediction. The uncertainty quantification-based model enables to make prediction of the potential human impact of disasters and the most sensitive regions which can help in the evaluation of the robustness of the supply chain network under different scenarios, considering various sources of uncertainty, such as demand and uncertainties on documented data. On the other hand, the hidden Markov based model is used to predict the disaster behaviour in next occurrence, based on historical data and trends. This model provides important insights into the potential of HMMs in disaster management and humanitarian logistics and emphasize the importance of these models in protecting disasters impact, vulnerable populations and mitigating the effects of natural disasters in the future. The thesis aims also to identify the optimal facility locations and develop an efficient disaster response plan that can mitigate the impact of disasters, this stations will have for function the reception, control, support and the distribution of help in case of natural disasters (earthquakes, floods, torrential floods, locust invasions, drought, landslides ...) or man-made disasters (technological accidents, terrorist attacks, road accidents, pollution ...), through the integration of different actors in the Moroccan relief supply chain (Ministry of the Interior, Ministry of Planning of Moroccan Territories, the civil protection, military, NGOs ...) and by considering various sources of uncertainty, such as demand, transportation time, and supply disruptions . The optimal facility locations identified by the models provide a better coverage of the affected areas, thereby improving the speed and effectiveness of the disaster response plan. The thesis highlights the significance of incorporating uncertainty analysis in disaster modelling and provides insights into the relief supply chain management in Morocco. The findings of this thesis can be useful for policymakers and practitioners in disaster management to improve the effectiveness and efficiency of relief supply chains.

Vehicle Routing Problem under uncertainty: Case of pharmaceutical supply chain

Doctorant·e: AIT MAMOUN KHADIJA
Direction de thèse: EL BALLOUTI ABDESSAMAD (Directeur·trice de thèse)
SOUZA DE CURSI EDUARDO (Directeur·trice de thèse)
HAMMADI LAMIA (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 05/06/2024 à 15:00
Lieu de la soutenance: Faculté des sciences, El jadida, Maroc
Rapporteurs de la thèse: ECHCHATBI ABDELWAHED PROFESSEUR Université Hassan 1er, Settat, Maroc
MARCONDES ALTIMARI SAMED MARCIA PROFESSEUR State University of Maringa, Bresil
Membres du jurys: BELAFHAL ABDELMAJID, PROFESSEUR, Université Chouaib Doukkali, El Jadida, Maroc
ECHCHATBI ABDELWAHED, PROFESSEUR, Université Hassan 1er, Settat, Maroc
EL BALLOUTI ABDESSAMAD, PROFESSEUR, École Nationale des Sciences Appliquées_El Jadida (ENSAJ)
HAMMADI LAMIA, PROFESSEUR, École Nationale des Sciences Appliquées_El Jadida (ENSAJ)
MARCONDES ALTIMARI SAMED MARCIA, PROFESSEUR, State University of Maringa, Bresil
MBAYE NDIAYE BABACAR, PROFESSEUR, Université Cheikh Anta Diop, Dakar-fann, Senegal
MOUSRIJ AHMED, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Faculté des Sciences et Techniques Université Hassan
SOUZA DE CURSI EDUARDO, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie

Résumé: L'amélioration des performances de la distribution logistique et l'optimisation des transports sont devenues des préoccupations cruciales ces dernières années. Le secteur de la distribution pharmaceutique est confronté à d'importants défis en matière de planification des itinéraires et d'optimisation des réseaux de transport, les incertitudes entraînant souvent des retards et des pertes. Ces défis complexes englobent l'impératif d'élever la qualité des produits, de réduire les coûts, de minimiser la distance totale parcourue et de rationaliser le temps de transport pour une planification efficace. Dans ce contexte, le Problème de Routage de Véhicules (VRP) se distingue comme l'un des problèmes les plus largement analysés dans les domaines du transport, de la distribution et de la logistique. Atteindre un équilibre délicat entre les considérations de coûts et la livraison de produits pharmaceutiques de haute qualité est un objectif majeur dans la distribution pharmaceutique. Ce travail explore à la fois le Problème de Routage de Véhicules Statique (SVRP) et le Problème de Routage de Véhicules Dynamique (DVRP). La planification logistique du monde réel rencontre fréquemment des incertitudes dès le départ, notamment une demande client incertaine, des quantités de livraison, des contraintes temporelles, et plus encore. Cette thèse introduit la "condition de température" comme une contrainte fondamentale dans la distribution pharmaceutique, représentant une source d'incertitude qui impacte directement la qualité des médicaments, influençant ainsi la distribution logistique et la performance globale de la chaîne d'approvisionnement. De plus, la thèse intègre la quantification de l'incertitude pour modéliser les temps de déplacement incertains dans les scénarios de congestion récurrente et non récurrente. La méthodologie utilisée à cette fin est la méthode de collocation, initialement validée par la Simulation de Monte Carlo (SMC). En abordant ces défis complexes et ces incertitudes, cette recherche vise à contribuer au développement de stratégies robustes dans la distribution pharmaceutique, assurant l'optimisation des itinéraires, la réduction des coûts et le maintien des normes élevées de qualité des produits. Les conclusions de cette étude offrent des éclairages précieux pour les gestionnaires logistiques et les planificateurs qui cherchent à naviguer dans les complexités de la distribution pharmaceutique, favorisant l'efficacité et la résilience face aux incertitudes.
Abstract: The enhancement of logistics distribution performance and the optimization of transportation have emerged as critical concerns in recent years. The pharmaceutical distribution sector faces significant challenges in route planning and transport network optimization, with uncertainties often leading to delays and losses. The multifaceted challenges encompass the imperative to elevate product quality, reduce costs, minimize total travel distance, and streamline transportation time for effective planning. Within this context, the Vehicle Routing Problem (VRP) stands out as one of the extensively analysed problems in the realms of transportation, distribution, and logistics. Achieving a delicate equilibrium between cost considerations and delivering high-quality pharmaceutical products is a primary objective in pharmaceutical distribution. This research delves into both the Static Vehicle Routing Problem (SVRP) and the Dynamic Vehicle Routing Problem (DVRP). Real-world logistical planning frequently encounters uncertainties at the outset, including uncertain customer demand, delivery quantities, time constraints, and more. This thesis introduces the "temperature condition" as a fundamental constraint in pharmaceutical distribution, representing a source of uncertainty that directly impacts drug quality, thereby influencing logistics distribution and overall supply chain performance. Furthermore, the thesis incorporates uncertainty quantification for modelling uncertain travel times in both recurrent and non-recurrent congestion scenarios. The methodology employed for this purpose is the collocation method, initially validated through Monte Carlo Simulation (MCS). By addressing these multifaceted challenges and uncertainties, this research seeks to contribute to the development of robust strategies in pharmaceutical distribution, ensuring the optimization of routes, reduction of costs, and maintenance of high-quality product standards. The findings of this study offer valuable insights for logistics managers and planners aiming to navigate the complexities of pharmaceutical distribution, fostering efficiency and resilience in the face of uncertainties.

Etudes expérimentales de l'influence de l'aération sur les impacts hydrodynamiques : deux configurations idéalisées avec présence de poches d'air et de bulles

Doctorant·e: BERKANE Belaid
Direction de thèse: PINON GRÉGORY (Directeur·trice de thèse)
PERRET GAELE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 27/05/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance: Amphithéatre LOMC Prony, 53 rue Prony, 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse: CHATELLIER LUDOVIC MAÎTRE DE CONFERENCES (HDR) Université Poitiers
GERMAIN GRÉGORY CHERCHEUR (HDR) IFREMER - BOULOGNE-SUR-MER
Membres du jurys: ABADIE STEPHANE, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université de Pau et des Pays de l'Adour
CHATELLIER LUDOVIC, MAÎTRE DE CONFERENCES (HDR), Université Poitiers
DEMOULIN FRANCOIS-XAVIER, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE DE ROUEN NORMANDIE
GERMAIN GRÉGORY, CHERCHEUR (HDR), IFREMER - BOULOGNE-SUR-MER
PERRET GAELE, MAÎTRE DE CONFERENCES, Université Le Havre Normandie
PINON GRÉGORY, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université Le Havre Normandie

Résumé: Les impacts hydrodynamiques entre structures solides et liquides jouent un rôle crucial dans des domaines comme l'ingénierie côtière, l'aéronautique et les énergies renouvelables. Cette thèse se focalise sur l'effet peu exploré de l'aération, où l'air sous forme de bulles ou de poches modifie significativement les forces d'impact et les réponses hydrodynamiques. L'objectif central de cette thèse est d'approfondir notre compréhension des effets de l'aération sur les dynamiques complexes d'impact hydrodynamique. Cette recherche se concentre sur deux configurations expérimentales distinctes : l'impact d'une plaque plane sur une surface d'eau calme et l'impact d'un jet d'eau aéré sur une plaque plane. L'enjeu est d'examiner l'influence de l'aération sur les pressions d'impact et les fréquences d'oscillation post-impact. Pour atteindre ces objectifs, des dispositifs expérimentaux ont été conçus pour chaque cas d'étude. Ces expériences modèles nous offrent la possibilité de contrôler avec précision des paramètres cruciaux tels que la vitesse d'impact, les dimensions de la plaque, la pression ambiante, etc. Parallèlement, une attention particulière a été portée à la mesure des taux d'aération et des pressions d'impact, permettant ainsi une analyse rigoureuse des résultats. Pour l'impact de la plaque, les observations ont montré que les pressions maximales d'impact et les impulsions dévient de la théorie de von Karman, principalement à cause de l'effet amortissant de l'air. La diminution de la pression ambiante augmente les pressions d'impact, suggérant une atténuation de l'effet de coussin d'air. Concernant l'impact d'un jet d'eau aéré, une diversité de régimes d'écoulement, tels que les régimes à bulles, en bouchons, agités, et annulaires a été identifiée. L'interaction entre le nombre d'injecteurs, la pression d'air, et les caractéristiques des bulles illustre une interdépendance significative. Les effets de l'aération sur les pressions d'impact et les fréquences d'oscillation démontrent que des structures plus grandes induisent des oscillations plus lentes et des pressions adimensionnelles augmentées.
Abstract: Hydrodynamic impacts between solid structures and liquids play a crucial role in various strategic fields such as coastal engineering, aeronautics, and renewable energy. This thesis focuses on the less explored effect of aeration, where the presence of air in the form of bubbles or air pockets significantly alters impact forces and hydrodynamic responses. The central objective of this thesis is to deepen our understanding of aeration's effects on complex hydrodynamic impact dynamics. This research concentrates on two distinct experimental setups: the impact of a flat plate on a calm water surface and the impact of an aerated water jet on a flat plate. The challenge is to examine how aeration influences impact pressures and post-impact oscillation frequencies. To achieve these objectives, experimental setups were designed for each case study. These model experiments allow us to precisely control crucial parameters such as impact velocity, plate dimensions, ambient pressure, etc. Special attention was also given to measuring aeration rates and impact pressures, enabling rigorous analysis of the results. For the plate impact, observations showed that maximum impact pressures and pressure impulses deviate from the von Karman theory, mainly due to the damping effect of air. Reducing ambient pressure increases impact pressures, suggesting a reduction of the air cushion effect. Regarding the impact of an aerated water jet, a diversity of flow regimes, such as bubble, slug, churn, and annular flows, were identified. The interaction between the number of injectors, air pressure, and bubble characteristics demonstrates a significant interdependence. The effects of aeration on impact pressures and oscillation frequencies show that larger structures induce slower oscillations and increased dimensionless pressures.

Simulation en DFTB d'agrégats chargés à l'aide de charges obtenues par méthode de machine-learning

Doctorant·e: GUIBOURG Paul
Direction de thèse: GERVAIS BENOIT (Directeur·trice de thèse)
ANGLADE Pierre-Matthieu (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 23/05/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance: Salle des thèse - Bat.3 Salle 105
Rapporteurs de la thèse: GOEDECKER STEFAN Professeur Université de Bâle
RAPACIOLI MATHIAS Chargé de recherche HDR Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
Membres du jurys: ERBIN HAROLD, Chercheur, Université Paris Saclay
GERVAIS BENOIT, Chercheur-ingénieur au CEA, Université de Caen Normandie
GOEDECKER STEFAN, Professeur , Université de Bâle
RAPACIOLI MATHIAS, Chargé de recherche HDR, Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
VELLA ANGELA, Professeur des universités, Université de Rouen Normandie
VURPILLOT FRANÇOIS, Professeur des universités, Université de Rouen Normandie

Résumé: La Sonde Atomique Tomographique (SAT) est un outil de métrologie destiné à explorer l’arrangement des atomes dans la matière. Son principe de fonctionnement est l’évaporation par effet de champ des atomes de surface d’un échantillon taillé en forme d’aiguille. Une compréhension fine de l’émission par effet de champ permettrait d’améliorer la méthode et c’est dans ce cadre que s’inscrit le travail de simulation entrepris dans cette thèse. On s’est concentré sur la manière dont il est possible de simuler des agrégats de carbure de silicium (SiC). Ce composé a été choisi car il présente les mêmes problèmes que nombre de semi-conducteur avec la méthode de sonde. Pour que la simulation soit pertinente, il faut prendre en compte un nombre d’atomes important tout en conservant les spécificités physico-chimiques du matériau. Dans ce but, on a développé une méthode de machine learning basée sur la fonctionnelle de la densité en liaison forte, appelée ML-DFTB, suffisamment précise pour décrire convenablement la structure électronique, préservant le caractère quantique de celle-ci, tout en étant efficace en temps de calcul. L’ajout de machine learning à la méthode DFTB introduit un moyen de définir les charges atomiques a priori. Cette approche, combinée à une réécriture de l’expression de l’énergie DFTB, permet une résolution approchée numériquement efficace par la suppression de la recherche de l’auto-cohérence de la méthode SCC-DFTB. La validité de l’approche est testée de manière systématique en comparant les calculs ML-DFT aux calculs de référence pour des petits agrégats de SiC.
Abstract: Atom Probe Tomograpgy (APT) is an experimental metrology tool intended to explore atomic arrangement in solids. Its working principle is field emission used to evaporate atoms from the sample surface, which is given a needle shape. The simulation work presented in this thesis takes place in the APT framework and is dedicated to better understanding of field emission. We focus on silicon carbide (SiC) as a typical semiconductor often studied in APT. To perform a relevant simulation, in is necessary to consider a large number of atoms while keeping the physico-chemical specificities of the material at a good level of description. To reach our goal, we have developed a machine learning method based on tight binding density functional called ML-DFTB. It is sufficiently accurate to describe the electronic structure of the material in a quantum chemical framework while being computationally efficient. The addition of machine learning to DFT provides us a mean to get the atomic charge in an a priori approach. When combined with a redefinition of the DFTB energy, this allows us to solve efficiently the numerical problem, by bypassing the self-consistent iterative search for atomic charges of the SCC-DFTB method. We validate our approach by means of systematic comparison of ML-DFTB calculations with reference calculations for small SiC clusters.

Ru-based catalysts for plasma-assisted CO2 methanation

Doctorant·e: ACETO Domenico
Direction de thèse: TRAVERT Arnaud (Directeur·trice de thèse)
HENRIQUES CARLOS (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 17/05/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance: IST Lisbonne
Rapporteurs de la thèse: BOGAERTS ANNEMIE Professeur université de Antwerp
DA COSTA PATRICK Professeur des universités Sorbonne Université
Membres du jurys: AZZOLINA-JURY FEDERICO, Maître de conférences HDR, ENSICAEN
BOGAERTS ANNEMIE, Professeur , université de Antwerp
DA COSTA PATRICK, Professeur des universités, Sorbonne Université
GUERRA VASCO, Professeur , Université de LISBONNE
LOPES JOSÉ MADEIRA, assistant professeur, Université de LISBONNE
RIBEIRO FILIPA, Professeur , Université de LISBONNE
TRAVERT Arnaud, Professeur des universités, Université de Caen Normandie

Résumé: Dans ce travail, des nouveaux catalyseurs pour réaliser la réaction de méthanation du CO2 assistée par plasma (réaction de Sabatier) ont été conçus et testés. En effet, le CO2 est un réactif très intéressant dans les réactions d'hydrogénation en raison de sa production par l'activité industrielle humaine et de la nécessité de le retirer de l'atmosphère, où il agit comme un gaz à effet de serre, tandis que le CH4 produit présente également de nombreux avantages, notamment celui de disposer déjà d'un réseau de distribution existant. La réaction traditionnellement activée thermiquement pourrait être améliorée par l'utilisation d'une catalyse induite par plasma à décharge barrée diélectrique (DBD) en présence d'un matériau catalytique. Ainsi, différentes classes de catalyseurs à base de Ru, supportés sur des zéolites (USY, BEA, MOR et ZSM-5) et des silices mésoporeuses (SBA-15 et MCM-41), ont été conçues, synthétisées et testées dans des conditions de catalyse thermique et assistée par plasma. Le catalyseur préparé en utilisant 3% en poids de Ru dispersé par imprégnation à sec sur une zéolite USY ayant un rapport Si/Al de 38 et du Cs comme cation de compensation de charge s'est avéré être le meilleur dans les deux environnements, soulignant que de nombreuses propriétés du support (hydrophobicité, basicité et porosité) sont critiques pour définir un catalyseur performant. De plus, une attention particulière a été portée sur l'étude du mécanisme de réaction, par FTIR operando in-situ, ce qui a été possible, dans les conditions plasma-catalyse, grâce à la conception d'une nouvelle cellule Transmission-FTIR DBD. Le mécanisme proposé dans des conditions de plasma implique la dissociation du CO2 dans le plasma et son adsorption sur la surface des catalyseurs sous forme d'espèces carbonates ou carbonyles, qui sont ensuite progressivement réduites en formiates puis en méthane. Ce mécanisme est assez similaire à celui observé dans des conditions de catalyse thermique, probablement en raison des conditions douces créées par le plasma DBD, qui débloque néanmoins des voies d'adsorption et de réaction se produisant sur le seul support, non observées auparavant.
Abstract: In this work, novel catalysts to carry out the plasma-assisted CO2 methanation reaction (Sabatier reaction) were designed and tested. In fact, CO2 is a very interesting reactant in hydrogenation reactions because of its production by human industrial activity and the necessity to remove it from the atmosphere, where it acts as a greenhouse gas, while the produced CH4 has many advantages as well, including already having an existing distribution network. The traditionally thermally activated reaction could be further enhanced by the utilisation of Dielectric Barrier Discharge (DBD) plasma-induced catalysis in the presence of a catalyst material. Thus, different classes of Ru-based catalysts, supported over microporous zeolites (USY, BEA, MOR and ZSM-5) and mesoporous silicas (SBA-15 and MCM-41), were designed, synthesized and tested in both thermal and plasma-assisted catalysis conditions. Indeed, the catalyst prepared using 3% in weight of Ru dispersed by incipient wetness impregnation over USY zeolite having a Si/Al ratio of 38 and Cs as a compensating cation was found to be the best one in both environments, pointing out to many properties of the support material (hydrophobicity, basicity and porosity) to be critical in defining a well-performing catalyst. Moreover, a heavy focus on the reaction mechanism was put on this study, by means of in-situ operando FTIR, which was possible under plasma-catalysis conditions thanks to the design of a novel DBD Transmission-FTIR cell. The proposed mechanism, under plasma-catalysis conditions involves the dissociation of CO2 in the plasma and its adsorption on the surface of the catalysts as carbonates or carbonyls species, that are then progressively reduced to formates and then to methane. This mechanism is quite similar to the one observed under thermal catalysis conditions, likely due to the mild conditions (temperature) created by the DBD plasma, that nonetheless unlocks adsorption and reaction pathways happening on the supported material alone, not observed before.

Bio-inspired shape optimization for structural resistance

Doctorant·e: LIU CHUNMEI
Direction de thèse: SOUZA DE CURSI EDUARDO (Directeur·trice de thèse)
TROIAN RENATA (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 07/05/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance: Magellan, Salle MA-J-R1-01,1ere étage, devant la BU, 685 avenue de l’Université, BP08 Campus INSA Rouen Normandie,76801,France
Rapporteurs de la thèse: ELGUEDJ THOMAS PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
HOLDORF LOPEZ RAFAEL PROFESSEUR Université fédérale de Santa Catarina, Brésil
Membres du jurys: ATANASOVSKA IVANA, PROFESSEUR, Mathematical Institute of the Serbian Academy of Sciences and Arts, Belgrade, Serbie
ELGUEDJ THOMAS, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
HOLDORF LOPEZ RAFAEL, PROFESSEUR, Université fédérale de Santa Catarina, Brésil
LAZOVIC-KAPOR TATJANA, PROFESSEUR, Université de Belgrade, Serbie
SOUZA DE CURSI EDUARDO, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
TROIAN RENATA, MAÎTRE DE CONFÉRENCES, INSA de Rouen Normandie

Résumé: La résistance structurelle pose un défi complexe, la forme de la structure émergeant comme un facteur critique. L’optimisation de la forme joue un rôle vital dans la conception des performances mécaniques, garantissant une utilisation efficace des matériaux et évitant les problèmes structurels. S’inspirant de l’évolution des structures naturelles, cette thèse se penche sur l’optimisation de la forme bio-inspirée en utilisant l’analyse isogéométrique. La thèse est structurée en quatre parties principales : (1) Développement du cadre : Un cadre complet pour l’optimisation de la forme bio-inspirée utilisant l’analyse isogéométrique est discuté. (2) Inspiration des arbres : Les arbres servent de ressource d’inspiration, en exploitant l’axiome des contraintes uniformes - un principe directeur de la conception des arbres - pour optimiser les structures et éviter la surcharge ou la sous-utilisation des matériaux. (3) Formulation de critères bio-inspirés : Des critères bio-inspirés pour l’optimisation de forme déterministe et stochastique sont formulés. La méthode est validée à travers des exemples 2D et 3D, avec des comparaisons entre les critères bio-inspirés et classiques. (4) Comparaison des Résultats : Les résultats obtenus à partir des critères de conception stochastique bio-inspirés, des critères de conception déterministe bio-inspirés, et des critères de conception stochastique classiques sont comparés. Les principales conclusions comprennent : (1) Les formes générées sur la base des critères bio-inspirés présentent des contours lisses et raffinés ressemblant à ceux que l’on trouve dans la nature, améliorant significativement la résistance structurelle. (2) Le champ de contrainte résultant pour les critères bio-inspirés démontre une plus grande homogénéité par rapport aux critères classiques, ce qui indique que les conceptions basées sur des critères bio-inspirés sont optimales plutôt que simplement des solutions faisables. Cela suggère une durée de vie accrue pour la structure. (3) Les critères stochastiques classiques peuvent fournir un résultat acceptable aux concepteurs, tandis que les critères bio-inspirés offrent un résultat plus préférable. (4) Cette recherche introduit de nouveaux critères pour la conception déterministe et stochastique, les critères déterministes remplaçant efficacement les critères stochastiques dans le contexte de l’optimisation de la forme bio-inspirée.
Abstract: Structural resistance poses a complex challenge, with the shape of the structure emerging as a critical factor. Shape optimization plays a vital role in mechanical performance design, ensuring efficient material usage and preventing structural issues. Drawing inspiration from the evolution of natural structures, this thesis delves into bio-inspired shape optimization using isogeometric analysis. The thesis is structured into four main parts: (1) Framework development: A comprehensive framework for bio-inspired shape optimization using isogeometric analysis is discussed. (2) Inspiration from trees: Trees serve as the inspiration resource, leveraging the axiom of uniform strains—a governing principle of tree design—to optimize structures and avoid material overloading or under-utilization. (3) Formulation of bio-inspired criteria: bio-inspired criteria for both deterministic and stochastic shape optimization are formulated. The method is validated through 2D and 3D examples, with comparisons between bio-inspired and classical criteria. (4) Comparison of Results: The results obtained from obtained from based on bio-inspired stochastic design criteria, bio-inspired deterministic design criteria, and classical stochastic design criteria are compared. Key findings include: (1) Shapes generated based on bio-inspired criteria exhibit smooth and refined contours resembling those found in nature, significantly enhancing structural resistance. (2) The resulting strain field for bio-inspired criteria demonstrates greater homogeneity compared to classical criteria, indicating that designs based on bio-inspired criteria are optimal rather than just feasible solutions. This suggests an increased lifespan for the structure. (3) Classical stochastic criteria can provide an acceptable result to designers, while bio-inspired criteria offer a more preferable outcome. (4)This research introduces new criteria for both deterministic and stochastic design, with de- terministic criteria effectively replacing stochastic criteria in the context of bio-inspired shape optimization.

Production photocatalytique de l’hydrogène à partir de l’acide formique sous lumière visible : Photocatalyseurs à base d’oxyde de Cuivre et de Fer

Doctorant·e: ABDELLI Hanen
Direction de thèse: EL ROZ MOHAMAD (Directeur·trice de thèse)
CHTOUROU RADHOUANE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 29/04/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance: Faculté des Sciences de Tunis, Campus Universitaire El-Manar, 2092 El Manar Tunis, Tunisie
Rapporteurs de la thèse: HICHEM HAMZAOUI AHMED Professeur CNRSM
HMADEH MOHAMAD Professeur Université américaine de Beyrouth
Membres du jurys: AL LAKISS LOUWANDA, Ingénieur de recherche, Université de Caen Normandie
AMMAR SOUAD, Professeur des universités, Université Paris Cité
CHTOUROU RADHOUANE, Professeur , Université de Tunis - Tunisie
EL ROZ MOHAMAD, Chargé de recherche HDR, ENSICAEN
HICHEM HAMZAOUI AHMED, Professeur , CNRSM
HMADEH MOHAMAD, Professeur , Université américaine de Beyrouth
KAMOUN NAJOUA, Professeur , Université de Tunis - Tunisie
ZAAROUR MOUSSA, Chercheur, KAUST Catalysis Center (KCC)

Résumé: Le développement technologique visant à construire une société utilisant l'hydrogène comme moyen d'énergie, avec une faible charge environnementale et un rendement élevé, est nécessaire de toute urgence. Toutefois, l'hydrogène étant inflammable, les problèmes de sécurité liés à son stockage et à son transport limitent son utilisation en tant que combustible. L’utilisation des transporteurs organiques liquides d'hydrogène (TOLHs, ou LOHCs pour Liquid Organic Hydrogen Carriers) présente une alternative très prometteuse. Ils permettent de stocker et de transporter efficacement l'hydrogène avec une faible densité énergétique et volumétrique. A cet égard, l'acide formique est reconnu comme l'un des transporteurs d'hydrogène les plus prometteurs. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes principalement intéressés à la production photocatalytique de l’hydrogène à partir de l’acide formique sous lumière visible en utilisant des photocatalyseurs à base d’oxyde de Cuivre et de Fer. Ces photocatalyseurs ont montré une très bonne activité et sélectivité pour la déshydrogénation de l’acide formique sous lumière visible à température ambiante et sous flux continu. Les résultats obtenus dans cette thèse donnent non seulement un aperçu des facteurs affectant la réaction mais aussi des perspectives pour améliorer à la fois l’activité des photocatalyseurs et la sélectivité de la déshydrogénation. Par conséquent, les catalyseurs à base de cuivre, connus pour leur stabilité relativement faible dans les procédés en phase liquide, peuvent bien être considérés comme des photocatalyseurs très prometteurs spécifiquement en phase gazeuse/vapeur. Les connaissances fondamentales résultant de ce travail devraient peut avoir un impact significatif sur le développement durable et rentable de la production hautement sélective d'hydrogène à partir de l'acide formique dans des conditions douces.
Abstract: Technological development aimed at building society expending hydrogen as an energy source, with low environmental impact and high efficiency, is urgently needed. However, as hydrogen is flammable, safety issues linked to its storage and transport limit its use as a fuel. The use of liquid organic hydrogen carriers (LOHCs) presents a very promising alternative. They enable an efficient storage and transport of hydrogen at low energy and volumetric densities. In this respect, formic acid is recognized as one of the most promising LOHC. In this thesis, we focused on the photocatalytic production of hydrogen from formic acid, using copper-iron oxide photocatalysts. These photocatalysts showed very good activity and selectivity for the dehydrogenation of formic acid under visible light at room temperature and under continuous flow. The results obtained in this thesis not only provide insight into the factors affecting the reaction, but also offer prospects for improving both photocatalyst activity and dehydrogenation selectivity. As a result, copper-based catalysts, known for their relatively low stability in liquid-phase processes, may well be considered highly promising photocatalysts specifically in the gas/vapor phase. The fundamental insights resulting from this work should have a significant impact on the sustainable and cost-effective development of highly selective hydrogen production from formic acid under mild conditions.

Developpement d'un polymère de haute sensibilité intégrable dans un dosimètre gamma sans fil interrogeable à distance

Doctorant·e: YAHYAOUI Ons
Direction de thèse: NGONO RAVACHE YVETTE (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 24/04/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance: Maison d'hôte du GANIL
Rapporteurs de la thèse: FROMM MICHEL Professeur des universités UNIVERSITE BESANCON FRANCHE COMTE
TESTARD FABIENNE Directeur de recherche CEA Paris-Saclay
Membres du jurys: AYMES CHODUR CAROLINE, Maître de conférences HDR, Université Paris Saclay
BARILLON REMI, Professeur des universités, Université de Strasbourg
FROMM MICHEL, Professeur des universités, UNIVERSITE BESANCON FRANCHE COMTE
NGONO RAVACHE YVETTE, Directeur de recherche au CEA, Université de Caen Normandie
TESTARD FABIENNE, Directeur de recherche, CEA Paris-Saclay

Résumé: Ce travail de recherche a étudié l'effet des nanoparticules d'or sur le comportement des polymères sous rayonnements ionisants en atmosphère inerte. L'objectif était de développer des matériaux à forte émission gazeuse intégrables dans de nouveaux dosimètres miniatures, passifs, à lecture en temps réel et à longue distance. L’idée était initiale était d’insérer des nanoparticules d’or (AuNPs) dans des matrices polymères afin de tirer avantage des électrons secondaires émis par les AuNPs et d’une potentielle action catalytique pendant la phase chimique de l’irradiation. Au-delà du développement d’un nouveau polymère, cette étude avait également pour objectif d’améliorer la compréhension de l’influence des nanoparticules en phase solide et sous atmosphère inerte. Deux types de polymères ont été étudiés : le PMAA et le PE. Des nanoparticules sphériques d'or de 2 nm de diamètre ont été synthétisées et incorporées dans les polymères. Les nanocomposites ont été irradiés et les défauts macromoléculaires et l'émission gazeuse ont été analysés. Les résultats ont montré que les nanoparticules d'or ont un effet significatif sur le comportement des polymères sous rayonnements ionisants. L'effet observé dépend du type de polymère, de la concentration en nanoparticules et de la distribution des nanoparticules dans la matrice polymère. Dans le PMAA, les nanoparticules d'or accélèrent la scission des chaînes et augmentent le rendement radiochimique de dihydrogène émis dans le polymère. Dans le PE, au-dessus d’un pourcentage molaire de 1%, les nanoparticules d'or radio-protègent le polymère en réduisant la formation de défauts macromoléculaires et l'émission d'hydrogène.
Abstract: In this research work, we studied the effect of gold nanoparticles on the behavior of polymers under ionizing radiation under an inert atmosphere. The initial aim was to develop highly emissive materials for new miniature, passive, real-time, and long-distance read-out dosimeters by inserting gold nanoparticles (AuNPs) in a polymer matrix. The rational behind was to use either the dose enhancement by secondary electrons emitted from AuNPs or their catalytic properties when appropriate. Beyond the development of a new material, one of the objective of this work was to study the influence of nanoparticles in the solid phase and in the absence of oxygen. Two types of polymers were studied: PMAA and PE. Gold nanoparticles with a diameter of 2 nm were synthesized and incorporated into the polymers. The nanocomposites were irradiated under gamma rays or electron beams and both macromolecular defects and gas emission were analyzed. The results showed that gold nanoparticles have a significant effect on the behavior of polymers under ionizing radiation, depending on the polymer polymer, the nanoparticles concentration, and their distribution in the polymer matrix. In PMAA, gold nanoparticles accelerate chain scission and increase the hydrogen emission radiochemical yield. In PE, beyong a molar percentage of 1%, gold nanoparticles radioprotect the polymer by reducing the formation of macromolecular defects and hydrogen emission.

Comportement sous rayonnements ionisants du collagène de type II : Etude de polypeptides modèles comme substituts du collagène en phase condensée

Doctorant·e: AL ASSAAD Hoda
Direction de thèse: NGONO RAVACHE YVETTE (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 22/04/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance: Salle des thèses -campus 2 -université de Caen Normandie
Rapporteurs de la thèse: FERRY MURIEL Directeur de recherche CEA Paris-Saclay
RENAULT JEAN-PHILIPPE Directeur de recherche CEA Paris-Saclay
Membres du jurys: DANNOUX-PAPIN ADELINE, Ingénieur de recherche, CEA Marcoule
FERRY MURIEL, Directeur de recherche, CEA Paris-Saclay
LE PLUART Loic, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
NGONO RAVACHE YVETTE, Directeur de recherche au CEA, Université de Caen Normandie
RAFFY QUENTIN, Maître de conférences, Université de Strasbourg
RENAULT JEAN-PHILIPPE, Directeur de recherche, CEA Paris-Saclay

Résumé: Le collagène, la protéine la plus abondante chez les mammifères, constitue principalement la matrice extracellulaire du cartilage et est essentiel pour ses propriétés mécaniques, grâce à sa structure en triple hélice caractéristique. Dans le contexte de l'hadronthérapie, les effets des rayonnements ionisants sur le collagène de type II ont été examinés en caractérisant les défauts macromoléculaires et les émissions gazeuses radio-induites en utilisant des polymères de substitution, notamment des homopolymères des acides aminés principaux du collagène (polyglycine, poly-DL-alanine et poly-L-proline) ainsi que des peptides modèles à triple hélice. L'irradiation des homopolypeptides, avec ou sans chaînes latérales, a révélé une remarquable stabilité à la radiation, avec environ 20 % des structures altérées, augmentant la prportiond en chaines en random coils et des ruptures de chaînes. En l'absence de chaînes latérales, comme la polyglycine, la rupture de la liaison CO-NH est fréquente, tandis qu'en présence de chaînes latérales, telles que la poly-DL-alanine et la poly-L-proline, la rupture de la liaison CO-CαH semble significative, expliquant la formation d'isocyanates. De plus, dans le cas de la poly-L-proline, les liaisons N-CαH ou N-CH2 semblent également être affectées par l'irradiation. Ces résultats diffèrent des observations faites lors de l'irradiation gamma, où la rupture de la liaison Cα-N est considérée comme principale dans les homopolypeptides. Les gaz identifiés étaient H2, CO, CO2 et CH4, et l'effet du transfert d'énergie linéique (TEL) a été observé avec des rendements accrus en H2 et CO lorsque le TEL est élevé, ainsi que des bandes IR spécifiques aux irradiations à fort TEL. L'irradiation des peptides modèles de collagène, (PPG)10 et (POG)10, a révélé des nouvelles bandes d'absorption qui ne sont pas spécifiques à la structure en triple hélice, mais plutôt liées aux acides aminés constitutifs du peptide. Les résultats obtenus sur le (POG)10 soulignent l'impact des molécules d'eau et la présence de l'hydroxyproline, avec la formation du radical hydroxyle.
Abstract: Collagen, the most abundant protein in mammals, primarily forms the extracellular matrix of cartilage and is essential for its mechanical properties, owing to its characteristic triple helix structure. In the context of hadron therapy, the effects of ionizing radiation on type II collagen have been examined by characterizing macromolecular defects and radiationinduced gas emissions using substitute polymers, including homopolymers of major collagen amino acids (polyglycine, poly-DL-alanine, and poly-L-proline) as well as triple helix model peptides. Irradiation of homopolypeptides, with or without side chains, revealed remarkable radiation stability, with approximately 20% of altered structures, increasing the proportion of chains in random coils and chain scission. In the absence of side chains, such as polyglycine, CO-NH bond scission is frequent, while in the presence of side chains, such as poly-DL-alanine and poly-L-proline, CO-CαH bond scission seems significant, explaining isocyanate formation. Additionally, in the case of poly-L-proline, N-CαH or N-CH2 bonds also appear affected by irradiation. These results differ from observations during gamma irradiation, where Cα-N bond scission is considered primary in homopolypeptides. Identified gases were H2, CO, CO2, and CH4, and the effect of linear energy transfer (LET) was observed with increased yields of H2 and CO when LET is high, along with IR bands specific to high-LET irradiation. Irradiation of collagen model peptides, (PPG)10 and (POG)10, revealed new absorption bands not specific to the triple helix structure, but rather correlated with constitutive amino acids of the peptide. Results obtained on (POG)10 highlighted the impact of water molecules and the presence of hydroxyproline, with the formation of the hydroxyl radical.

Optimisation du couplage Procédé/Propriétés/Fiabilité des Structures en Matériaux Composites Fonctionnels

Doctorant·e: MTIBAA Mohamed
Direction de thèse: SAOUAB ABDELGHANI (Directeur·trice de thèse)
BOUAZIZ SLIM (Co-directeur·trice de thèse)
EL HAMI ABDELKHALAK (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 15/04/2024 à 14:30
Lieu de la soutenance: LOMC
Rapporteurs de la thèse: KANIT TOUFIK PROFESSEUR DES UNIVERSITES Universite de Lille
SOULA MOHAMED PROFESSOR ECOLE NATIONALE D'INGENIEURS DE TUNIS
Membres du jurys: BOUAZIZ SLIM, PROFESSOR, ECOLE NATIONALE INGENIEURS DE SFAX
EL HAMI ABDELKHALAK, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, INSA de Rouen Normandie
EL MAHI ABDERRAHIM, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE LE MANS
EL MOUMEN AHMED, DIRECTEUR DE RECHERCHE, LUXEMBOURG INSTITUTE OF SCIENCE AND TECH
HADDAR MOHAMED, PROFESSOR, ECOLE NATIONALE INGENIEURS DE SFAX
KANIT TOUFIK, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Universite de Lille
SAOUAB ABDELGHANI, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université Le Havre Normandie
SOULA MOHAMED, PROFESSOR, ECOLE NATIONALE D'INGENIEURS DE TUNIS

Résumé: Ce travail de recherche se penche sur les défis et les interactions entre les procédés de fabrication RTM et CRTM, les propriétés mécaniques et la fiabilité des structures en matériaux composites fonctionnels. Des modèles numériques ont été développés pour simuler l’imprégnation de la suspension à travers le milieu fibreux dans ces deux procédés. Ces modèles ont été validés en comparant leurs résultats à des résultats expérimentaux, semi-analytiques et analytiques présentes dans la littérature. Une étude paramétrique a été menée pour démontrer l’impact des différents paramètres de procédé sur la distribution des particules dans le composite final. De plus, une comparaison entre les modes d’injection et de compression a été effectuée. Les résultats de cette partie ont montré que la distribution des particules dans la pièce finale dépend de la concentration initiale, de la distance parcourue et de la fraction volumique initiale des fibres, indépendamment des valeurs des paramètres d'injection et de compression. Il a également été observé que le procédé CRTM à pression d’injection imposée et à force de compression imposée représente le scénario le plus favorable pour produire des pièces composites. Afin de contrôler la distribution finale des particules dans le composite élaboré par le procédé RTM, deux étapes clés ont été identifiées et conduites. La première étape consiste en une analyse de sensibilité axée sur trois paramètres : l’évolution temporelle de la concentration initiale des particules, du champ de pression d’injection, et de la porosité initiale des fibres. Les conclusions indiquent un impact mineur de la porosité initiale et du champ de pression d’injection, tandis que l’évolution de la concentration initiale des particules injectées joue un rôle prépondérant. Dans une seconde étape, un algorithme d’optimisation a été intégré au modèle numérique du procédé RTM, visant à déterminer la configuration optimale de l’évolution de la concentration initiale des particules injectées afin de rapprocher la distribution des particules dans le composite final aux profils souhaités. Les résultats obtenus grâce à l’algorithme génétique ont démontré une maîtrise satisfaisante de cette répartition. Pour enrichir cette partie, un modèle évaluant le comportement mécanique de la pièce fabriquée a été développé. Les résultats indiquent une corrélation positive entre le taux de particules et certaines propriétés mécaniques telles que les modules d’élasticité E11 et E22, ainsi que les modules de cisaillement G12 et G23. Cependant, le coefficient de Poisson (Nu12) est inversement proportionnel au taux de particules. En outre, le module de cisaillement G12 était le plus influencé par le taux de particules. Dans cette partie, nous avons visé le contrôle des propriétés mécaniques des pièces composites fabriquées par le procédé CRTM, ensuite comparées aux résultats du procédé RTM. Les conclusions révèlent que le procédé RTM offre un meilleur contrôle de ces propriétés, tandis que le procédé CRTM améliore considérablement les propriétés mécaniques des pièces grâce à sa phase de compression, qui augmente la fraction volumique des fibres et donc améliorant ces propriétés. Par la suite, une analyse statique a été réalisée en développant un modèle numérique basé sur la méthode des éléments finis avec Ansys APDL. Cette analyse vise la détermination de la déformation maximale de la pièce en fonction de la configuration (encastrement, simplement appuyé) et de la charge répartie appliquée. Ce modèle est combiné avec ceux du procédé CRTM et du calcul des propriétés mécaniques. Dans le but d’ajuster les propriétés mécaniques de la pièce composite selon la configuration et la charge répartie, tout en minimisant son poids et en respectant des contraintes mécaniques prédéterminées, telles que la limite de déformation maximale, un algorithme d’optimisation a été intégré à notre modèle global. Les résultats obtenus répondent parfaitement à ces objectifs.
Abstract: This research focuses on the challenges and interactions between the manufacturing processes (Resin Transfer Molding ‘RTM’ and Compression Resin Transfer Molding ‘CRTM’), the mechanical properties, and the reliability of composite material structures; more specifically the functional composites. A number of numerical models have been developed for simulating the suspension (resin + particles) impregnation through the fibrous medium (fibers) in the RTM and CRTM processes. These models are validated by comparing their results with experimental, semi-analytical, and analytical ones from the literature. A parametric study is carried out to demonstrate the impact of various process parameters on particles’ distribution in the final composite. Moreover, a comparison between the injection and compression modes is done. The results of this part show that the distribution of particles in the final part depends on the initial concentration, the distance travelled, and the initial fibers’ volume fraction. However, it is independent of the parameters values of injection and compression. It is also observed that the CRTM process with imposed pressure injection and imposed force compression represents the most favorable scenario for producing composite parts. For the purpose of controlling the final particles’ distribution in the composite material, manufactured by the RTM process, two key steps have been identified. The first step consists in a sensitivity analysis that examines three parameters: the temporal evolution of the initial injected particles’ concentration, the injection pressure field and the initial fibers’ porosity. The conclusions indicate a minimal impact of the initial porosity and the injection pressure field; while the evolution of the initial concentration of the injected particles has a dominant effect. In a second step, an optimization algorithm is implemented in the numerical model of the RTM process. It is used to determine the optimal configuration of the initial injected particles’ concentration’s evolution; in order to approximate the particles’ distribution in the final composite to the desired profiles. The obtained results from the genetic algorithm provide a very satisfactory control of this distribution. To complete this section, a model, estimating the mechanical properties of the manufactured part, is developed. It is found that there is a positive correlation between the particles’ fraction and certain mechanical properties, namely the elastic modulus E11 and E22, and the shear modulus G12 and G23. Nevertheless, the Poisson’s ratio (Nu12) is inversely proportional to the particles’ fraction. Also, the shear module G12 is the most significantly influenced by this fraction. Following this, the control of the mechanical properties of the composite parts, manufactured by the CRTM process, is targeted, and compared to the results of the RTM process. The conclusions reveal that the RTM process offers a better control of these properties. Whereas, the CRTM process improves considerably the mechanical properties of the parts due to its compression phase, which increases the fibers’ volume fraction and consequently enhances these properties. Finally, a static analysis is conducted based on the developed numerical model that uses the finite element method (Ansys APDL). This model is combined with those of the CRTM process and the mechanical properties calculation. An optimization algorithm is integrated in our global model to adapt the mechanical properties of the composite part according to the configuration (cantilever or simply supported) and the load distribution. Moreover, it minimizes the composite part’s weight and ensures the respect of the predetermined mechanical constraints such as the maximum deformation limit. The obtained results correspond perfectly to these objectives.

Modélisation numérique et optimisation des matériaux à changement de phase : applications aux systèmes complexes

Doctorant·e: BOUGUILA MAISSA
Direction de thèse: EL HAMI ABDELKHALAK (Directeur·trice de thèse)
BEN SOUF MOHAMED AMINE (Co-directeur·trice de thèse)
HADDAR MOHAMED (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 12/04/2024 à 14:30
Lieu de la soutenance: Salle des conseilles INSA Rouen Normandie
Rapporteurs de la thèse: BAREILLE OLIVIER MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR Ecole Centrale de Lyon
MEZLINI SALAH PROFESSEUR Ecole Nationale d'Ingénieur de Monastir
Membres du jurys: BAREILLE OLIVIER, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, Ecole Centrale de Lyon
BEN SOUF MOHAMED AMINE, PROFESSEUR, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Sfax
BEN TAHAR MABROUK, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Technologie de Compiègne
EL HAMI ABDELKHALAK, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
HADDAR MOHAMED, PROFESSEUR, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Sfax
MEZLINI SALAH, PROFESSEUR, Ecole Nationale d'Ingénieur de Monastir
SAOUAB ABDELGHANI, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université Le Havre Normandie
VERNIERES LAMIAE, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, INSA de Rouen Normandie

Résumé: Les matériaux à changement de phase MCP révèlent des performances importantes dans le domaine de la gestion thermique. Ces matériaux ont une capacité importante de stockage thermique. L’excès de la chaleur dissipée par les composantes électroniques peut causer des graves défaillances. Un système de refroidissement développé basé sur les matériaux à changement de phase est l’une des solutions les plus recommandées afin d’assurer un fonctionnement sécurisé de ces composants microélectroniques. Bien que la faible conductivité de ces matériaux soit considérée comme la limitation majeure de leurs utilisations dans les applications de gestion thermique. L’objectif principal de cette thèse est l’amélioration de la conductivité thermique de ces matériaux et l’optimisation des dissipateurs thermiques. Dans les premiers chapitres, des modélisations numériques sont effectuées afin de déterminer la configuration optimale d’un dissipateur à partir de l’étude de plusieurs paramètres comme l’insertion des ailettes, la dispersion des nanoparticules et l’utilisation de multiples matériaux à changement de phase. L’innovation de cette étude est la modélisation du transfert thermique des matériaux à changement de phase avec une concentration des nanoparticules relativement importante par rapport à la littérature et plus précisément les travails scientifiques expérimentaux. Des conclusions intéressantes sont extraites de cette étude paramétrique qui va nous permettre par la suite de proposer un nouveau modèle basé sur des multiples des matériaux à changement de phase améliorés avec les nanoparticules. Des études d’optimisation fiabiliste sont après réalisées. En premier lieu, une étude d’optimisation fiabiliste mono-objective a été réalisé dans le but est de proposer un modèle du dissipateur fiable à multiple NANOMCPS avec des dimensions optimales. Donc l’objectif est d'optimiser (minimiser) le volume total du dissipateur tout en considérant les différents contraintes géométriques et fonctionnels. La méthode hybride robuste (RHM) montre une efficacité à proposer un modèle fiable et optimal comparant à la méthode d’optimisation déterministe (DDO) et les différentes méthodes d’optimisation de la conception basée sur la fiabilité (RBDO) considérées. En plus de la nouveauté de modèle proposée basé sur des multiples NANOMCPs, l’intégration d’une méthode de RBDO développée (RHM) pour l’application de gestion thermique est considérée comme une innovation dans la littérature récente. En deuxième lieu, une étude d’optimisation fiabiliste multi objective est proposée. Deux objectives sont considérées : le volume total du dissipateur et le temps de décharge pour atteindre la température ambiante. De plus, l’utilisation d’une méthode d’optimisation RHM, et l’algorithme génétique de tri non dominée, sont adoptées afin de chercher le modèle optimal et fiable qui offre le meilleur compromis entre les deux objectifs. En outre, un modèle de substitution avancée est établi dans le but de réduire le temps de simulation vu que le nombre important des itérations jusqu'à aboutir à un modèle optimal.
Abstract: Phase-change materials exhibit considerable potential in the field of thermal management. These materials offer a significant thermal storage capacity. Excessive heat dissipated by miniature electronic components could lead to serious failures. A cooling system based on phase-change materials is among the most recommended solutions to guarantee the reliable performance of these microelectronic components. However, the low conductivity of these materials is considered a major limitation to their use in thermal management applications. The primary objective of this thesis is to address the challenge of improving the thermal conductivity of these materials. Numerical modeling is conducted, in the first chapters, to determine the optimal configuration of a heat sink, based on the study of several parameters such as fin insertion, nanoparticle dispersion, and the use of multiple phase-change materials. The innovation in this parametric study lies in the modeling of heat transfer from phase-change materials with relatively high nanoparticle concentration compared to the low concentration found in recent literature (experimental researchs). Significant conclusions are deducted from this parametric study, enabling us to propose a new model based on multiple phase-change materials improved with nanoparticles (NANOMCP). Reliable optimization studies are then conducted. Initially, a mono-objective reliability optimization study is carried out to propose a reliable and optimal model based on multiple NANOMCPs. The Robust Hybrid Method (RHM) proposes a reliable and optimal model, compared with the Deterministic Design Optimization method (DDO) and various Reliability Design Optimization methods (RBDO). Furthermore, the integration of a developed RBDO method (RHM) for the thermal management application is considered an innovation in recent literature. Additionally, a reliable multi-objective optimization study is proposed, considering two objectives: the total volume of the heat sink and the discharge time to reach ambient temperature. The RHM optimization method and the non-dominated sorting genetics algorithm (C-NSGA-II) were adopted to search for the optimal and reliable model that offers the best trade-off between the two objectives. Besides, An advanced metamodel is developed to reduce simulation time, considering the large number of iterations involved in finding the optimal model.

Conception d'un détecteur de système mécatronique mobile intelligent pour observer des molécules en phase gazeuse en IR.

Doctorant·e: CHAKCHOUK MOHAMED
Direction de thèse: EL HAMI ABDELKHALAK (Directeur·trice de thèse)
HADDAR MOHAMED (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 12/04/2024 à 09:30
Lieu de la soutenance: la salle des conseilles MAGELLAN, INSA Rouen Normandie
Rapporteurs de la thèse: CHOUCHANE MNAOUAR PROFESSEUR Ecole Nationale d'Ingénieur de Monastir
ICHCHOU MOHAMED PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Ecole Centrale de Lyon
Membres du jurys: CHOUCHANE MNAOUAR, PROFESSEUR, Ecole Nationale d'Ingénieur de Monastir
DAHOO PIERRE RICHARD, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Versailles
EL HAMI ABDELKHALAK, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
GAFSI WAJIH, MAÎTRE DE CONFÉRENCES, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Sfax
HADDAR MOHAMED, PROFESSEUR, École Nationale d'Ingénieurs de Sfax
ICHCHOU MOHAMED, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Ecole Centrale de Lyon
SAOUAB ABDELGHANI, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université Le Havre Normandie
VERNIERES LAMIAE, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, INSA de Rouen Normandie

Résumé: Ce travail anticipe que, dans un monde technologique numérique en constante expansion, les percées technologiques dans l'analyse des données collectées par des dispositifs spectroscopiques permettront l'identification presque instantanée d'espèces connues observées in-situ dans un environnement spécifique, laissant l'analyse approfondie nécessaire aux espèces non observées. La méthode dérivée de la technologie RBDO (Reliability Based Design Optimisation) sera utilisé pour implémenter une procédure d’intelligence artificielle afin d'identifier les espèces observées à partir d'un capteur IR mobile. Afin d'analyser avec succès les données obtenues, il est nécessaire d'assigner de manière appropriée les espèces moléculaires à partir des données IR observées en utilisant les modèles théoriques appropriés. Ce travail se concentre sur l'observation à partir d'appareils mobiles équipés de capteurs, d'antennes et d'électronique appropriés pour capturer et envoyer des données brutes ou analysées à partir d'un environnement spectroscopique IR intéressant. Il est donc intéressant voir indispensable de se concentrer sur les outils théoriques basés sur la symétrie pour l'analyse spectroscopique des molécules, ce qui permet d'identifier les fenêtres IR à choisir pour l'observation dans la conception de l'appareil. Ensuite, en ajustant les paramètres théoriques spectroscopiques aux fréquences observées, le spectre d'une espèce moléculaire peut être reconstruit. Une déconvolution des spectres observés est nécessaire avant l'analyse en termes d'intensité, de largeur et de centre de raie caractérisant une forme de raie. Une stratégie adéquate est donc nécessaire lors de la conception pour inclure l'analyse des données pendant la phase d'observation, qui peut bénéficier d'un algorithme d'intelligence artificielle pour tenir compte des différences dans la signature spectrale IR à cet égard, le pouvoir analytique des données de l'instrument peut être amélioré en utilisant la méthodologie d'optimisation de la conception basée sur la fiabilité (RBDO). Basée sur le comportement multiphysique de la propagation des incertitudes dans l'arbre hiérarchique du système, la RBDO utilise une modélisation probabiliste pour analyser l'écart par rapport à la sortie souhaitée comme paramètres de rétroaction pour optimiser la conception au départ. Le but de cette thèse est de traiter les paramètres de fenêtres d'observation IR, afin de traiter les questions de fiabilité au-delà de la conception mécatronique, pour inclure l'identification des espèces par l'analyse des données collectées.
Abstract: This work anticipates that, in an ever-expanding digital technology world, technological breakthroughs in the analysis of data collected by spectroscopic devices will allow the almost instantaneous identification of known species observed in-situ in a specific environment, leaving the necessary in-depth analysis of unobserved species. The method derived from RBDO (Reliability Based Design Optimization) technology will be used to implement an artificial intelligence procedure to identify observed species from a mobile IR sensor. To successfully analyze the obtained data, it is necessary to appropriately assign molecular species from the observed IR data using appropriate theoretical models. This work focuses on the observation from mobile devices equipped with appropriate sensors, antennas, and electronics to capture and send raw or analyzed data from an interesting IR spectroscopic environment. It is therefore interesting if not essential to focus on symmetry-based theoretical tools for the spectroscopic analysis of molecules, which allows to identify the IR windows to be chosen for observation in the design of the device. Then, by fitting the theoretical spectroscopic parameters to the observed frequencies, the spectrum of a molecular species can be reconstructed. A deconvolution of the observed spectra is necessary before the analysis in terms of intensity, width and line center characterizing a line shape. Therefore, an adequate strategy is needed in the design to include data analysis during the observation phase, which can benefit from an artificial intelligence algorithm to account for differences in the IR spectral signature In this regard, the analytical power of the instrument data can be improved by using the reliability-based design optimization (RBDO) methodology. Based on the multi-physics behavior of uncertainty propagation in the hierarchical system tree, RBDO uses probabilistic modeling to analyze the deviation from the desired output as feedback parameters to optimize the design in the first place. The goal of this thesis is to address IR observation window parameters to address reliability issues beyond mechatronic design to include species identification through analysis of collected data.

Oxycombustion de l'hydrogène et de mélanges hydrogène-méthane : étude des caractéristiques de flamme

Doctorant·e: GUIBERTEAU CLEMENT
Direction de thèse: HONORE DAVID (Directeur·trice de thèse)
CESSOU ARMELLE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 08/04/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance: CORIA
Rapporteurs de la thèse: GALIZZI CÉDRIC PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
ROUSSELLE CHRISTINE PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Université d'Orléans
Membres du jurys: CESSOU ARMELLE, DIRECTEUR DE RECHERCHE, Université de Rouen Normandie
GALIZZI CÉDRIC, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
HONORE DAVID, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
LAMOUREUX NATHALIE, INGENIEUR DE RECHERCHE, Université de Lille
MARCANO NIOMAR, INGENIEUR DE RECHERCHE, AIR LIQUIDE
ROUSSELLE CHRISTINE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université d'Orléans
VICQUELIN RONAN, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, CentraleSupélec

Résumé: La décarbonation des procédés industriels de combustion haute-température (hauts-fourneaux, fours verriers, four à clinker, . . .) est possible par l’utilisation de différents combustibles alternatifs. Parmi eux, l’hydrogène est envisagé. Par rapport au méthane, l’hydrogène est plus léger et moins énergétique à vo- lume égal, sa combustion se caractérise par une augmentation de la vitesse de flamme laminaire et de la température de flamme (en combustion à l’air mais pas nécessairement en oxycombustion) et enfin par des fumées plus humides. La disparition du carbone atomique dans l’oxyflamme d’hydrogène implique aussi la disparition de certaines réactions chimiques et des suies. Un changement de combustible du mé- thane à l’hydrogène va donc induire des effets en termes de structure de flammes, de transfert thermique, d’émissions polluantes et de rayonnement spontané. L’objectif de la thèse est d’étudier ces effets par une approche expérimentale sur une oxyflamme turbulente non-prémélangée coaxiale en caractérisant les conséquences d’une augmentation de la proportion d’hydrogène dans le combustible. Les conditions ex- périmentales reproduisent à l’échelle de laboratoire celles d’un four industriel et permettent des mesures non-intrusives dans la flamme grâce aux accès optiques. L’étude caractérise le rayonnement spontané d’une oxyflamme d’hydrogène et explore notamment ses propriétés de candoluminescence orangée. La structure des zones de réactions et la longueur de la flamme sont étudiées par imagerie de chimiluminescence sur les radicaux OH∗ et CH∗. Les interactions entre l’écoulement et la flamme sont étudiées par vélocimétrie par images de particules et fluorescence induite par laser sur le radical OH synchrones. Enfin, les consé- quences de l’enrichissement en hydrogène sur le transfert thermique et les émissions d’oxydes d’azote sont mesurées. Ces résultats expérimentaux sont soutenus par des calculs numériques de thermocinétique et de transfert radiatif monodimensionnels. La méthodologie utilisée dans ces travaux avec des résultats expérimentaux et numériques permet de comprendre les principales modifications des caractéristiques de flammes lors de la transition du méthane vers l’hydrogène en oxycombustion.
Abstract: The decarbonation of high-temperature industrial combustion processes (to produce iron, glass, ce- ment . . .) is considered using alternative fuels. Among them, hydrogen is considered. Compared to me- thane, hydrogen has a lower density and lower energy density for an equivalent volume. Its combustion is characterized by an increase of laminar flame speed, water vapor content in flue gases and flame tempera- ture, this latter one more significant in air combustion than in oxycombustion. A progressive replacement of methane by hydrogen induces significant changes in flame structure and combustion features that need to be explored. The objective of this work is to study these effects by an experimental approach on a coaxial diffusion oxyflame, characterizing the consequences of increase of the hydrogen proportion in the (CH4 − H2) fuel blend up to pure hydrogen. This is done in a lab-scale facility reproducing industrial furnace operating conditions and allowing in-flame measurements thanks to modular optical accesses. The study characterize spontaneaous emissions from hydrogen oxyflame and particularly its orange can- doluminescents properties. Reaction zones structure and flame length are studied with OH∗ and CH∗ chemiluminesences. Interactions between flame and flow are studied with synchronized planar laser indu- ced fluorescence and particles images velocimetry. Finally, consequences of hydrogen proportion increase on thermal transfer and nitrogen oxydes are mesured. These experimental results are sustained by mo- nodimensionnal numerical thermokinetical and radiative transfer calculations. The applied methodology used in this work having experimental results, together with numerical calculations allowed to unders- tand the significant modifications of flame characteristics when transitioning gaseous fuel from methane to hydrogen with pure oxygen oxidizers.

Dynamics of coherent structures over wind turbine blade

Doctorant·e: ARMALY Majd
Direction de thèse: CESSOU ARMELLE (Directeur·trice de thèse)
LECORDIER BERTRAND (Co-encadrant·e de thèse)
VAREA EMILIEN (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 21/02/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance: Laboratoire CORIA
Rapporteurs de la thèse: CHATELLIER LUDOVIC Maître de Conférences HDR Université Poitiers
MAZELLIER NICOLAS Professeur des Universités Université d'Orléans
Membres du jurys: CESSOU ARMELLE, , Université de Rouen Normandie
CHATELLIER LUDOVIC, Maître de Conférences HDR, Université Poitiers
DANAILA LUMINITA, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie
FOUCAUT JEAN-MARC, Professeur des Universités, ECOLE CENTRALE LILLE
LECORDIER BERTRAND, Chargé de Recherche, Université de Rouen Normandie
MAZELLIER NICOLAS, Professeur des Universités, Université d'Orléans
PERRET GAELE, Maître de Conférences, Université Le Havre Normandie

Résumé: L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer quantitativement le comportement dynamique de l’écoulement d’air turbulent autour d’un profil aérodynamique NACA en fonction de l’écoulement en amont. L’écoulement en amont est constitué d’une famille de structures cohérentes, chacune ayant ses propres échelles temporelles et spatiales. En outre, cet écoulement en amont peut inclure un cisaillement moyen dû à une couche limite à grande échelle. Ces situations se rencontrent couramment dans les parcs d’éoliennes et de turbines marines, où le sillage généré par une turbine devient l’écoulement en amont de la suivante, et où la couche limite atmosphérique peut influencer la dynamique de l’écoulement de l’air du profil aérodynamique. La recherche aérodynamique sur les éoliennes s’est principalement concentrée sur la réponse générale des profils aérodynamiques et sur l’écoulement en aval. Cependant, les profils aérodynamiques ne sont pas encore pris en compte dans un écoulement en amont avec la présence d’une famille de structures cohérentes. Cette étude prend en compte les aspects spatiaux et temporels, ce qui est crucial pour comprendre comment l’énergie cinétique transportée par ces mouvements cohérents est capturée dans le sillage. La nouveauté du projet est de fournir une analyse complémentaire et plus détaillée des interactions entre le profil aérodynamique et l’écoulement en amont, basée sur l’analyse de l’intermittence des conditions en amont. Cela permet de mieux comprendre la réponse dynamique de l’aile en aval et la distribution de l’énergie cinétique sur l’aile. Pour atteindre cet objectif, les distributions de pression (structures cohérentes) doivent être moyennées en phase avec un conditionnement basé sur la dynamique du flux en amont. Ce type d’analyse représente une nouvelle approche et nécessite le développement de méthodes spécialisées à appliquer à des cas complexes. L’un des principaux domaines d’investigation du projet est l’étude de l’énergie cinétique turbulente totale (TKE) lorsque les paquets de structures cohérentes en amont interagissent avec le profil aérodynamique en aval. En outre, d’autres recherches peuvent être menées sur l’énergie cinétique turbulente, en considérant les interactions entre les différentes composantes des fluctuations, telles que les interactions entre le mouvement cohérent et le mouvement aléatoire. Ce travail de thèse est intégré dans le cadre du projet DYNEOL (ANR-17-CE06-0020) qui est financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR). Le projet est une recherche collaborative associant quatre laboratoires français.
Abstract: The primary objective of the thesis is to quantitatively assess the dynamic behavior of turbulent airflow around a NACA airfoil as a function of the upstream flow. The upstream flow consists of a family of coherent structures, each with its own distinct temporal and spatial scales. Additionally, this upstream flow may include a mean shear due to a largescale boundary layer. These situations are commonly encountered in wind and marine turbine farms, where the wake generated by one turbine becomes the upstream flow for the next one, and where the atmospheric boundary layer can influence the dynamics of the airfoil’s airflow. Aerodynamic research on wind turbines has primarily focused on the general response of airfoils, and the flow downstream. However, airfoils are not considered yet in an upstream flow with the presence of a family of coherent structures. This study takes into account the spatial and temporal aspects, which is crucial for understanding how efficiently the kinetic energy carried by these coherent motions is captured within the wake. The novelty of the project is to provide a complementary and more detailed analysis of the airfoil-upstream flow interactions based on the analysis of the intermittency of the upstream conditions. This helps to gain insights into the dynamic response of the downstream airfoil and the distribution of kinetic energy over the airfoil. To achieve this goal, pressure distributions (coherent structures) must be phase-averaged with a conditioning based on the dynamics of the upstream flow. This type of analysis represents a novel approach and requires the development of specialized methods to be applied to such complex cases. One of the key areas of investigation within the project is the study of the total turbulent kinetic energy (TKE) when the upstream coherent structure packets interact with the downstream airfoil. Additionally, further research can be involved into turbulent kinetic energy, considering the interactions between different components of fluctuations, such as the interactions between coherent and random motion. This thesis work is integrated in the framework of DYNEOL (ANR-17-CE06-0020) project that is funded by the French National Agency of Research (ANR). The project is a collaborative research involving four French laboratories, including the CORIA laboratory.

Structuration of SrTiO3 surfaces and MoS2 2D material induced by swift heavy ion irradiation at grazing incidence

Doctorant·e: RAHALI Radia
Direction de thèse: LEBIUS HENNING (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 05/02/2024 à 09:15
Lieu de la soutenance: Université de Caen Normandie - salle des thèses- Bâtiment Science 3 - Campus 2 - Côte de nacre Boulevard Maréchal Juin 14032 Caen Cedex 5.
Rapporteurs de la thèse: CLOCHARD MARIE-CLAUDE Directeur de recherche au CEA ECOLE POLYTECHNIQUE
TRASSINELLI MARTINO Chargé de recherche HDR Sorbonne Université
Membres du jurys: CLOCHARD MARIE-CLAUDE, Directeur de recherche au CEA, ECOLE POLYTECHNIQUE
GRYGIEL CLARA, Directeur de recherche au CEA, Université de Caen Normandie
LEBIUS HENNING, Directeur de recherche au CEA, Université de Caen Normandie
SCHLEBERGER Marika, Professeur , Université Duisburg-Essen
TRASSINELLI MARTINO, Chargé de recherche HDR, Sorbonne Université

Résumé: La modification des matériaux a permis de faire des progrès significatifs dans les domaines technologiques en permettant un contrôle et une manipulation précis des propriétés des matériaux. Pour garantir le succès des applications, il est essentiel de disposer de techniques permettant de contrôler la taille, la forme et la morphologie des structures créées. Cette thèse explore l'utilisation d'ions lourds rapides (SHI) pour créer des nano- et microstructures sur les surfaces du titanate de strontium (SrTiO3) et du disulfure de molybdène (MoS2) avec une géométrie d'incidence rasante. Les résultats démontrent que l'irradiation aux ions lourds rapides peut induire diverses modifications de surface, telles que chaines de nanobosses, des cratères, des structures ondulatoires et de l'amorphisation. La thèse démontre qu'en ajustant la fluence et l'angle d'incidence du faisceau d'ions, des structures d'onde périodiques peuvent être formées sur la surface de SrTiO3. Ces structures peuvent avoir des tailles différentes, avec des tranchées plus ou moins prononcées. Cette structure peut être utilisée pour des dépôts de couches de matériaux bidimensionnels et obtenir des hétéro-structures avec des interfaces bien définies. Les résultats démontrent également que l'irradiation peut induire des pliages dans des échantillons monocouches de MoS2. L'angle d'incidence du faisceau d'ions et le substrat utilisé peuvent contrôler les défauts. Le choix du substrat peut également influencer la densité et la longueur des plis. Il est montré que l'utilisation de SrTiO3 comme substrat permet la création de plis de longueurs variables sans la nécessité de conditions d'orientation cristallographique spécifiques.
Abstract: Materials modification has enabled significant advancements in the technological fields by allowing for precise control and manipulation of material properties. To ensure successful applications, it is crucial to have techniques that offer control over the size, shape, and morphology of the structures created. This thesis explores the use of swift heavy ions (SHI) to create nano- and microstructures on the surfaces of strontium titanate (SrTiO3) and molybdenum disulphide (MoS2) under grazing incidence geometry. The results show that SHI irradiation can induce various surface modifications, such as elongated surface defects, wave-like structures, and amorphization. This research demonstrates that by adjusting the fluence and angle of incidence of the ion beam, periodic wave-like structures can be formed on the surface of SrTiO3. These structures can be deepened to obtain more pronounced valley, which can be used to directly grow two-dimensional materials and obtain heterostructures with well-defined interfaces. The results also demonstrates that SHI irradiation can induce foldings in MoS2 samples. The angle of incidence of the ion beam and the substrate used can control the defects. The choice of substrate can also influence folds density and length. It is shown that using SrTiO3 as a substrate allows the folding with variable lengths without the need for specific crystallographic orientation conditions.

Single biomass pellet degradation during combustion: influence of raw elemental composition determined by LIBS

Doctorant·e: ACEVEDO TURBI PAHOLA ANNETTE
Direction de thèse: COPPALLE ALEXIS (Directeur·trice de thèse)
LACOUR CORINE (Co-encadrant·e de thèse)
MOREL VINCENT (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 31/01/2024 à 13:30
Lieu de la soutenance: Salle de conférence du CORIA
Rapporteurs de la thèse: MOTTO-ROS VINCENT MAITRE DE CONFERENCES HDR Université Claude Bernard Lyon 1
TSCHAMBER VALERIE PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Université de Haute Alsace
Membres du jurys: COPPALLE ALEXIS, PROFESSEUR DES UNIVERSITES EMERITE, INSA de Rouen Normandie
HONORE DAVID, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
LACOUR CORINE, MAITRE DE CONFERENCES, INSA de Rouen Normandie
MOREL VINCENT, MAITRE DE CONFERENCES, Université de Rouen Normandie
MORIN CELINE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université Polytechnique Hauts-de-France
MOTTO-ROS VINCENT, MAITRE DE CONFERENCES HDR, Université Claude Bernard Lyon 1
ROGAUME YANN, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Lorraine
TSCHAMBER VALERIE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Haute Alsace

Résumé: La demande mondiale croissante d’énergie et les préoccupations environnementales croissantes ont propulsé l’exploration d’alternatives durables aux sources de carburant conventionnelles. La biomasse se présente comme une ressource renouvelable prometteuse, capable d'atténuer la crise énergétique mondiale tout en garantissant la durabilité environnementale. Cette étude se penche sur le comportement de combustion de trois biomasses distinctes : le bois d'origine forestière, le miscanthus herbacé et la paille d'orge résiduelle agricole. En examinant le comportement des particules individuelles pendant la combustion, la recherche cherche à élucider les processus fondamentaux régissant la conversion de la biomasse en énergie et à comprendre les comportements de combustion uniques des différentes sources de biomasse. La complexité de la combustion de la biomasse, influencée par des facteurs tels que la composition chimique, la teneur en éléments et les étapes de combustion, est au cœur de l'enquête. Les premiers résultats mettent en évidence les effets catalytiques potentiels d’éléments mineurs comme le sodium (Na) et le potassium (K) sur le comportement de combustion, ce qui nécessite des études approfondies pour comprendre pleinement leur influence. Grâce à une caractérisation complète, l'étude identifie trois étapes critiques de combustion des particules de biomasse : la perte d'humidité, la dévolatilisation et l'oxydation du charbon, révélant des distinctions significatives dans les points d'inflammation entre les sources de biomasse étudiées. La thèse vise à contribuer de manière significative à la compréhension de la production d'énergie basée sur la biomasse et de ses implications environnementales, en fournissant une base pour les progrès futurs dans l'utilisation de la biomasse, la production d'énergie et les pratiques durables.
Abstract: The escalating global demand for energy and mounting environmental concerns have propelled the exploration of sustainable alternatives to conventional fuel sources. Biomass stands out as a promising renewable resource capable of alleviating the worldwide energy crisis while addressing environmental sustainability. This study delves into the combustion behavior of three distinct biomass: forest-derived wood, herbaceous miscanthus, and agricultural residue barley straw. By scrutinizing individual particle behavior during combustion, the research seeks to unravel the fundamental processes governing biomass conversion into energy and understand the unique combustion behaviors of different biomass sources. The complexity of biomass combustion, influenced by factors like chemical composition, elemental content, and combustion stages, lies at the heart of the investigation. Initial findings highlight potential catalytic effects of minor elements like sodium (Na) and potassium (K) on combustion behavior, prompting the need for in-depth studies to fully comprehend their influence. Through comprehensive characterization, the study identifies three critical combustion stages for biomass particles: humidity loss, devolatilization, and char oxidation, revealing significant distinctions in ignition points among the investigated biomass sources. The thesis aims to significantly contribute to understanding biomass-based energy generation and its environmental implications, providing a foundation for future advancements in biomass utilization, energy production, and sustainable practices.

BINARY METAL OXIDES THIN FILMS AND THEIR ROLE IN UNDERSTANDING CELL-MATERIAL INTERACTION

Doctorant·e: YADAV Abhishek
Direction de thèse: PRELLIER Wilfrid (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 19/01/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance: CRISMAT LAB MEETING ROOM
Rapporteurs de la thèse: DESFEUX Rachel Professeur des universités Universite Artois
TESSIER FRANCK Directeur de recherche au CNRS UNIVERSITE RENNES 1
Membres du jurys: BOUMEDIENE Karim, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
DESFEUX Rachel, Professeur des universités, Universite Artois
LEMEE NATHALIE, Professeur des universités, UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
PRELLIER Wilfrid, Directeur de recherche au CNRS, ENSICAEN
TESSIER FRANCK, Directeur de recherche au CNRS, UNIVERSITE RENNES 1

Résumé: La compréhension de la manière dont la chimie de surface, la composition des matériaux et les conditions de dépôt affectent la fonction cellulaire est cruciale pour la création de substrats en biomédecine et pour les prothèses orthopédiques. Cette thèse examine l'impact des films minces d'oxydes métalliques sur le comportement des cellules humaines et bactériennes, en se concentrant sur VOx, CuTiO, Al2O3, ZnO et TiO2 en tant que substrats. Grâce à la technique de dépôt laser pulsé (PLD), nous avons obtenu une rugosité de surface de 0,1 à 0,9 nm et évalué les caractéristiques hydrophiles de tous les films. Cela garantit des paramètres de recherche idéaux pour l'adhérence cellulaire. Notre recherche initiale indique que VOx adhère et favorise la prolifération des cellules souches mésenchymateuses dérivées de la moelle osseuse humaine (hBMMSCs) lorsqu'il est déposé à 400°C. De plus, les revêtements VOx ont favorisé la chondrogénèse sans avoir d'effet sur la différenciation adipogénique et ostéogénique. Par ailleurs, les films Cu0,75Ti0,25O2 ont été testés pour leurs caractéristiques antibactériennes, montrant une diminution de 20 % de la prolifération bactérienne, indiquant un potentiel d'inhibition de la croissance des biofilms. Après avoir examiné la biocompatibilité des films VOx et CuTiO, nous avons entrepris une investigation plus approfondie, incluant les cellules cancéreuses et l'inhibition du développement cellulaire sur d'autres films d'oxydes métalliques. À cette fin, nous avons utilisé des films minces composés d'oxydes binaires tels que ZnO, Al2O3, CuO, VOx et TiO2 pour étudier le comportement des cellules cancéreuses, produisant des résultats divers. TiO2 et Al2O3 ont amélioré l'adhérence et la prolifération à des niveaux équivalents ou supérieurs à ceux observés sur un support en polyéthylène téréphtalate (PET) classique. Cependant, CuO et ZnO ont pu éliminer les cellules SKOV3 présentes dans le cancer de l'ovaire. Cette recherche approfondie démontre les réponses biologiques complexes et variées aux revêtements minces composés d'oxydes métalliques, renforçant ainsi notre compréhension de l'impact de ces films sur différents types cellulaires, soulignant l'importance du choix des matériaux en recherche biomédicale.
Abstract: Understanding how surface chemistry, material composition, and deposition conditions affect cellular function is crucial for building substrates for bio medicine and orthopedic prostheses. This thesis examines the impact of metal oxide thin films on human and bacterial cell behavior, focusing on VOx, CuTiO, Al2O3, ZnO, and TiO2 as substrates. With Pulsed Laser Deposition (PLD), we achieved 0.1-0.9 nm surface roughness and evaluated all films’ hydrophilic characteristics. This ensures ideal cell adhesion research settings. VOx adheres to and promotes the proliferation of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hBMMSCs) when deposited at 400°C, according to our initial research. Additionally, VOx coatings promoted chondrogenesis while having no effect on adipogenic and osteogenic differentiation. furthermore, Cu0.75Ti0.25O2 films were tested for antibacterial characteristics. A decrease of 20% in bacterial proliferation indicates that these coatings have the potential to inhibit the growth of biofilms. Following our examination of the bio-compatibility of VOx and CuTiO films, we proceeded to conduct a more in-depth investigation including cancer cells and the inhibition of cell development on other metal oxide films. For this purpose, we employed thin films composed of binary oxides such as ZnO, Al2O3, CuO, VOx, and TiO2 to investigate the behavior of cancer cells, yielding diverse outcomes. TiO2 and Al2O3 enhanced adhesion and proliferation to levels that were equivalent to or higher than those observed on regular polyethylene terephthalate (PET) support. However, CuO and ZnO were able to eradicate SKOV3 cells that were seen in ovarian cancer. This extensive investigation demonstrates the intricate and varied biological responses to thin coatings composed of metal oxides. The findings augment our comprehension of the impact of oxide thin films on various cell types, underscoring the significance of material choice in biomedical research.

On the stochastic response of rotor-blade models with Floquet modal theory: applications to time-dependent reliability of tidal turbine blades

Doctorant·e: SANCHEZ JIMENEZ OSCAR
Direction de thèse: PAGNACCO Emmanuel (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 21/12/2023 à 14:30
Lieu de la soutenance: INSA Rouen Normandie
Bâtiment Magellan, 1ere étage, Salle MA-J-R1-01
685 Avenue de l'Université
76801 Saint-Etienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse: BLANZE CLAUDE PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Conservatoire National des Arts et Métiers, Paris
JACQUELIN ERIC PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Université Claude Bernard Lyon 1
Membres du jurys: BLANZE CLAUDE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Conservatoire National des Arts et Métiers, Paris
DE QUEIROZ LIMA ROBERTA, ASSISTANT PROFESSOR, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
GERMAIN GREGORY, CHERCHEUR, Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer
JACQUELIN ERIC, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université Claude Bernard Lyon 1
PAGNACCO Emmanuel, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, INSA de Rouen Normandie
RIXEN DANIEL JEAN, PROFESSEUR, Technische Universität München, Germany

Résumé: Le sujet d'étude est la réponse d’un système mécanique déterministe en rotation et soumis à des sollicitations stochastiques. Pour cela, un modèle mécano-probabiliste est développé, résultant de la combinaison de deux éléments : le système mécanique au comportement dit non-standard, et les sollicitations, représentées par un champ stochastique corrélé. L'application vise l'analyse fiabiliste d’une hydrolienne, décrite par un modèle mécanique d’ordre réduit. Plusieurs méthodes sont présentées, comparées et leurs limitations sont mises en évidence. Les résultats obtenus sont contrastés avec ceux de la bibliographie. En particulier, l’aspect innovant se trouve dans le type de quantité mécanique modélisée, le traitement et l'interprétation des quantités modales, et le type de processus stochastique considéré comme sollicitation. Plus précisément, le modèle dynamique développé décrit une classe de systèmes mécaniques de type rotor-pale. Il a été construit par une combinaison judicieuse de résultats des domaines de l'éolien, l'hydrolien, la dynamique des rotors et des vibrations mécaniques. La formulation lagrangienne de la mécanique analytique est utilisée pour obtenir les équations du système dynamique. L'assemblage obtenu avec des composants élastiques linéaires, introduits avec leur comportement modal, produit des termes instationnaires, résultant dans des équations différentielles ordinaires à coefficients périodiques. Pour l'analyse de ce problème mécanique déterministe, l’analyse modale numérique traditionnelle est ici étendue grâce à la théorie de Floquet. La réponse du système est formulée en termes des exposants caractéristiques du système et des vecteurs propres de Floquet, ou vecteurs propres périodiques, permettant une représentation modale de la matrice de transition de Floquet. Diverses méthodes peuvent alors être appliquées pour l'analyse modale du système et on propose une nouvelle méthode basée sur la représentation temps-fréquence grâce aux ondelettes périodiques généralisées. Pour considérer les sollicitations aléatoires instationnaires et non-gaussiennes, on utilise une écriture innovante pour la propagation des moments. L’avantage de cette technique vient de l’aspect pratique et systématique des développements, ce qui est particulièrement avantageux lorsqu'elle est appliquée à des champs spatio-temporels instationnaires. En combinant cette technique avec une méthode d’estimation de la densité de probabilité basée sur le principe d’entropie maximale, nous arrivons à l’estimation de la distribution des valeurs extrêmes de la réponse cherchée en considérant le problème de dépassement d’un seuil par ce processus instationnaire, permettant ainsi la résolution du problème posé en termes de fiabilité dépendante du temps.
Abstract: The response of a deterministic rotating mechanical system under stochastic excitation is studied. A mechanical-probabilistic model is developed to combine the relevant characteristics of both aspects of the study: the behavior of this non-standard class of mechanical system and the random properties of correlated stochastic fields describing load processes. The results are applied to a reliability analysis of a reduced order model of a tidal turbine. Semi-analytic and empirical ( in the Monte-Carlo simulation sense) results are obtained, compared and contrasted. The results are framed with respect to the existing literature, and it is found that they provide an innovative treatment of the problem, in terms of the dynamical choices reflected in the model, in the presentation and interpretation of the modal aspects of the system, and in the type of stochastic inputs considered. We develop a dynamical model describing a broad class of mechanical system that models a rotor-blade structure. The model is informed by careful consideration of previous results, with the aim of constructing a reduced model that captures essential characteristics of the vibratory behavior of the structure. Lagrangian formalism is utilized to obtain the equations of motion. The presence of elastic components, which are discretized in a modal way, results in a system of ordinary differential equations with periodic coefficients. The Floquet theory of Linear time-periodic systems is applied on the deterministic dynamical model to synthesize an extension of traditional modal analysis to systems with periodic coefficients. The response of the system is formulated in terms of Floquet exponents and the associated Floquet periodic eigenvectors, from which the Floquet State Transition Matrix can be obtained. Several methods are applied to the modal study of the system, and a new time-frequency approach is proposed based on PGHW wavelets and its associated scalogram. Using an innovative notation to describe probabilistic moments of stochastic quantities, a moment propagation scheme is presented and exploited. The advantages of the treatment, particularly in the case of spatio-temporal stochastic fields, is in its applicability and systematic structure of development. This moment propagation strategy is coupled with a maximum entropy formulation to reconstruct the probability density function of the response and obtain important descriptors of the response, such as the Extreme Value Distribution. The moment propagation technique presented is applied to nonstationary processes. The results from Modal Floquet theory are integrated into this analysis. The problem of crossings of a certain threshold is considered for this type of nonstationary stochastic process. Their response is shown to yield a time-dependent reliability problem, which is resolved using the estimated EVD and then by numerical simulation

IN GAS JET LASER SPECTROSCOPY OPTIMIZATION FOR HIGH RESOLUTION MEASUREMENT OF ACTINIDES

Doctorant·e: AJAYAKUMAR Anjali
Direction de thèse: SAVAJOLS HERVÉ (Directeur·trice de thèse)
LECESNE NATHALIE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 21/12/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: GANIL
Rapporteurs de la thèse: EVEN JULIA Professeur GRONINGEN - UNIVERSITY OF GRONINGEN
MARSH BRUCE Chercheur HDR CERN
Membres du jurys: BLANK BERTRAM, Directeur de recherche au CNRS, UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
EVEN JULIA, Professeur , GRONINGEN - UNIVERSITY OF GRONINGEN
LECESNE NATHALIE, Ingénieur de recherche au CNRS, 14 GANIL de CAEN
LIENARD Etienne, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
MARSH BRUCE, Chercheur HDR, CERN
SAVAJOLS HERVÉ, Directeur de recherche au CNRS, 14 GANIL de CAEN

Résumé: La Ligne Basse Energie du Super Separator Spectrometer (S3-LEB) est un dispositif expérimental qui a pour objectif de produire des faisceaux d'ions radioactifs de basse énergie dans le cadre de l'installation GANIL-SPIRAL2. Ce travail de thèse traite des premiers résultats hors ligne de S3-LEB incluant les premières mesures de spectroscopie laser dans la cellule à gaz et dans le jet gazeux supersonique, la détermination de l'efficacité de transport des ions produits par ionisation laser résonante, depuis la cellule à gaz à travers la chaîne RFQ, et les mesures de temps de vol avec le spectromètre de masse PILGRIM. Les mesures ont été effectuées en utilisant de l'erbium, introduit par évaporation à partir d'un filament chauffé dans l'environnement gazeux. Les résultats de spectroscopie laser présentés comprennent une caractérisation de l'élargissement de la largeur spectrale due à la pression dans la cellule gazeuse, la validation du principe des mesures du décalage isotopique et de la structure hyperfine dans le jet gazeux. Ce travail démontre le potentiel unique de cette installation pour mener à bien les futures expériences en ligne. L'ionisation et la spectroscopie laser hors ligne de l'uranium et de l'américium de la série des actinides ont également été abordées. Ce travail de thèse comprend également des développements techniques tels que la mise en œuvre des systèmes laser en titane saphir et la construction d’un banc d'essai dédié aux tests des fenêtres d'entrées pour S3-LEB. Un système laser à faisceau continu pompé par diode a été construit pour une application de spectroscopie laser à haute résolution. Les mesures de spectroscopie laser de l'américium effectuées à RISIKO montrent le potentiel d'un tel système laser pour effectuer des mesures à haute résolution dans les actinides.
Abstract: The Super Separator Spectrometer-Low Energy Branch (S3-LEB) is a low-energy radioactive ion beam experimental setup under commissioning as part of the GANIL-SPIRAL2 facility. In this thesis work, the off-line commissioning of the S3-LEB setup, including first laser spectroscopy measurements in both the gas cell and the supersonic gas jet, the determination of the transport efficiency of laser ions from the gas cell through the RFQ chain, and time-of-flight measurements with the multi-reflection time-of-flight mass spectrometer PILGRIM are discussed. The measurements were performed using erbium, introduced by evaporation from a heated filament in the gas environment. The reported laser spectroscopy results include a characterization of the pressure broadening in the gas cell and proof-of principle isotope shift and hyperfine-structure measurements. This work proves the potential of the setup to conduct the future online tests, where erbium is chosen as the first case for online commissioning. Offline laser ionization and spectroscopy of uranium and americium from the actinide series have been discussed. This thesis work also includes technical developments such as the implementation of the titanium sapphire laser systems and a dedicated entrance window test bench for the S3-LEB. A continuous wave diode-pumped laser system has been built for high-resolution laser spectroscopy application. Americium laser spectroscopy measurements at RISIKO present the potential of such a laser system in performing high-resolution measurements in actinides.

Etude du comportement au feu d'assemblages titane-composite pour l'aéronautique

Doctorant·e: VICTOR CLEMENT
Direction de thèse: COPPALLE ALEXIS (Directeur·trice de thèse)
VIEILLE BENOIT (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 20/12/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance: CORIA
Salle de conférence du Laboratoire CORIA
Avenue de l'Université
76801 Saint-Etienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse: BOULET PASCAL PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Université de Lorraine
JACQUEMIN FRÉDÉRIC PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Nantes Université
Membres du jurys: BARBE FABRICE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
BOULET PASCAL, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Lorraine
BOUVET CHRISTOPHE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, ISAE-Sup'Aero Toulouse
COPPALLE ALEXIS, PROFESSEUR DES UNIVERSITES EMERITE, INSA de Rouen Normandie
JACQUEMIN FRÉDÉRIC, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Nantes Université
LECOSSAIS ERIC, DIRECTEUR ADJOINT À LA DIRECTION TECHNIQUE, Safran Nacelles
PREAU MATHIEU, INGENIEUR D'ETUDES, Safran Nacelles
VIEILLE BENOIT, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie

Résumé: Le développement d’avions toujours plus légers avec une utilisation accrue de pièces composites à matrice polymère renforcée par des fibres de carbone soulève plusieurs questions concernant la sécurité à bord, notamment en matière de comportement des matériaux et des structures exposés au feu. En cas d'incendie dans l’environnement moteur d’un avion, les matériaux constituants les aérostructures sont soumis à des températures élevées et doivent répondre à des exigences de sécurité. Les composites à matrice organique ont un comportement thermique, chimique et mécanique très complexe qui, lorsqu'ils sont associés à des pièces métalliques très chaudes, peuvent remettre en question la capacité coupe-feu de ces structures. Ainsi, l’ambition majeure de ces travaux de thèse est de mieux comprendre le comportement au feu des assemblages titane-composites.
Abstract: The development of increasingly lightweight aircraft with greater use of carbon fibre-reinforced polymer matrix composite parts raises a number of questions about on-board safety, particularly in terms of how materials and structures behave when exposed to fire. If a fire occurs in the engine environment of an aircraft, the materials constituting the aerostructures are subjected to high temperatures and must therefore meet safety requirements. Organic matrix composites have very complex thermal, chemical and mechanical behaviour that, when combined with very hot metal parts, could compromise the fireproofing capability of these structures. Thus, the major ambition of this thesis work is to gain a clearer understanding on the fire behaviour of titanium-composite assemblies.

Développement d'un spectromètre/débitmètre neutrons transportable

Doctorant·e: SIMONETTI Claude-Alexandre
Direction de thèse: LABALME MARC (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 20/12/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: Ecole des Applications Militaires de l'Energie Atomique - EAMEA Querqueville (extérieur)
Rapporteurs de la thèse: HADDAD FERID Professeur des universités Université Nantes
NOURREDDINE ABDEL MJID Professeur des universités Université de Strasbourg
Membres du jurys: BAN Gilles, Professeur des universités, ENSICAEN
HADDAD FERID, Professeur des universités, Université Nantes
LABALME MARC, Maître de conférences HDR, ENSICAEN
LELAIZANT GABRIELLE, Chercheur, CEA
NOURREDDINE ABDEL MJID, Professeur des universités, Université de Strasbourg

Résumé: Le projet DONEUT (DOsimètre NEUtrons) dans lequel s’inscrit cette thèse vise à répondre à un besoin avéré, des mondes militaire et civil, qui souhaitent déterminer de manière plus précise l’impact, fondamental dans le domaine de la radioprotection, des rayonnements neutroniques pour les personnels mettant en œuvre l’énergie nucléaire. Pour répondre à ce besoin, nécessitant une mesure rapide (≤ 10 min) et précise des débits d’équivalents de dose ambiants (H*(10)) et personnels (Hp(10)) neutrons rencontrés dans ces environnements industriels, entre 1 μSv/h et ~10 mSv/h, un prototype de spectromètre de forme cylindrique en polyéthylène multi-instrumenté, transportable (masse ≤ 15 kg), avec 32 détecteurs de neutrons thermiques placés à différentes profondeurs, a été développé dans le cadre de ce projet. Cet appareil permet de remonter, via des méthodes de déconvolution telles que MAXED ou GRAVEL, au spectre complet des neutrons, entre 0 et 20 MeV, dont la nocivité en exposition externe à distance dépend fortement de leur énergie. Les résultats se révèlent encourageants et en bon accord avec ceux obtenus avec le spectromètre NNS (Nested Neutron Spectrometer) qui a servi de référence, avec une bonne discrimination entre les rayonnements gamma et neutronique.
Abstract: The DONEUT (DOsimètre NEUtrons) project in which this thesis is included, has to answer to the following issue for the civilian an military nuclear industries : a more precise determination of the neutron impact on the human body, fundamental in radiation protection. To fulfill theses requirements, which consist of measuring an ambient or personal dose equivalent rateS (H*(10) or Hp(10)) from 1 µSv/h to ~10 mSv/h in less than 10 minutes, a transportable (mass ≤ 15 kg) multi detectors cylindric prototype has been developed, with 32 thermal neutron detectors placed at different depths. This device is able to rebuild a full neutron spectrum from 0 to 20 MeV through unfolding computer codes like MAXED and GRAVEL, and the results are in good agreement with those obtained with the NNS spectrometer (Nested Neutron Spectrometer), which was our reference, with a good gamma/neutron discrimination.

Etude numérique et expérimentale de la dynamique des faisceaux d'electrons dans les accélérateurs linéaires à induction

Doctorant·e: ALVINERIE Clara-Marie
Direction de thèse: ROUSSEAU Patrick (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 19/12/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance: Salle Le Cloître - Grand Couvent Gramat (extérieur)
Rapporteurs de la thèse: FOURMENT CLAUDE Directeur de recherche au CEA CEA
MANIL Bruno Professeur des universités UNIVERSITE PARIS 13 PARIS-NORD
Membres du jurys: DELAUNAY RUDY, Chercheur au CEA, CEA
FOURMENT CLAUDE, Directeur de recherche au CEA, CEA
MAISONNY REMI, Chercheur CEA HDR, CEA
MANIL Bruno, Professeur des universités, UNIVERSITE PARIS 13 PARIS-NORD
PECASTAING LAURENT, Professeur des universités, Université de Pau et des Pays de l'Adour
ROUSSEAU Patrick, Maître de conférences, Université de Caen Normandie

Résumé: La radiographie éclair est une technique permettant de caractériser l’état d’un objet dense soumis à des conditions physiques extrêmes, avec des vitesses de déplacement de plusieurs km/s. Dans ces conditions, il est nécessaire d’avoir une source de rayonnement X spécifique : faible dimension (quelques mm), durée brève (inférieure à 100 ns), haute énergie (autour de 20 MeV) et intense (quelques kA). Elle est produite à l’aide du rayonnement de freinage généré par l’interaction d’un faisceau intense et pulsé d’électrons avec une cible de métal de numéro atomique élevé. Ce faisceau est émis par une cathode en velours puis transporté dans un accélérateur linéaire à induction (LIA). La qualité d’une radiographie est majoritairement conditionnée par les caractéristiques physiques de la source X, elles-mêmes intimement liées aux propriétés du faisceau d’électrons. Les travaux menés dans cette thèse visent à modéliser la dynamique du faisceau dans les LIA en intégrant ses caractéristiques physiques dont certaines instabilités dégradant le faisceau. Les modèles développés ont été validés lors de la mise en service de l’accélérateur MCH3 implanté au CEA Valduc sur l'installation Epure. La modélisation de la dynamique du faisceau repose sur le code Particle-In-Cell LSP-Slice et le code de transport EVOLI (EVOLution des Instabilités). Ce dernier a été développé lors de cette thèse et modélise la dimension de l’enveloppe et du barycentre des charges (centroïde) du faisceau ainsi que la propagation « temporelle » du faisceau par le biais d’un découpage de ce dernier en disque. Dans un premier temps, des études ont été menées sur le mouvement du centroïde du faisceau lors de son transport. Dans EVOLI, les équations décrivent le centroïde avec l’influence de la charge d’espace. Une procédure d’optimisation numérique a permis de reproduire par simulation les résultats obtenus dans MCH3 en intégrant l’influence du champ magnétique terrestre et les défauts d’alignement des différents éléments magnétiques (solénoïdes et déviateurs). L’application de cette nouvelle méthode sur d’autres transports permet d’envisager de calculer des consignes des déviateurs afin de pré-centrer le faisceau numériquement. Cette méthode laisse entrevoir un gain de temps significatif lors du centrage expérimental du faisceau nécessitant de nombreux essais. Dans un second temps, la modélisation du faisceau a permis de contribuer à la mise en service de l’accélérateur MCH3 en fin d'année 2022. Un premier transport n’a pas permis de mener la totalité de la charge du faisceau jusqu’à la cible de conversion, bien que les simulations numériques prédisaient un transport nominal basé sur le seul formalisme de l’enveloppe. Les mesures expérimentales ont montré des oscillations importantes du centroïde dues à l’instabilité Beam Break-Up (BBU). Un modèle simplifié du BBU a alors été intégré dans EVOLI. Par l’utilisation de ce modèle numérique, un nouveau transport à champ magnétique fort a été conçu limitant théoriquement d’un facteur 2,5 l’intensité du BBU en sortie de ligne accélératrice. Ce résultat a été vérifié expérimentalement par la réduction significative du BBU d’un facteur 3 permettant de transporter l’intégralité de la charge du faisceau de manière stable et reproductible jusqu’à la cible. Cette stratégie de transport du faisceau à champ magnétique fort admet cependant une limite puisqu’elle exacerbe le mouvement Corkscrew qui augmente avec le champ magnétique tel que montré par le travail initialisé dans cette thèse. L’optimisation du transport est donc un compromis entre le poids des différentes instabilités au sein de l’accélérateur. Les travaux de cette thèse ouvrent des perspectives sur la prise en compte des instabilités afin de concevoir des transports innovants particulièrement dans le cadre de machines multi-impulsion constituant à l'heure actuelle un développement majeur des machines de radiographie éclair.
Abstract: Flash radiography allows characterizing the state of a dense object subjected to extreme physical conditions, with displacement velocities of several kilometres per second. These conditions require a specific X-ray source: small size (a few millimetres), brief duration (less than 100 ns), high energy (around 20 MeV) and high current (a few kA). This source is produced using Bremsstrahlung radiation generated by the interaction of an intense and pulsed electron beam with a high atomic number metal target. A velvet cathode emits the beam and an linear induction accelerator (LIA) transports it. The quality of radiography is mainly conditioned by the physical characteristics of the X-ray source, which are closely linked to the properties of the electron beam. The work carried out in this PhD thesis aims to model the beam dynamics in LIAs by integrating its physical characteristics, including some instabilities which degrade the beam. The developed models were validated during the commissioning of the MCH3 accelerator at CEA Valduc in Epure facility. The modelling of beam dynamics is based on the Particle-In-Cell (PIC) code LSP-Slice and the transport code EVOLI (EVOLution of Instabilities). The latter was developed during this thesis and models the size of the beam envelope and its charge centroid, as well as the "temporal" propagation of the beam by its segmentation into discs. In the first place, studies were conducted on the motion of the beam centroid during its transport. In EVOLI, the equations describe the centroid with the influence of space charge. A numerical optimization procedure allowed the simulation to reproduce the results obtained in MCH3 by incorporating the influence of the Earth's magnetic field and the misalignment of various magnetic elements (solenoids and steerers). The application of this new method to other beam transports makes possible to calculate steerer settings for numerical pre-centering of the beam. This method offers the prospect of significant time savings during the experimental beam centering process, which typically requires numerous shots. Afterward the beam modelling contributed to the commissioning of MCH3 accelerator at the end of 2022. With an initial transport attempt, the entire beam charge did not reach the conversion target, despite numerical simulations predicting nominal transport based on the envelope formalism. Experimental measurements revealed significant centroid oscillations due to the Beam Break-Up (BBU) instability. Then, a simplified BBU model was incorporated into EVOLI. By using this numerical model, a new high magnetic field transport was designed, theoretically limiting BBU intensity at the accelerator end by a factor 2.5. This result was experimentally verified by a BBU reduction by a factor 3, enabling a stable and reproducible transport of the entire beam charge to the target. However, this strong magnetic field transport strategy leads to an increase of the Corkscrew motion, which increases with magnetic field strength as shown in the work initiated in this thesis. Therefore, optimizing beam transport is a compromise between the various instabilities within the accelerator. The work of this thesis opens up prospects for considering instabilities to design innovative transports, particularly in the context of multi-pulse machines, which are currently a major development in flash radiography machines.

Etude expérimentale des mécanismes d'évaporation des semiconducteurs.

Doctorant·e: NDIAYE Samba
Direction de thèse: RIGUTTI LORENZO (Directeur·trice de thèse)
VURPILLOT FRANCOIS (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 19/12/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: Laboratoire GPM
Avenue de l'université
76801 St Etienne du Rouvray
Rapporteurs de la thèse: COJOCARU-MIREDIN OANA Professeur des Universités Univ."A.LUDWIGS" de Freiburg (ALL)
PORTAVOCE ALAIN Directeur de Recherche Aix-Marseille université
Membres du jurys: COJOCARU-MIREDIN OANA, Professeur des Universités, Univ."A.LUDWIGS" de Freiburg (ALL)
DOUADY JULIE, Maître de Conférences, Université de Caen Normandie
MOUTON Isabelle, Ingénieur de Recherche, INP DE GRENOBLE
PORTAVOCE ALAIN, Directeur de Recherche, Aix-Marseille université
RIGUTTI LORENZO, Maître de Conférences, Université de Rouen Normandie
VURPILLOT FRANCOIS, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie

Résumé: La Sonde Atomique Tomographique (SAT) est un outil puissant pour étudier la distribution atomique 3D des espèces chimiques dans une grande variété de matériaux. Cependant, des biais de mesure composition importants affectent les analyses de sondes atomiques dans le cas des matériaux semi-conducteurs. Dans le cadre de cette thèse, les mécanismes physicochimiques du processus d’évaporation par effet de champ ont été étudié pour différents semiconducteurs. En plus de l'aspect physicochimique de l'évaporation, les mécanismes du système de détection et les pertes induites ont été étudié en détail. Les échantillons analysés au cours de cette thèse (SiC, Ge :Sn, Ge :Sb et LaB6) ont tous une composition parfaitement définie au préalable afin de mieux traiter la problématique des biais de composition. Les résultats obtenus, grâce à une synergie entre la SAT, le FIM et la simulation, révèlent une dynamique des atomes à la surface de l’apex de l'échantillon soumis à un champ électrique très intense, conduisant à la reconstruction de la pointe avant l'évaporation. Les compositions mesurées sont quasiment toutes différentes des compositions nominales. Ces pertes atomiques sont interprétées comme résultant de la physique de l’émission complexe de ces matériaux et des limitations des systèmes de détection utilisés. Ces limitations se manifestent par une région morte de détection étant la cause des effets d’empilement. Nous avons poussé ces limitations en introduisant les amplitudes des signaux des ions sur l’étude des biais de composition. En effet, l’identité des ions perdus dans la région morte peut désormais être déterminée, ce qui ressuscite cette région. Enfin une méthode de correction de la composition mesurée basée sur la probabilité de détection des paires isotopiques est introduite avec des résultats très satisfaisants.
Abstract: The Atomic Probe Tomographic (APT) is a powerful tool for studying the 3D atomic distribution of chemical species in a wide range of materials. However, significant composition measurement biases affect atomic probe analyses in the case of semiconductor materials. In the context of this thesis, the physicochemical mechanisms of the field-induced evaporation process were studied for different semiconductors. In addition to the physicochemical aspect of evaporation, the detection system mechanisms and induced losses were examined in detail. The samples analyzed in this thesis (SiC, Ge:Sn, Ge:Sb, and LaB6) all had a pre-defined composition to better address the issue of composition biases. The results obtained, through a synergy of APT, FIM, and simulation, reveal a dynamic behavior of atoms at the surface apex of the sample subjected to a highly intense electric field, leading to the specimen's reconstruction before evaporation. The measured compositions are almost all different from the nominal compositions. These atomic losses are interpreted as a result of the complex emission physics of these materials and the limitations of the detection systems used. These limitations manifest as a dead detection region, causing pile up effects. We pushed these limitations by introducing ion signal amplitudes into the study of composition biases. Indeed, the identity of ions lost in the dead region can now be determined, reviving this region. Finally, a method for correcting the measured composition based on the probability of detecting isotopic pairs is introduced with very satisfactory results.

Investigation of Luminescent Properties in Rare-Earth free Metallophosphonate Hybrid Materials: structural Insights in photophysical studies

Doctorant·e: GANESAN Parameshwari
Direction de thèse: CARDIN Julien (Directeur·trice de thèse)
LABBE Christophe (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 18/12/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: Salle desThèses, Science 3
Rapporteurs de la thèse: DEMESSENCE AUDE Chargé de recherche HDR Université Claude Bernard - Lyon 1
RINNERT HERVE Professeur des universités Université de Lorraine
Membres du jurys: ANDRAUD CHANTAL, Directeur de recherche, Ens Lyon Ens Sciences
CARDIN Julien, Ingénieur de recherche, Université de Caen Normandie
DEMESSENCE AUDE, Chargé de recherche HDR, Université Claude Bernard - Lyon 1
LABBE Christophe, Maître de conférences, Université de Caen Normandie
RINNERT HERVE, Professeur des universités, Université de Lorraine
RUEFF Jean-Michel, Professeur des universités, ENSICAEN

Résumé: Durant ce travail de thèse, les propriétés structurelles et photoniques des metallophosphonates luminescents hybrides ont été étudiées en abordant le rôle de leur structure dans les propriétés luminescentes. Les métallophosphonates possèdent différentes coordinations chimiques montrant leurs capacités à former plusieurs centres métalliques ainsi qu’une forte liaison chimique de type P-O-M. L’objective de ce travail est l’étude des matériaux hybrides organiques-inorganiques luminescents dont le composant organique offre une plateforme solide facilement amovible avec divers groupes fonctionnels. Cette étude s’articule sur différents metallophosphonates hybrides synthétisés par voie hydrothermale à l’aide de ligands organiques tels que le fluorène, le thianthrène et l’acide phosphonique avec des éléments alcalino-terreux (Mg, Ca, Sr, Ba) et des métaux de transitions (Mn, Co, Cu, Zn). Ces derniers ont été obtenus en manipulant la nature de la molécule, le nombre de groupes fonctionnels et les propriétés cationiques au sein de la structure. Grace à leurs caractéristiques liés à leurs différents arrangements structurels, les matériaux synthétisés montrent diverses propriétés, notamment la rigidité et la stabilité thermique. De plus, ces matériaux montrent des propriétés de luminescences intéressantes tel que la fluorescence, phosphorescence à température ambiante (PTA), les déplacements bathochrome et hypsochrome, l’émission de type excimère ainsi que l’apparition de nouvelles bandes de luminescence rouge et verte pour certains cations spécifiques. Enfin, la variation des propriétés de composés hybrides en fonction de la structure est discutée, en tenant compte le phénomène d’émission induite par Agrégation (AIE) et d’émission améliorée par agrégation (AEE).
Abstract: This thesis work systematically investigates the structural and photophysical properties of rare-earth-free metallophosphonate hybrid luminescent materials, emphasizing the role of structure in luminescent properties. Metallophosphonates demonstrate exceptional versatility with their coordination chemistry, highlighted by their ability to interact with multiple metal centers and form robust P-O-M metal bonds. We aim to study crystalline organic-inorganic hybrid luminescent materials in which the organic part provides a rigid platform which is easily modifiable with various functional groups. we present various metallophosphonate hybrids synthesized through the hydrothermal route using functionalized organic ligands such as Fluorene, Thianthrene, and Tetraphenylethylene (TPE) phosphonic acid with different alkaline-earth elements (Mg, Ca, Sr, Ba) and transition elements (Mn, Co, Cu, Zn). Different metallophosphonate materials are obtained by manipulating the nature of molecules, the number of functional groups, and the characteristics of cations in the structure. Due to that, the synthesized metallophosphonate hybrid materials exhibit diverse structural properties, including rigidity, thermal stability, and different arrangements like face-to-face or edge-to-face and herringbone stacking patterns. Furthermore, these materials display intriguing luminescent properties, such as Fluorescence, Room Temperature Phosphorescence (RTP), Bathochromic and Hypsochromic shift (red and blue shift), Excimer emission, and other novel green and red luminescence bands, particularly in the presence of specific cations. Lastly, we discuss and explore the interconnection between structural and physical properties including the phenomena of Aggregation Induced Emission (AIE) and Aggregation Enhanced Emission (AEE) for hybrid compounds.

Radiation-induced processes within DNA in the gas phase

Doctorant·e: LIU Min
Direction de thèse: POULLY Jean-Christophe (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 18/12/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: UFR des Sciences
Rapporteurs de la thèse: EDEN SAMUEL Maître de conférences HDR The Open University
MAC ALEESE LUKE Chercheur HDR Université Claude Bernard - Lyon 1
Membres du jurys: CASSIMI AMINE, Directeur de recherche au CEA, Université de Caen Normandie
CHEVALIER FRANCOIS, Directeur de recherche au CEA, Université de Caen Normandie
EDEN SAMUEL, Maître de conférences HDR, The Open University
LACOMBE SANDRINE, Professeur des universités, Université Paris Saclay
MAC ALEESE LUKE, Chercheur HDR, Université Claude Bernard - Lyon 1
POULLY Jean-Christophe, Maître de conférences, Université de Caen Normandie

Résumé: Les dommages à l’ADN sont généralement considérés comme les lésions cellulaires les plus courantes et le plus importantes parmi celles causées par les rayonnements ionisants. Ces dommages présentent de graves risques pour la santé humaine, mais ils font également de la radiothérapie un outil puissant pour tuer les cellules cancéreuses et sauver des vies. Pour ces raisons, de nombreuses recherches se sont concentrées sur les processus induits par les radiations au sein de l’ADN. Cependant, la plupart de ces travaux ont été réalisés en phase condensée, ce qui ne permet pas d'éliminer l'influence du milieu environnant. Afin d'étudier les conséquences de l'interaction directe de l'ADN avec les rayonnements ionisants à l'échelle moléculaire, nous avons irradié une séquence d'ADN auto-complémentaire en phase gazeuse avec un rayonnement synchrotron ou des faisceaux d'ions, et analysé par spectrométrie de masse les ions moléculaires produits. Grâce à la spectrométrie de mobilité ionique, nous avons établi que les doubles brins déprotonés de cette séquence forment bien une double hélice stable dans un piège à ions, si l'état de charge est supérieur à 5-. Ensuite, nous avons étudié les conséquences de la photoabsorption spécifique se produisant au niveau du squelette oligonucléotidique de l'ADN en phase gazeuse. En surveillant le détachement non dissociatif d'un seul électron des précurseurs déprotonés en fonction de l'énergie des photons autour du bord K du phosphore, nous avons identifié la signature spectrale des rayons X de la photoabsorption sélective au niveau des atomes de phosphore situés uniquement dans le squelette. Nous avons également détecté d’abondants cations de fragments de bases nucléiques résultant du détachement de plusieurs électrons et avons ainsi démontré le transfert de charge, d’énergie et d’hydrogène du squelette vers les bases nucléiques. Dans la dernière partie de la thèse, nous présentons les résultats de l'irradiation des oligonucléotides d'ADN par des ions carbone en phase gazeuse. Nous avons observé un détachement non dissociatif d'un seul électron et des ions fragments positifs tout aussi abondants après l'impact d'ions carbone, comme dans le cas de l'irradiation par des photons de rayons X. Plus important encore, nous avons réussi pour la première fois à irradier un double brin d’ADN hélicoïdal en phase gazeuse. 70% des produits ioniques résultants proviennent d’un détachement non dissociatif d’un seul électron, ce qui est beaucoup plus élevé que dans le cas des simples brins. Par conséquent, l’ionisation directe d’une double hélice d’ADN après interaction avec un seul ion carbone n’entraîne pas de séparation des brins, ce qui a des implications importantes concernant les dommages à l’ADN, notamment dans le contexte de l’hadronthérapie.
Abstract: DNA damage is generally considered to be the most common and most important type of lesions in cells caused by ionizing radiation. While DNA damage caused by ionizing radiation poses serious risks to human health, it also makes radiation therapy a powerful tool for killing cancer cells and saving lives. For these reasons, a great deal of research has focused on radiation-induced processes within DNA. However, most of this work has been carried out in the condensed phase, which cannot remove the influence of the surrounding environment. In order to investigate the consequences of direct interaction of DNA with ionizing radiation at the molecular scale, we have irradiated a self-complementary DNA sequence in the gas phase with synchrotron radiation or ion beams, and analyzed the resulting product ions by mass spectrometry. Thanks to ion mobility spectrometry, we have established that deprotonated double strands of this sequence indeed form a double helix that is stable in an ion trap, if the charge state is higher than 5-. Then, we have investigated the consequences of specific photoabsorption occurring at the DNA oligonucleotide backbone in the gas phase. By monitoring non-dissociative single electron detachment from deprotonated precursors as a function of photon energy around the phosphorus K-edge, we have identified the X-ray spectral signature of selective photoabsorption at the phosphorus atoms located only in the backbone. We also detected abundant nucleobase fragment cations resulting from multiple electron detachment and thus demonstrated the charge, energy and hydrogen transfer from the backbone to the nucleobases. In the final part of the thesis, we present the results of irradiation of the DNA oligonucleotides by carbon ions in the gas phase. We have observed similar non-dissociative single electron detachment and similarly abundant positive fragment ions after carbon ion impact as in the case of irradiation by X-ray photons. More importantly, we have successfully irradiated a helical DNA double strand in the gas phase for the first time. 70% of the resulting ionic products come from non-dissociative single electron detachment, which is much higher than the case of single strands. Therefore, direct ionization of a DNA double helix after interaction with a single carbon ion does not lead to separation of the strands, which has important implications regarding DNA damage, notably in the context of hadrontherapy.

Physics of superconducting nickel oxides from first principles calculations

Doctorant·e: CARRASCO ALVAREZ Alvaro Adrian
Direction de thèse: PRELLIER Wilfrid (Directeur·trice de thèse)
BIBES MANUEL (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 18/12/2023 à 15:00
Lieu de la soutenance: Unicaen Bat Sciences 2
Rapporteurs de la thèse: GHOSEZ PHILIPPE Professeur Université de Liège
JUNQUERA JAVIER Professeur Universidad de Cantabria
Membres du jurys: BENCKISER EVA, Directeur de recherche, Université de Stuttgart
BIBES MANUEL, Directeur de recherche au CNRS, Université Paris-Saclay
GHOSEZ PHILIPPE, Professeur , Université de Liège
JANOD ETIENNE, Directeur de recherche, Institut des matériaux Jean Rouxel
JUNQUERA JAVIER, Professeur , Universidad de Cantabria
PRELLIER Wilfrid, Directeur de recherche au CNRS, ENSICAEN
VARIGNON Julien, Maître de conférences, Université de Caen Normandie

Résumé: La compréhension de l'origine de la supraconductivité haute température est entravée par l'absence de matériaux analogues aux cuprates. Bien que proposée depuis longtemps dans les oxydes de nickel de formule générale R$_{n+1}$Ni$_n$O$_{2n+2}$, matériaux isoélectronique aux cuprates, la supraconductivité n'a été observée qu'en 2019 mais les mécanismes mis en jeu reste à déterminer. Dans cette thèse, nous présentons une étude des oxydes de nickel supraconducteurs à partir de simulations de premiers principes basées sur la théorie fonctionnelle de la densité. Nous révélons que les composés RNiO$_2$ à couche infinie non dopés présentent une phase métallique antiferromagnétique à basse température. Un fort couplage de Hund qui domine le champ cristallin explique la coexistence entre l'antiferromagnétisme et le comportement métallique. En étudiant le diagramme de phase en fonction de $n$, nous identifions un ordre de charge entre des Ni$^{1+}$ et Ni$^{2+}$ pour $n=2$. Il est la conséquence d'une instabilité électronique du degré d'oxydation 1.5+ des Ni qui préfère dismuter vers les degrés 1+ et 2+ qui sont plus stables, produisant une distorsion $\mathrm{B_{oc}}$ des complexes NiO$_4$ pour accomoder les différents charges. À partir de ce point, le dopage en électron supprime progressivement l'ordre de charge et il disparait à proximité de la région supraconductrice observée expérimentalent. Nous construisons alors un modèle supraconducteur basé sur les modes de phonons $\mathrm{B_{oc}}$ reproduisant quantitativement le dôme de température critique supraconductrice en fonction du dopage. Nous discutons en outre de l’importance de la structure cristalline lors de la conception de nouveaux composés supraconducteurs et de la relation entre ces supraconducteurs à base de nickel et d’autres composés supraconducteurs. Enfin, nous étendons le modèle à d'autres composés tels que les ruthénates, expliquant leurs propriétés supraconductrices en tant que matériaux massifs et nanofilms.
Abstract: The understanding of high temperature superconductors based on Cu oxides could be improved by finding possible oxide analogues with different transition metals. In that regard Ni oxide superconductors were proposed to be promising candidates to better understand the origin of the high temperature superconductivity in the cuprates. In the following manuscript, we present a first-principles study of the physics of the superconducting nickel oxides discovered in 2019 based on Density Functional Theory. From our study we reveal that the undoped infinite layer RNiO$_2$ compounds present an antiferromagnetic metallic phase at low temperature. A strong Hund's coupling that dominates over the crystal field explains the coexistence between antiferromagnetism and metallic behavior. Regarding the doping phase diagram, we propose understanding the normal state of these superconducting compounds, starting from an insulating nickel oxide phase R$_2$NiO$_4$ instead of the metallic RNiO$_2$ phase. This allows us to find a charge-ordering instability in the doping phase diagram when the Ni cations present a 1.5+ oxidation state. We explore this charge ordering and show that it is a consequence of an electronic instability that produces a double local environment of Ni$^+$ and Ni$^{2+}$ cations, which is accompanied by a breathing distortion of the NiO$_4$ complexes $\mathrm{B_{oc}}$. From this point, we further study this charge ordering instability revealing that decreasing the Ni oxidation state quenches the instability and it disappears in the vicinity of the reported superconducting region. We then build a superconducting model based on the $\mathrm{B_{oc}}$ phonon modes which can reproduce quantitatively well the superconducting critical temperature dome accounting for the metallic but non-superconducting region in the doping phase diagram. Furthermore, we discuss the importance of the crystal structure when designing new superconducting compounds and how these nickel-based superconductors relate to other superconducting compounds. Finally, we extend the model to other compounds such as the ruthenates, explaining their superconducting properties as bulk and nanofilm materials.

Analyse et développement des critères de sécurité pour la détection des défauts dans les réacteurs chimiques.

Doctorant·e: KOUHILI YOUSSEF
Direction de thèse: ESTEL LIONEL (Directeur·trice de thèse)
VERNIERES LAMIAE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 15/12/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance: CNRS UMR 6614 - CORIA Université de Rouen
Salle de conférence du CORIA
Site Universitaire du Madrillet
675 avenue de l’Université
76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY CEDEX
Rapporteurs de la thèse: OLIVIER-MAGET NELLY MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR INP ENSIACET, Toulouse
SCHWEITZER JEAN-MARC INGENIEUR DE RECHERCHE HDR Michelin, Clermont-Ferrand
Membres du jurys: CABASSUD MICHEL, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS ÉMERITE, Université de Toulouse III Paul Sabatier
ESTEL LIONEL, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
FARZA MONDHER, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Caen Normandie
OLIVIER-MAGET NELLY, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, INP ENSIACET, Toulouse
SCHWEITZER JEAN-MARC, INGENIEUR DE RECHERCHE HDR, Michelin, Clermont-Ferrand
VERNIERES LAMIAE, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, INSA de Rouen Normandie

Résumé: Dans l’industrie chimique, il existe un risque élevé d'accidents dans la conduite des réactions chimiques exothermiques. Le scénario d’accident le plus fréquent est le phénomène d’emballement thermique qui se produit lors du fonctionnement des réacteurs chimiques. L’emballement thermique débute lorsque la capacité de refroidissement n’est plus suffisante pour absorber la quantité de chaleur générée par la réaction. Pour prévenir ce phénomène et ses conséquences, il est essentiel d'adopter des mesures dès la conception et l'instrumentation des processus. Cependant, malgré ces précautions, les réacteurs restent vulnérables aux défaillances techniques et aux erreurs humaines, comme l'ont démontré de nombreuses études (Saada et al., 2015) (Dakkoune et al., 2019) (Zhang et al., 2021). Il est donc crucial de disposer d'un système de détection précoce, permettant de détecter les dérives des systèmes réactionnels, pour éviter les pertes de contrôle conduisant à l'emballement de la réaction. Dans cette étude, nous avons d'abord évalué les performances des critères de sécurité existants dans la littérature, sur deux types de réactions avec des cinétiques différentes. Le but est d’étudier les limites d’utilisation de ces critères pour anticiper les risques d'emballement. Ensuite, nous avons élaboré un nouveau critère de sécurité pour la détection en temps réel basé sur un seuil dynamique de la chaleur produite par la réaction. Ce critère a également été testé sur deux types de réactions avec des cinétiques distinctes pour valider cette approche dans un réacteur fermé. Enfin une comparaison des performances de la détection en utilisant le seuil dynamique de la chaleur de la réaction et en utilisant la température de la réaction a été effectuée.
Abstract: In the chemical industry, there is a high risk of accidents when conducting exothermic chemical reactions. The most common accident scenario is the phenomenon of thermal runaway, which occurs during the operation of chemical reactors. Thermal runaway begins when the cooling capacity is no longer sufficient to absorb the amount of heat generated by the reaction. To prevent this phenomenon and its consequences, it is essential to adopt measures from the design and instrumentation of processes. However, despite these precautions, reactors remain vulnerable to technical failures and human errors, as numerous studies have demonstrated (Saada et al., 2015) (Dakkoune et al., 2019) (Zhang et al., 2021). It is, therefore, crucial to have an early detection system capable of detecting deviations in the reaction systems to avoid loss of control leading to reaction runaway. In this study, we first assessed the performance of existing safety criteria in the literature on two types of reactions with different kinetics. The goal is to study the limits of using these criteria to anticipate the risks of runaway. Next, we developed a new safety criterion for real-time detection based on a dynamic threshold of the heat produced by the reaction. This criterion was also tested on two types of reactions with distinct kinetics to validate this approach in a closed reactor. Finally, a comparison of the performance of the detection using the dynamic heat threshold of the reaction and using the reaction temperature was performed.

Optimisation de la méthode d'impression et étude des performances à l'état frais et durci

Doctorant·e: ARRETEAU Manon
Direction de thèse: SEBAIBI NASSIM (Directeur·trice de thèse)
CHATEIGNER Daniel (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 15/12/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: Builders Ecole d'Ingénieurs, 1 rue Pierre et Marie Curie, Epron 14610
Rapporteurs de la thèse: AOUAD GEORGES Maître de conférences HDR IMT Lille Douai - Ecole Nationale Supérieure des Mines-Télécom Lille Douai
DHEILLY ROSE MARIE Professeur des universités UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
Membres du jurys: AOUAD GEORGES, Maître de conférences HDR, IMT Lille Douai - Ecole Nationale Supérieure des Mines-Télécom Lille Douai
CHATEIGNER Daniel, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
DHEILLY ROSE MARIE, Professeur des universités, UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
FABIEN AURELIE, Docteur, NEOLITHE
SEBAIBI NASSIM, Maître de conférences HDR, BUILDERS ECOLE D'INGENIEURS CAEN
SONEBI MOHAMMED, Professeur , BELFAST - THE QUEEN'S UNIVERSITY OF

Résumé: Cette thèse a été mené au sein du laboratoire Builders à Caen, financée à 50% par Normandie Université et 50% par l’ESITC Metz. Nous avons mis au point une formulation compatible avec l’impression 3D à base de ciment et de grès. Afin de déterminer l’imprimabilité des essais à l’état frais, la détermination des paramètres d’impression a été réalisée et des essais à l’état durci ont été effectués. Nous présentons présenter les différentes formulations de pâtes cimentaires mises en œuvre pour l’impression 3D, ainsi que l’étude des indicateurs d’imprimabilités de ces pâtes. Ainsi, le viscosimètre, le test cône d’Abram modifié sont très limités pour déterminer l’imprimabilité. Les essais au pénétromètre, l’extrudabilité à la seringue, l’essai de la boule sont plutôt simples pour mettre en évidence les formulations trop éloignées de l’imprimabilité. La formulation retenue est composée de 50% en masse sèche de grès et 50% de masse sèche de ciment avec un ratio Eau/Poudre = 0,4, 1% de plastifiant et 0,75% d’agent viscosant (C50G50E40SP1AV0,75). Les essais nécessaires au bon paramétrage de l’impression de ces pâtes ont été étudiés avant réalisation d’objet, afin d’avoir une bonne précision du tracé. Ainsi, l’impression se fait à une vitesse de 30 mm/s, un débit de 0,4 g/s, une hauteur de couche entre 1 et 2 mm, un support papier cuisson et si le tracé est sensible au retrait ou à la fissuration il faut combiner papier cellophane huilée et papier cuisson. Les différents modes de fabrications sont montrés pour les échantillons 4 × 4 × 4 cm3 et 4 × 4 × 16 cm3. Pour finir des essais mécaniques et de durabilité des pièces à l’état durci ont été effectués afin de vérifier la cohérence de la réalisation avec les besoins opérationnels. Les éprouvettes coulées ont un meilleur comportement mécanique, mais sont plus sensibles au retrait, à l’attaque acide et à la diffusion naturelle des ions chlorure à cause d’une porosité plus importante. Quant aux éprouvettes imprimées, elles sont légèrement moins résistantes mécaniquement et dépendent du motif, du support, de la direction de charge et de la cure. Le remplissage « ligne » limite le retrait lorsque l’impression est à base rectangulaire. Le remplissage en ligne pour une éprouvette à base carrée donne une résistance à l’attaque acide importante et une diffusion aux ions chlorure moins avancer.
Abstract: This study was carried out within the Builders laboratory in Caen, France, funded 50% by Normandie Université and 50% by ESITC Metz. During this thesis work, a formulation compatible with 3D printing based on cement and stoneware was developed, tests were carried out in the fresh state to determine their printability, printing parameters were determined, and tests were carried out in the hardened state. It included a presentation of the different cementitious paste formulations used for 3D printing, as well as a study of the printability indicators for these pastes. The viscometer and the modified Abram cone test are very limited for determining printability. Penetrometer tests, syringe extrudability tests and ball tests are rather simple for highlighting formulations that are too far apart in terms of printability. The selected formulation is composed of 50% dry mass of sandstone and 50% dry mass of cement with a Water/Powder ratio = 0.4, 1% plasticizer and 0.75% viscosity agent (C50G50E40SP1AV0.75). The experiments required to set up the printing parameters for these pastes were studied before the object was produced, to ensure that the tracing was accurate. Printing is performed at a speed of 30 mm/s, a flow rate of 0.4 g/cm, a layer height between 1 and 2 mm, a baking paper base and, if the tracing is sensitive to shrinkage or cracking, a combination of oiled cellophane paper and baking paper. The different manufacturing methods are shown for the 4 × 4 × 4 cm3 and 4 × 4 × 16 cm3 samples sizes. Finally, mechanical and durability tests at hardened state were carried out to check that the design was consistent with operational requirements. The cast specimens gave better mechanical results, but were more sensitive to shrinkage, acidic attack and chloride ions natural diffusion due to their larger porosity. Printed specimens, on the other hand, are slightly less mechanically resistant and depend on the pattern, substrate, direction of loading and curing conditions. Line filling limits shrinkage when the print is rectangular. Line filling for a square-based specimen gives high resistance to acid attack and less advanced chloride ion diffusion.

Scour investigation around a bridge pier founded in cohesive soil - Etude des phénomènes d'affouillement autour de piles de pont fondées sur sols cohésifs

Doctorant·e: ZAIDAN Jana
Direction de thèse: BENAMAR AHMED (Directeur·trice de thèse)
BENNABI ABDELKRIM (Co-encadrant·e de thèse)
POUPARDIN Adrien (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 14/12/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: Amphithéâtre LOMC, 53 Rue de Prony, 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse: CHASSAGNE CLAIRE ASSOCIATE PROFESSOR DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
PHAM VAN BANG DAMIEN PROFESSEUR DES UNIVERSITES UNIVERSITE DU QUEBEC
Membres du jurys: BENAMAR AHMED, MAÎTRE DE CONFERENCES (HDR), Université Le Havre Normandie
BENNABI ABDELKRIM, CHARGE DE RECHERCHE, ESTP PARIS
CHASSAGNE CLAIRE, ASSOCIATE PROFESSOR, DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
GONDRET PHILIPPE, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE PARIS-SACLAY
MARIN FRANCOIS, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université Le Havre Normandie
PHAM VAN BANG DAMIEN, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE DU QUEBEC
POUPARDIN ADRIEN, CHARGE DE RECHERCHE, ESTP PARIS
REY VINCENT, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université de Toulon

Résumé: L’affouillement local autour des piles est considéré comme un des principaux risques de rupture et d’effondrement des ponts. Les expériences en laboratoire sont un élément crucial de l’étude du processus d’affouillement. Pourtant, il n’existe pas d’instrument robuste et standard pour suivre l’évolution de ce phénomène physique dans les études de laboratoire. Les études expérimentales en canal sur l’affouillement autour d’une pile circulaire dans un sol non cohésif sont nombreuses. Cependant, le lit des canaux alluviaux naturels contient souvent des sédiments cohésifs. Comparativement, il existe peu de recherches sur l’affouillement local autour des piles circulaires fondés dans des lits cohésifs. Dans le cadre de cette recherche doctorale, un scanner laser 3D est utilisé pour suivre l’affouillement local autour d’une pile circulaire. Les résultats obtenus avec cette technique, en accord avec les recherches précédentes, notamment celles effectuées sur un lit de sable, démontrent son efficacité. Elle offre des avantages tels qu’une résolution spatio-temporelle continue, mais aussi de nombreuses limitations. Dans une seconde étape, l’étude a porté sur l’effet du type et de la proportion des fines sur la profondeur et la forme de la fosse d’affouillement et sur la propagation temporelle du processus d’affouillement autour du pile circulaire. Les résultats montrent que l’augmentation de l’argile dans la fraction fine réduit significativement l’affouillement. Le mélange avec une gamme d’environ 7.5-10 % de teneur en argile fournit la composition seuil pour un comportement cohérent du sol dans le processus d’affouillement. En outre, la prédiction de la profondeur d’affouillement dans les sols cohésifs dans la conception des fondations de ponts n’est pas encore complètement développée. Dans la pratique, les méthodes d’estimation de la profondeur d’affouillement actuellement utilisées sont celles proposées pour des sols non cohérents. De nombreux chercheurs ont mis au point des méthodes pour optimiser la conception des piles de pont dans le cas d’un sol cohésif. Parmi elles, celle basée sur l’utilisation de l’érodimètre EFA (Erosion Function Apparatus) et appelée SRICOS (Scour Rate In COhesive Soil) a été examinée dans le cadre de ce travail afin de prédire la profondeur d’affouillement maximal dans un lit cohésif.
Abstract: Local scour is considered to be one of the main causes of bridge failure and collapse. Laboratory experiments are a crucial and important approach for the scour process investigation. Yet, there is no robust and standard instrumentation for tracking the evolution of this physical phenomenon in laboratory studies. There are several flume-based studies of scour around a circular bridge pier on cohesionless soil. However, the bed of natural alluvial channels often contains cohesive sediments. Comparatively, there is a limited research on local scour around circular pier founded in cohesive beds that has been documented. In this PhD research, a 3D Laser Scanner is used to monitor scour around a circular pier. The results obtained with this technique, in line with previous research, in particular that carried out on a sandy bed, demonstrate its effectiveness. The technique offers advantages such as continuous spatiotemporal monitoring, but also many limitations. In a next step, the study focused on the effect of the type and proportion of fines in the sediment mixture on the depth and the shape of the scour hole and the temporal propagation of scour process around a circular pier. Results show that increasing the clay in the fine fraction reduce significantly the scour. The mixture with a range around 7.5-10 % of clay fines content provides the threshold composition for coherent soil behavior in scouring process. In addition, scour depth prediction for bridge piers in cohesive soil is not yet fully developed. In engineering practice, scour depth estimation methods currently used are those proposed for sand bed. Many researches aimed to adress a method to optimize the design of bridge piers in the case of cohesive soil. Among the different methods, the one based on the use of the EFA (Erosion Function Apparatus) erodimeter and called SRICOS (Scour Rate In COhesive Soil) was examined as part of this work in order to predict the deepest scour in cohesive bed.

Search for CP violation with MORA: commissioning of the setups and first experiments

Doctorant·e: DAUMAS TSCHOPP Sacha
Direction de thèse: LIENARD Etienne (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 14/12/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance: LPC Caen
Rapporteurs de la thèse: BLANK BERTRAM Directeur de recherche au CNRS UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
SEVERIJNS NATHAL Professeur LEUVEN - KATHOLIEKE UNIVERSITEIT
Membres du jurys: ASCHER PAULINE, Chargé de recherche, Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux
BLANK BERTRAM, Directeur de recherche au CNRS, UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
DELAHAYE Pierre, Chargé de recherche HDR, 14 GANIL de CAEN
HAYEN LEENDERT, Docteur, ENSICAEN
LIENARD Etienne, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
SEVERIJNS NATHAL, Professeur , LEUVEN - KATHOLIEKE UNIVERSITEIT

Résumé: Cette thèse s’inscrit dans la recherche de d’évènement impliquant une violation de symétrie CP. Pour se faire, on s’intéresse au paramètre de corrélation triple D définit dans le Model Standard comme étant nul. D est corrélé au spin du noyau père ainsi qu’aux différentes impulsions des produits de désintégrations beta. Une orientation du spin des noyaux pères est nécessaire pour accéder à ce paramètre. Le dispositif MORA est une expérience de piégeage maximisant ainsi cette polarisation. La majeure partie de ce travail de thèse consiste en l’étude du dispositif expérimental et de sa mise en service à l’aide de source de faisceau stable. Des simulations simion ont été réalisées afin de faciliter la réussite du piégeages de ions. Une mise en service à également été réalisée au sein du hall expérimental du département de physique de l’université de Jyväskylä, là où l’expérience réside actuellement. Quatre temps de faisceau de 23Mg ont permis d’affiner le dispositif permettant la prise des premières données exploitables de MORA. La caractérisation et la calibration des détecteurs β est également une part majeure de ce travail. Après une calibration expérimentale, une tentative d’amélioration de cette dernière à l’aide de simulations geant4 a été faite et montre une différence d’amplitude entre les spectres expérimentaux et simulés. C’est pourquoi divers pistes ont été exploré afin de fournir une explication de celles-ci. Enfin ce travail se conclut par l’analyse des premières données prises en novembre 2022.
Abstract: This thesis is part of the search for events involving CP violation. To this end, we are interested in the triple correlation parameter D defined in the Standard Model as zero. D is correlated to the spin of the parent nucleus and to the different momenta of the beta decay products. Spin orientation of the parent nuclei is required to access this parameter. The MORA device is a trapping experiment that maximises this polarisation. The major part of this thesis work consists of studying the experimental setup and its commissioning using a stable beam source. Simulations were carried out to facilitate successful ion trapping. Commissioning was also carried out in the experimental hall of the physics department at the University of Jyväskylä, where the experiment currently resides. Four 23Mg beam times were used to fine-tune the device, enabling the first usable MORA data to be taken. The characterisation and calibration of the β detectors is also a major part of this work. After an experimental calibration, an attempt was made to improve the latter using simulations, which showed a difference in amplitude between the experimental and simulated spectra. Various avenues have therefore been explored in order to provide an explanation for these differences. Finally, this work concludes with the analysis of the first data taken in November 2022.

Thermal and environmental effects on Pt-based hollow nanospheres catalysts : insights from in-situ and operando TEM

Doctorant·e: REZKALLAH Josephine
Direction de thèse: SAUVAGE XAVIER (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 14/12/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: Laboratoire GPM
Avenue de l'université
76801 St Etienne Du Rouvray
Rapporteurs de la thèse: ERSEN OVIDIU Professeur des Universités Université de Strasbourg
NELAYAH JAYSEN Professeur Associé UNIVERSITE PARIS 7 PARIS DIDEROT
Membres du jurys: ERSEN OVIDIU, Professeur des Universités, Université de Strasbourg
GENEVOIS CÉCILE, Ingénieur de Recherche, Université d'Orléans
MOLDOVAN SIMONA, Ingénieur de Recherche, Université de Rouen Normandie
NELAYAH JAYSEN, Professeur Associé, UNIVERSITE PARIS 7 PARIS DIDEROT
PINARD LUDOVIC, Professeur des Universités, ENSICAEN
SAUVAGE XAVIER, , Université de Rouen Normandie

Résumé: La catalyse hétérogène joue un rôle crucial dans l'amélioration de l'efficacité, de la durabilité et de la rentabilité des réactions chimiques. L'utilisation de nanoparticules métalliques dans la catalyse hétérogène renforce l'efficacité catalytique en raison de leur rapport surface/volume élevé, de leurs propriétés électroniques modulables et de leur activité catalytique élevée. Les catalyseurs à base de métaux nobles, dont le platine (Pt), sont largement reconnus pour leur grande efficacité et leur sélectivité dans un large éventail de réactions industrielles. Le but principal de cette thèse est l'étude de nanosphères creuses à base de Pt synthétisées, qui présentent des propriétés catalytiques uniques. Cela est dû à leur rapport surface/volume augmenté, à leur densité de matière réduite et à leur efficacité économique. La microscopie électronique en transmission (MET) est utilisée pour la caractérisation de ces matériaux en raison de sa haute résolution et de son adaptabilité aux nanomatériaux. En utilisant la tomographie électronique, des canaux au sein de la morphologie tridimensionnelle complexe de la coquille sont identifiés et quantifiés. Cela contribue de manière significative au développement de nanoréacteurs et offre des perspectives passionnantes pour améliorer leurs propriétés catalytiques. Les nanosphères creuses utilisées comme nanocatalyseurs sont sujettes à la désactivation en raison de plusieurs processus, notamment le frittage/effondrement, l'empoisonnement de surface et la cokéfaction. Cette recherche aide à comprendre ces transformations en utilisant la réaction d'hydrogénation du CO2 comme modèle. Elle utilise une méthodologie MET in situ et opérando pour surveiller en temps réel les nanosphères creuses à base de Pt au sein d'une cellule environnementale (E-cell). Elle examine le frittage des nanoparticules dans la coquille des nanosphères et l'effondrement de leur microstructure creuse induit par la température. Ce travail explore comment la température et la nature du gaz influencent les changements morphologiques des nanosphères à base de Pt et les mécanismes à l'origine de ces changements. Elle identifie également les produits de la réaction d'hydrogénation du CO2 et contribue à déterminer la voie de la réaction. Cette recherche identifie les températures spécifiques auxquelles les changements morphologiques se produisent dans différents environnements (vide, gaz H2 et mélange de gaz CO2-H2). L'environnement le plus réactif (H2) entraîne un effondrement précoce de ce système complexe par rapport aux atmosphères inertes. Ces découvertes ont jeté les bases d'une nouvelle conception de catalyseurs.
Abstract: Heterogeneous catalysis plays a crucial role in enhancing the efficiency, sustainability and cost-effectiveness of chemical reactions. The use of metal nanoparticles in heterogeneous catalysis boosts catalytic efficiency due to their high surface-to-volume ratio, tunable electronic properties and high catalytic activity. Noble metal-based catalysts, including Platinum (Pt), are widely recognized for their high effectiveness and selectivity in a broad range of industrial reactions. The main focus of this thesis is the investigation of synthesized Pt-based hollow nanospheres, which exhibit unique catalytic properties. This is due to their increased surface-to-volume ratio, reduced material density and economic efficiency. The transmission electron microscopy (TEM) is used for these materials’ characterization due to its high resolution and adaptability to nanomaterials. Using electron tomography, channels within the shell complex 3D morphology are identified and quantified. This makes a significant contribution to the development of nanoreactors and offers exciting possibilities for enhanced catalytic properties. Hollow nanospheres used as nanocatalysts are prone to deactivate due to several processes including sintering/collapsing, surface poisoning and coking. This research helps understand these transformations, using the CO2 hydrogenation reaction as a model. It uses in-situ and operando TEM methodology to monitor the Pt-based hollow nanospheres in real-time within an Environmental Cell (E-cell). It examines the sintering of nanoparticles in the nanospheres shell and the temperature-induced collapse of their hollow microstructure. This work explores how temperature and the gas nature influence the morphological changes in Pt-based nanospheres and the mechanisms behind these changes. It also identifies the CO2 hydrogenation reaction products and aids determining the reaction pathway. This research identifies the specific temperatures at which the morphological changes occur under different environments (vacuum, H2 gas and CO2-H2 gas mixture). The most reactive environment (H2) leads to early collapse of such complex system as compared to inert atmospheres. The findings of this research have laid the foundation of a novel catalysts design.

Assemblage d’hétérostructures optiques amplificatrices pour les pilotes de laser de puissance

Doctorant·e: DUBE Thomas
Direction de thèse: CAMY Patrice (Directeur·trice de thèse)
MONTANT SEBASTIEN (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 13/12/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: Institut Lasers et Plasmas, 2640 Avenue du Médoc, 33114 Le Barp (extérieur)
Rapporteurs de la thèse: BARTASYTE AUSRINE Professeur des universités Université de Franche Comté
DRUON FREDERIC Directeur de recherche au CNRS Université Paris Saclay
Membres du jurys: BALITSKY DENIS, Chercheur, Cristal Laser
BARTASYTE AUSRINE, Professeur des universités, Université de Franche Comté
CAMY Patrice, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
DE VIDO MARIASTEFANIA, Chercheur, Central Laser Facility
DRUON FREDERIC, Directeur de recherche au CNRS, Université Paris Saclay
MONTANT SEBASTIEN, Directeur de recherche, CEA FAR

Résumé: Les lasers de puissance, tels que le Laser Mégajoule (France) et le National Ignition Facility (Etats-Unis), ont recours au verre phosphate dopé au Néodyme pour l’amplification laser de forte énergie nécessaire à la réalisation d’expériences de haute densité d’énergie. En raison des contraintes thermiques générées lors du processus de pompage optique du matériau amplificateur, les amplificateurs d’une chaine laser sont contraints à un fonctionnement mono-coup sous peine de dégrader les propriétés de l'impulsion laser. A ce titre, le pilote, dont le rôle consiste à délivrer une impulsion laser à 1053 𝑛𝑚 d'une énergie de 1 𝐽 dans une chaîne laser, est limité à une cadence de 1 tir / 5 minutes. L’augmentation de la cadence du pilote contribuerait entre autres à optimiser les performances de ces systèmes laser en termes de stabilité d’énergie et de temps d’alignement. L’élaboration de nouveaux matériaux et d’architectures d’amplificateur laser novatrices s’inscrit dans une démarche d’amélioration de ces performances. Ce projet de thèse repose sur l'étude de l'assemblage de matériaux optiques aux fonctions complémentaires, que sont l'amplification laser et le refroidissement. Cette thèse vise dans un premier temps à démontrer la faisabilité et l’intérêt de l'assemblage pour l’élaboration de matériaux laser hétérogènes capables de répondre aux besoins d’un pilote de laser de puissance. En premier lieu, plusieurs échantillons hétérogènes élémentaires ont été définis et fabriqués pour cette thèse. Une géométrie assemblée de taille centimétrique met en jeu un matériau à gain laser à 1053 𝑛𝑚 et un à deux cristaux non dopés présentant une forte conductivité thermique. En identifiant différents critères matériaux, plusieurs compositions à base de verre et de cristaux ont été associées suivant différents protocoles d’assemblage. Le travail de cette thèse est consacré à la compréhension des effets thermomécaniques et optiques induits lors du pompage dans ces échantillons assemblés. Des premières mesures d’élévation de température et de déformation du front d’onde mettent en lumière une amélioration du refroidissement ainsi qu’une réduction et une modification de la déformation du front d’onde de l’impulsion. L’ensemble de ces mesures sont confrontées à un modèle de simulation numérique développé avec le logiciel COMSOL Multiphysics® au cours de la thèse. L’accord satisfaisant obtenu entre le modèle et les mesures expérimentales ouvre la voie à une interprétation de la déformation de front d’onde observée entre les hétérostructures de différentes compositions. Finalement, le modèle numérique recalé participe à l’élaboration de nouvelles architectures laser hétérogènes abouties qui sont capables de répondre aux besoins d’un pilote de laser de puissance.
Abstract: High-power lasers, such as the Laser Mégajoule (France) and the National Ignition Facility (United-States of America), rely on neodymium-doped phosphate glass as the gain material to perform high-energy amplification of laser pulses required for high energy density experiments. Due to thermal stresses occurring within the laser gain material during the pumping process, the overall repetition rate of the amplification stages is limited to one shot every hour. As a matter of fact, the front end, which is responsible for the generation of a 1-𝐽 nanosecond 1053-𝑛𝑚 pulse injected into a beamline, operates with a repetition rate of one shot every 5 minutes. Increasing its repetition rate while maintaining the same standard of laser performances is seen as a key objective in order to overcome long-lasting alignment procedures prior to an experiment and to achieve high-energy stability. The research dedicated to novel laser materials and innovative cooling architectures has been driving the development of new high-power laser concepts aiming to operate at higher repetition rates for the past 20 years. This project investigates the bonding of optical materials with complementary functions, such as laser amplification and heat mitigation. This thesis aims at establishing the proof-of-principle of laser material bonding applied to amplificationat 1053 𝑛𝑚 and thermal effects reduction in a high-power laser front-end. As a first step, several primary bonded samples have been defined and prepared within the framework of this study. Various samples, based on laser crystals and glasses, were prepared following different bonding procedures. This thesis work delves into the understanding of thermomechanical effects occurring in bonded laser materials in a side-pumping configuration. Temperature rise as well wavefront measurements underscore a reduction of both thermal load and optical aberrations as well as an improvement of the wavefront distortion. These measurements are compared to a numerical model developed using the finite-element analysis software COMSOL Multiphysics®. The good agreement between the model and the experiments allows for an extensive comprehension of the different thermomechanical contributors to the optical aberrations of each bonded laser material. The numerical model paves the way for the conception of innovative heterogeneous laser material structures dedicated to a new generation of high-power laser front-ends.

Phases magnétiques et transitions de phases magnétiques dans les oxydes antiferromagnétiques frustrés multiferroiques: étude par simulations numériques

Doctorant·e: GHADDAR Mohamad
Direction de thèse: LEDUE DENIS (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 13/12/2023 à 13:30
Lieu de la soutenance: Laboratoire GPM
avenue de l'université
76801 St Etienne du Rouvray
Rapporteurs de la thèse: CHATELAIN CHRISTOPHE Maître de Conférences Université de Lorraine
THIBAUDEAU PASCAL
Membres du jurys: CHATELAIN CHRISTOPHE, Maître de Conférences, Université de Lorraine
FRESARD RAYMOND, Professeur des Universités, ENSICAEN
LACROIX CLAUDINE, Directeur de Recherche, Universite Grenoble Alpes
LEDUE DENIS, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie
THIBAUDEAU PASCAL, Maître de Conférences HDR,
ZAPOLSKY HELENA, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie

Résumé: Notre étude porte sur les matériaux multiferroïques présentant un couplage entre un ordre ferroélectrique et un ordre magnétique. Deux composés multiferroïques : CuCrO2 et Zn2FeOsO6 ont été étudiées en utilisant la méthode Monte Carlo. Pour le composé CuCrO2, nous avons étudié les phases magnétiques en fonction de la température sous champ magnétique 70 T ≤ B ≤ 120 T appliqué suivant [001]. Nous considérons le modèle de Heisenberg 3D qui est un modèle réaliste qui prend en compte la distorsion et les interactions jusqu’aux 4èmes voisins ainsi que l’ anisotropie magnéto-cristalline. Nous avons trouvé, pour 70 T ≤ B < 106 T, deux transitions qui existent en diminuant la température. La première, autour de 30 K, est une transition « paramagnétique ↔ up-up-down (UUD) » et la deuxième, a lieu à basse température, correspond à une transition « UUD ↔ commensurable (CY) ». Pour 106 T ≤ B < 110 T, une seule transition « paramagnétique ↔ UUD » existe. Pour 110 T ≤ B ≤ 120 T, une seule transition « paramagnétique ↔ V » est observée. Pour 5 K ≤ T ≤ 10 K , notre diagramme de phase est en bon accord avec celui obtenu expérimentalement en termes des séquences de phases. De plus, pour B = 90 T, nous avons constaté que les deux transitions appartiennent à la classe d’universalité du modèle d’Ising 2D. En ce qui concerne le deuxième composé Zn2FeOsO6, qui a une structure pérovskite double, nous avons effectué les études en utilisant le modèle de Heisenberg généralisé. En prenant en compte les termes d’échange isotropes, nous avons trouvé une transition « paramagnétique ↔ ferrimagnétique » autour de 440 K. Cette température de transition diminue à 425 K en prenant en compte les termes d’échange anisotropes symétriques et antisymétriques (DMI). Les termes d’anisotropie magnéto-cristalline n’affectent que sur la configuration des spins à l’état fondamental, où les spins sont orientés dans le plan ab d’une façon parfaitement antiparallèle. Enfin, nous avons montré, à partir de l’étude de la susceptibilité linéaire, que la frustration augmente en tenant en compte les termes d’échange anisotropes.
Abstract: Our study focuses on multiferroic materials that exhibit coupling between a ferroelectric order and a magnetic order. Two multiferroic compounds : CuCrO2 and Zn2FeOsO6 have been studied using the Monte Carlo method. For the CuCrO2, the magnetic phases have been investigated as a function of temperature under a magnetic field 70 T ≤ B ≤ 120 T applied according to [001]. The 3D Heisenberg mode have been considered, which is a realistic mode that takes into consideration the distortion and the exchange interaction up to the 4th neighbors, as well as magneto-crystalline anisotropy. For 70 T ≤ B < 106 T, two transitions have been found with decreasing temperature. The first, around 30 K, is a “paramagnetic ↔ up-up-down (UUD) ” transition and the second, takes place at low temperature, corresponds to a “ UUD ↔ commensurable (CY) ” transition. For 106 T ≤ B < 110 T, only one “ paramagnetic ↔ UUD ” transition exists. A single “paramagnetic ↔ V” transition is observed, for 110 T ≤ B ≤ 120 T. For 5 K ≤ T ≤ 10 K, our phase diagram is in a good agreement with that obtained experimentally in terms of phase sequences. Moreover, for B = 90 T, both transitions identified belong to the universality class of 2D Ising model. For the second compound Zn2FeOsO6, which has a double perovskite structure, the studies have been carried out by using the generalized Heisenberg model. A “paramagnetic ↔ ferrimagnetic” transition was found around 440 K by taking into consideration the isotropic exchange terms. This transition temperature decreases to 425 K with the symmetric and antisymmetric anisotropic exchange terms (DMI). The magneto-crystalline anisotropy terms only affect the spin configuration in the ground state, where the spins are oriented antiparallel in the ab plane. Finally, according to the study of linear susceptibility, the frustration increases when anisotropic exchange terms are considered.

Etude expérimentale de la convection naturelle dans une cavité annulaire stationnaire ou en rotation

Doctorant·e: NTARMOUCHANT Ziad
Direction de thèse: MUTABAZI INNOCENT (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 12/12/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: Amphithéâtre du Laboratoire Ondes et Milieux Complexes, 53 rue prony
Rapporteurs de la thèse: OULD EL MOCTAR AHMED MAÎTRE DE CONFERENCES (HDR) Université Nantes
PODVIN BERENGERE DIRECTEUR DE RECHERCHE CentraleSupélec
Membres du jurys: LE GAL PATRICE, DIRECTEUR DE RECHERCHE, AIX-MARSEILLE UNIVERSITE
LECORDIER BERTRAND, CHARGE DE RECHERCHE, Université de Rouen Normandie
LOUAHLIA HASNA, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université de Caen Normandie
MUTABAZI INNOCENT, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université Le Havre Normandie
OULD EL MOCTAR AHMED, MAÎTRE DE CONFERENCES (HDR), Université Nantes
PEERHOSSAINI HASSAN, PROFESSEUR DES UNIVERSITES EMERITE, UNIVERSITE PARIS 7 PARIS DIDEROT
PODVIN BERENGERE, DIRECTEUR DE RECHERCHE, CentraleSupélec
PRIGENT ARNAUD, MAÎTRE DE CONFERENCES, Université Le Havre Normandie

Résumé: Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la physique des fluides expérimentale. Elle est consacrée à l’étude expérimentale de la convection naturelle dans une cavité annulaire avec le cylindre intérieur stationnaire ou en rotation. La première partie de la thèse est dédiée à la découverte et la validation d’une nouvelle solution rhéoscopique. En plus de fournir des résultats de visualisation satisfaisants, cette solution est respectueuse de l’environnement et est peu onéreuse. Elle constitue un substitut idéal au kalliroscope dont la production est terminée depuis quelques années. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l’influence de la convection naturelle sur un écoulement de Taylor-Couette à grand rapport d’aspect. Cette étude à permis de mettre en lumière les motifs présents dans cette configuration. La transition de l’état de base vers le régime turbulent a été étudiée pour une valeur fixe du nombre de Grashof (Gr=4000) et un nombre de Taylor variant de 11 à 200. Les résultats de la deuxième partie nous ont permis de valider une étude numérique réalisée pour la même configuration. L’étude expérimentale de la convection naturelle turbulente dans une cavité annulaire stationnaire est étudiée dans le dernier chapitre pour des nombres de Rayleigh élevés (3⋅10^5
Abstract: This thesis is part of the field of experimental fluid physics. It is devoted to the experimental study of natural convection in an annular cavity with stationary or rotating inner cylinder. The first part of the thesis is dedicated to the discovery and validation of a new rheoscopic solution. In addition to providing satisfactory visualization results, this solution is environmentally friendly and inexpensive. It constitutes an ideal substitute for the Kalliroscope, which production ended several years ago. The second part of the thesis is devoted to the influence of natural convection on a large aspect ratio Taylor-Couette flow. This study shed light on the patterns present in this configuration. The transition from the base state to the turbulent regime was studied for a fixed value of the Grashof number (Gr=4000) and a Taylor number ranging from 11 to 200. The results of the second part allowed us to validate a numerical study carried out for the same configuration. The experimental study of turbulent natural convection in a stationary annular cavity is studied in the last chapter for high Rayleigh numbers (3⋅10^5

Modélisation, optimisation et gestion d’énergie d’une centrale hybride à énergie renouvelable

Doctorant·e: IBRAHIM OMAR Chaker
Direction de thèse: HOUIVET David (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 12/12/2023 à 09:00
Lieu de la soutenance: Amphithéâtre ESIX-GSI de Cherbourg - 60 rue Max-Pol Fouchet · CS 20082 · 50130 Cherbourg-en-Cotentin
Rapporteurs de la thèse: MIGAN-DUBOIS ANNE Professeur des universités Université Paris Saclay
TALBERT THIERRY Maître de conférences HDR UNIVERSITE PERPIGNAN VIA DOMITIA
Membres du jurys: CHERIFI Abderrezzak, Professeur des universités, UNIVERSITE VERSAILLES ST QUENT
DUCHESNE STEPHANE, Professeur des universités, Universite Artois
HOUIVET David, Maître de conférences HDR, Université de Caen Normandie
MIGAN-DUBOIS ANNE, Professeur des universités, Université Paris Saclay
REBOUL Jean-Michel, Maître de conférences, Université de Caen Normandie
TALBERT THIERRY, Maître de conférences HDR, UNIVERSITE PERPIGNAN VIA DOMITIA

Résumé: La transition énergétique impose aujourd’hui aux réseaux d’électricité des profondes mutations. La croissance des besoins couplée à l’intégration massive de sources de production renouvelables et intermittentes met leur stabilité en péril. Associées aux solutions informatiques développées par la filière Smart Grids, le recours aux technologies de stockage constitue l’une des solutions pour pallier les périodes de sur- ou de sous-production. Il faut donc gérer des situations nouvelles : surproduction d’électricité en période de faible consommation et sous-production en période de pointe. Pour répondre à cette problématique, cette thèse se concentre sur l'analyse et l'optimisation de la gestion d'énergie d'un système hybride à énergie renouvelable, installé à l'Université de Djibouti. Le système intègre des composants tels qu'une installation photovoltaïque de 19 kW, une éolienne de 6,5 kW et un parc de batteries de 52 kWh le tout reliés au réseau électrique. Cette étude, débute par une évaluation du potentiel énergétique à partir des données recueillies par une station météo spécialement installée sur le site. Pour l'année 2022, les données ont révélé que le champ photovoltaïque de 125 m² a produit 333 MWh/an, ce qui représente une nette supériorité par rapport à la production annuelle de l'éolienne couvrant 22 m², qui atteint seulement 2,771 MWh. Ensuite, une modélisation minutieuse des flux énergétiques du site, validée au moyen de simulations adaptées à chaque composant, a été réalisée. Pour le système éolien, un modèle basé sur les équations fondamentales de la puissance éolienne a été choisi et validé sous Matlab/Simulink en déterminant un coefficient approprié, puis en l'utilisant pour simuler la puissance de sortie de l'éolienne avec des données réelles. En ce qui concerne le système solaire, les modèles basés sur des équations mathématiques ont été employées pour simuler l'installation photovoltaïque, puis les résultats ont été comparés à l'installation réelle. Quant aux stockages, nous avons simulé l'état de charge des batteries en utilisant les données réelles de consommation ainsi que les données météorologiques du site, puis nous avons comparé le SOC simulé au SOC réel des batteries installées sur site. Enfin, cette recherche propose trois stratégies de gestion d'énergie basées sur une approche hybride intégrant deux algorithmes de gestion : la programmation linéaire et un algorithme basé sur des règles logiques. Ces stratégies ont pour objectif d'améliorer l'anticipation et l'optimisation du flux énergétique du site. Pour évaluer les performances des deux algorithmes, trois scénarios extrêmes basés sur la réalité du site ont été définis. L'objectif de ces scénarios étaient d'évaluer les performances et la robustesse des algorithmes de gestion d'énergie et de mieux comprendre comment gérer efficacement l'excédent d'énergie tout en minimisant la dépendance au réseau électrique. Les résultats des simulations mettent en évidence la supériorité de la stratégie qui fixe l'état de charge SOCmin à 30% en minimisant les coûts d'énergie provenant du réseau et en maximisant l'excès d'énergie injectée vers l'université.
Abstract: The energy transition is currently imposing profound changes on electricity networks. The growth in demand, coupled with the extensive integration of renewable and intermittent production sources, puts their stability at risk. Alongside the IT solutions developed in the Smart Grid sector, the use of storage technologies is one of the solutions to mitigate periods of over- or under-production. Therefore, there is a need to manage new situations: overproduction of electricity during periods of low consumption and underproduction during peak times. To address this issue, this thesis focuses on the analysis and optimization of energy management in a renewable energy hybrid system installed at the University of Djibouti. The system includes components such as a 19 kW photovoltaic installation, a 6.5 kW wind turbine, and a 52 kWh battery park, all connected to the electrical grid. This study begins with an evaluation of the energy potential based on data collected by a specially installed weather station on the site. For the year 2022, the data revealed that the 125 m² photovoltaic field produced 333 MWh per year, which is significantly superior to the annual production of the 22 m² wind turbine, which only reached 2.771 MWh. Subsequently, a meticulous modeling of the energy flows on the site, validated through component-specific simulations, was conducted. For the wind system, a model based on fundamental wind power equations was chosen and validated using Matlab/Simulink by determining an appropriate coefficient, then using it to simulate the turbine's output power with real data. Regarding the solar system, models based on mathematical equations were employed to simulate the photovoltaic installation, and the results were compared to the actual installation. As for the storage, we simulated the state of charge of the batteries using real consumption data and site-specific meteorological data, then compared the simulated state of charge to the actual state of charge of the batteries installed on-site. Finally, this research proposes three energy management strategies based on a hybrid approach integrating two management algorithms: linear programming and a rule-based algorithm. These strategies aim to enhance the anticipation and optimization of the site's energy flow. To evaluate the performance of the two algorithms, three extreme scenarios based on the site's reality were defined. The objective of these scenarios was to assess the performance and robustness of the energy management algorithms and to better understand how to efficiently manage excess energy while minimizing reliance on the electrical grid. The simulation results highlight the superiority of the strategy that sets the state of charge SOCmin to 30%, minimizing energy costs from the grid and maximizing the surplus energy injected into the university.

Etude de l'influence de fibres naturelles sur la cinétique de réticulation de résines bio-sourcées

Doctorant·e: JOUENNE Jean Baptiste
Direction de thèse: VIVET Alexandre (Directeur·trice de thèse)
CAURET LAURENT (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 01/12/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: IUT Grand Ouest Normandie - Site d'Alençon - Salle du conseil A117 - 61250 Damigny
Rapporteurs de la thèse: COMAS-CARDONA SÉBASTIEN Professeur des universités ECOLE CENTRALE NANTES
MALFREYT PATRICE Professeur des universités UNIVERSITE CLERMONT FERRAND 1 AUVERGNE
Membres du jurys: CAURET LAURENT, Chercheur HDR, POLYVIA - Union des transformateurs de polymères
COMAS-CARDONA SÉBASTIEN, Professeur des universités, ECOLE CENTRALE NANTES
FONTAINE LAURENT, Professeur des universités, UNIVERSITE LE MANS
MALFREYT PATRICE, Professeur des universités, UNIVERSITE CLERMONT FERRAND 1 AUVERGNE
NGONO RAVACHE YVETTE, Chercheur-ingénieur au CEA, Université de Caen Normandie
VIVET Alexandre, Professeur des universités, Université de Caen Normandie

Résumé: Le développement de composites à matrices biosourcées et renforcées par des fibres naturelles est une solution envisagée par les industriels pour répondre aux problématiques environnementales. Cependant, la méconnaissance des interactions qui se produisent durant la mise en oeuvre entre les fibres naturelles et la résine pendant la réticulation ne permet pas d'obtenir des procédés de fabrication stabilisés et rend l'industrialisation à grande échelle difficile. Cette étude propose d'évaluer l'influence de la présence de fibres de lin sur la cinétique de réticulation d'une résine époxy-amine biosourcée. Pour ce faire, une approche multi-échelle couplant résultats expérimentaux et numériques a été utilisée en comparant des échantillons de résine pure, de composites renforcés par des fibres de verre, de lin sèches ou humides. La présence d'eau dans les fibres naturelles accélère la cinétique de réticulation du système époxy-amine. A l'inverse, l'absence d'eau dans les fibres naturelles semble inhiber la réaction de réticulation amenant à une diminution de la réactivité de la résine polyépoxyde. Il a également été mis en évidence que la présence d'eau pendant la fabrication a un impact sur la cohérence et la qualité du réseau tridimensionnel final. En parallèle de ces résultats expérimentaux, une étude numérique à l'échelle atomique réalisée grâce à des simulations en dynamique moléculaire a permis d'obtenir de nouvelles clés de compréhension de l'influence des fibres naturelles sur la cinétique de réticulation d'une résine époxy-amine biosourcée. En effet au-delà de l'action chimique, les molécules d'eau ont une action purement physique sur la formation du réseau tridimensionnel.
Abstract: The development of composites made of biobased matrices reinforced with natural fibres is a solution considered to meet environmental constraints of industry. However, the lack of knowledge on the interactions that occur during processing between natural fibers and the resin during crosslinking does not allow one to obtain stabilized manufacturing processes and makes large-scale industrialization more difficult. This study proposes to evaluate the influence of the presence of flax fibres on the crosslinking kinetics of a biobased epoxy-amine resin. For this purpose, a multi-scale approach coupling experimental and numerical results was used by comparing samples of pure resin, composites reinforced with glass fibers, dry flax fibers or wet flax fibres. The presence of water in natural fibers accelerates the crosslinking reaction of the epoxy-amine system. Conversely, the absence of water in natural fibers seems to inhibit the crosslinking reaction leading to a lower reactivity of the polyepoxy resin. It has also been shown that the presence of water during the manufacturing process has an impact on the consistency and quality on the final three-dimensional network. In parallel with these experimental results, a numerical study at the atomic scale was carried out using molecular dynamics simulations and revealed new ways in understanding the influence of natural fibres on the crosslinking kinetics of an epoxy resin. Indeed, beyond the chemical action, water molecules have a purely physical action on the formation of the three-dimensional network.

On deep learning for computational fluid dynamics

Doctorant·e: GONZALEZ Fernando
Direction de thèse: DEMOULIN FRANÇOIS-XAVIER (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 29/11/2023 à 13:00
Lieu de la soutenance: Laboratoire Coria
Avenue de l'université
76801 St Etienne Du Rouvray
Rapporteurs de la thèse: FRANQUET ERWIN Professeur des Universités Universite Cote d'Azur
TRONTIN PIERRE Professeur des Universités Université Claude Bernard - Lyon 1
Membres du jurys: BERNARD SIMON, Maître de Conférences, Université de Rouen Normandie
CHEVALIER SYLVAIN, Professeur des Universités, UNIVERSITE PARIS-SACLAY
DEMOULIN FRANÇOIS-XAVIER, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie
FRANQUET ERWIN, Professeur des Universités, Universite Cote d'Azur
GOMEZ THOMAS, Professeur des Universités, UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
TRONTIN PIERRE, Professeur des Universités, Université Claude Bernard - Lyon 1
YGER FLORIAN, Maître de Conférences, UNIVERSITE PARIS 9

Résumé: La dynamique des fluides computationnelle (CFD) joue un rôle central dans la simulation et comprendre les phénomènes d'écoulement des fluides dans divers domaines, notamment l'aérospatiale, l'automobile, les sciences de l'environnement et le génie biomédical. Méthodes CFD traditionnelles, principalement basées sur le numérique discrétisation des équations gouvernantes, sont souvent confrontés à des difficultés pour atteindre haute précision et efficacité de calcul, en particulier pour les applications complexes et des écoulements turbulents. Le Deep Learning (DL), un sous-domaine de l'intelligence artificielle, est apparue comme une approche prometteuse pour relever ces défis en intégrant des techniques basées sur les données avec des simulations numériques. Ce doctorat. la thèse explore de manière approfondie l'intégration du Deep Learning techniques dans la dynamique des fluides computationnelle, en se concentrant sur l'amélioration à la fois précision et efficacité dans les simulations de flux. Ce travail est divisé en deux parties ; le premier est dédié aux fondamentaux du DL et un revue de la littérature sur les applications de pointe du DL en CFD. La deuxième la partie explore les questions de savoir comment développer des modèles de substitution basés sur les données de simulations d'écoulements turbulents. Les principaux enseignements de cette thèse sont les suivants : • Le chapitre 2 présente les concepts fondamentaux de l'apprentissage automatique. qui sera utilisé dans le travail et apparaîtra dans la plupart de la littérature dédié au ML pour CFD. • Le chapitre 3 fournit une étude à jour des avancées actuelles dans l’application du ML aux CFD. De plus, une perspective critique est fourni dans le but d’identifier des orientations de recherche possibles. • Le chapitre 4 explore la modélisation générative avec Generative Adversarial. Réseaux (GAN) pour la génération de turbulences synthétiques et supervisés apprentissage pour prédire un écoulement turbulent. La première section évalue les principales difficultés rencontrées par les GAN pour générer des flux turbulents en implémentant un modèle pour la génération de signaux turbulents à la fois en 1D et 2D. La deuxième section implémente un framework avec un Autoencoder pour les écoulements turbulents 3D et un modèle LSTM convolutif pour une prédiction temporelle à l'aide de la représentation latente apprise. • Au chapitre 5, nous formons les opérateurs neuronaux à apprendre l'opérateur de solution de l'équation de Navier-Stokes à partir de données de simulation. Trois les modèles sont formés en tant que modèles de substitution des simulations. Le le problème de la stabilité numérique des modèles DL est également abordée. Nous concluons que le Deep Learning fournit un ensemble intéressant d’outils qui sera utile aux scientifiques et ingénieurs travaillant avec la dynamique des fluides. Il reste encore de nombreuses questions ouvertes auxquelles il faudra répondre afin que L'intelligence artificielle fait désormais partie de la norme dans le domaine des CFD. Ce travail fournit une référence de base pour tout praticien CFD souhaitant commencer à appliquer DL à leurs problèmes ou développer de nouveaux outils pour faire progresser l’état de l’art dans ce domaine.
Abstract: Computational Fluid Dynamics (CFD) plays a pivotal role in simulating and understanding fluid flow phenomena across various domains, including aerospace, automotive, environmental science, and biomedical engineering. Traditional CFD methods, predominantly based on numerical discretization of the governing equations, often face challenges in achieving high accuracy and computational efficiency, especially for complex and turbulent flows. Deep Learning (DL), a subfield of artificial intelligence, has emerged as a promising approach to address these challenges by integrating data-driven techniques with numerical simulations. This Ph.D. thesis comprehensively explores integrating Deep Learning techniques into Computational Fluid Dynamics, focusing on enhancing both accuracy and efficiency in flow simulations. This work is divided into two parts; the first one is dedicated to the fundamentals of DL and a literature review of state-of-the-art applications of DL in CFD. The second part explores the questions of how to develop data-driven surrogate models of turbulence flow simulations. The main takeaways of this thesis are the following: • Chapter 2 introduces fundamental concepts of Machine Learning that will be used in the work and appear in most of the literature dedicated to ML for CFD. • Chapter 3 provides an up-to-date survey of the current advancements in the application of ML to CFD. In addition, a critical perspective is provided with the purpose of identifying possible research directions. • Chapter 4 explores generative modeling with Generative Adversarial Networks (GANs) for synthetic turbulence generation and supervised learning for predicting a turbulent flow. The first section evaluates the main difficulties GANs face in generating turbulent flows by implementing a model for the generation of turbulent signals both in 1D and 2D. The second section implements a framework with an Autoencoder for 3D turbulent flows and a Convolutional LSTM model for temporal prediction using the learned latent representation. • In chapter 5, we train Neural Operators to learn the solution operator of the Navier-Stokes equation from simulation data. Three models are trained as surrogate models of the simulations. The problem of achieving numerical stability for the DL models is also addressed. We conclude that Deep Learning provides an interesting set of tools that will be useful to scientists and engineers working with fluid dynamics. There are still many open questions that need to be answered so that Artificial Intelligence becomes part of the standard for the field of CFD. This work provides a ground-level reference for any CFD practitioner wanting to start applying DL for their problems or develop new tools to advance the state-of-the-art for this field.

Synthesis of extra-large pore zeolitic materials for hydrocarbons upgrading

Doctorant·e: FAHDA Mohammad
Direction de thèse: VALTCHEV Valentin (Directeur·trice de thèse)
AL LAKISS LOUWANDA (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 28/11/2023 à 15:00
Lieu de la soutenance: Laboratoire Catalyse et Spectrochimie - 14000-CAEN- France
Rapporteurs de la thèse: DUSSELIER MICHIEL Professeur LEUVEN - KATHOLIEKE UNIVERSITEIT
TSAPATSIS MICHAEL Professeur Université Johns-Hopkins
Membres du jurys: BURTON ALLEN, Ingénieur de recherche, Exxon Mobil
DUSSELIER MICHIEL, Professeur , LEUVEN - KATHOLIEKE UNIVERSITEIT
LAKISS LOUWANDA, Ingénieur de recherche, CNRS
MINTOVA SVETLANA, Directeur de recherche, CNRS
TSAPATSIS MICHAEL, Professeur , Université Johns-Hopkins
VALTCHEV Valentin, Directeur de recherche au CNRS, CNRS

Résumé: Les zéolithes sont des matériaux aluminosilicates microporeux dotés d’une acidité réglable et d’une sélec- tivité de forme qui ont révolutionné l’industrie pétrochimique. Cependant, leur limitation de taille de pores à des anneaux à 12 membres, avec un diamètre de pore d’environ 7 Å, restreint leur efficacité vis-à-vis des molécules volumineuses, entravant leurs applications dans divers processus catalytiques. L’émergence de zéolithes à extra-larges pores, dépassant la restriction des anneaux à 12 membres, a ou- vert de nouvelles perspectives en catalyse, permettant la transformation de molécules plus grandes. Cette thèse présente la synthèse et l’étude des propriétés acides de deux zéolithes à extra-larges pores récem- ment découvertes : ZEO-1, une zéolithe avec une ouverture à 16 tétraèdres, et la variante aluminosilicate de UTD-1, une zéolithe avec une ouverture à 14 tetraèdres. Ces zéolithes ont un immense potentiel pour étendre les performances catalytiques des zéolithes, en particulier dans le traitement de molécules volumineuses. Ce travail porte, d’une manière exhaustive, sur les conditions de synthèse optimisées de ZEO-1 examinant l’influence de divers paramètres sur la taille des cristaux, la morphologie et la durée de la synthèse. Les propriétés acides de ZEO-1, précédemment inexplorées, sont soigneusement examinées à l’aide de différentes techniques de caractérisation physico chimique : la résonance magnétique nucléaire à l’état solide (RMN), l’adsorption de molécules sondes basiques de différentes tailles suivie par infrarouge in situ et de la modélisation par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Cette étude approfondie détermine la position et la distribution des sites acides dans la structure, leur accessibilité et le potentiel catalytique de ZEO-1. La thèse soulogne également la synthèse et les propriétés acides de la variante aluminosilicate de UTD-1, en utilisant des techniques similaires à celles utilisées pour ZEO-1. L’accessibilité et la concentration des sites acides dans UTD-1, précédemment inexplorées, sont étudiées. Enfin, la thèse présente un nouveau traitement mécanique post-synthétique qui consiste à appliquer une pression unidirectionnelle pour réduire la taille des cristaux de zéolithe et améliorer leur performance catalytique. Cette méthode, testée sur des cristaux de ZSM-5 de taille micrométrique, réduit leur taille d’un facteur de trois tout en préservant l’intégrité de la structure de la zéolithe. L’efficacité de ce traitement sous pression est validée par la durée de vie prolongée des cristaux de ZSM-5 traités testés dans la conversion de Méthanol en Oléfine.
Abstract: Zeolites are microporous aluminosilicate materials with tunable acidity and shape selectivity that have revolutionized the petrochemical industry. However, their pore size limitation to 12-membered rings, i.e., about 7 Å pore diameter, restricts their effectiveness in processing bulky molecules, hindering their application in various catalytic processes. The emergence of extra-large pore zeolites, exceeding the 12-membered ring restriction, has opened new horizons in catalysis, enabling the transformation of larger molecules. This thesis presents the synthesis and investigation of the acidic properties of two recently discovered extra-large pore zeolites: ZEO- 1, a 16-membered ring zeolite, and the aluminosilicate variant of UTD-1, a 14-membered ring zeolite. These zeolites hold immense potential for expanding the catalytic capabilities of zeolites, particularly in processing bulky molecules. The thesis comprehensively reports the optimized synthesis conditions for ZEO-1, examining the influence of various parameters on crystal size, morphology, and synthesis duration. The acidic properties of ZEO-1, previously unexplored, are thoroughly examined using a combination of solid-state nuclear magnetic resonance (NMR), in situ infrared spectroscopy using pyridine and 2,6-ditertbutyl pyridine (DTBPY) as probe molecules and density functional theory (DFT) modeling. This comprehensive investigation sheds light on the acidic site distribution, accessibility, and catalytic potential of ZEO-1. The thesis also explores the synthesis and acidic properties of the aluminosilicate variant of UTD-1, employing similar techniques to those used for ZEO-1. The accessibility and concentration of acidic sites in UTD-1, previously unexamined, are studied. Finally, the thesis introduces a novel mechanical post-synthetic treatment using mono-directional pressure to downsize zeolite crystals and enhance their catalytic performance. This method demonstrated on micron-sized ZSM-5 crystals, reduces their size by a factor of three while preserving the integrity of the zeolite framework. The efficacy of this pressure treatment is validated by the extended lifetime of treated ZSM-5 crystals in the Methanol-to-Olefin process.

Growth of perovskite oxides on low-cost substrates by pulsed laser deposition and the characterization of their macroscopic and microscopic properties

Doctorant·e: EL RAMI Marie
Direction de thèse: RUYTER ANTOINE (Directeur·trice de thèse)
FOUCHET ARNAUD (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 28/11/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance: Salle des thèse - faculté des sciences 3
Rapporteurs de la thèse: LE CALVEZ LEMEE NATHALIE Professeur des universités UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
PARUCH PATRYCJA Professeur GENEVE - UNIVERSITE DE GENEVE
Membres du jurys: DEMANGE VALÉRIE, Directeur de recherche, UNIVERSITE RENNES 1
FOUCHET ARNAUD, Chargé de recherche au CNRS, ENSICAEN
LE CALVEZ LEMEE NATHALIE, Professeur des universités, UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
LUDERS Ulrike, Directeur de recherche, ENSICAEN
PARUCH PATRYCJA, Professeur , GENEVE - UNIVERSITE DE GENEVE
RUYTER ANTOINE, Maître de conférences, ENSICAEN
WOLFMAN JÉROME, Chargé de recherche, Universite de Tours

Résumé: Différents oxydes de pérovskite ont été déposés par dépôt laser pulsé sur des substrats « bas-coût» selon deux approches différentes. La première approche consiste à utiliser des nanofeuillets (NS) de [Ca2Nb3O10]- comme sites de germination pour l'intégration de vanadates sur des substrats en verre amorphe. Notamment, une texture globale des films, favorisée par les NS, a été révélée. L'impact de l'épaisseur des films sur leurs propriétés macroscopiques de transport électrique a été étudié à l'aide de mesures de transport DC et d'ellipsométrie spectroscopique. De plus, la microscopie à force atomique couplée à la mesure électrique locale donne des informations sur une croissance couche par couche du SrVO3 (SVO) sur NS, une croissance 3D sur la partie non recouverte avec NS, et un début de cristallisation de SVO sur verre favorisé par l'épaisseur. D'autre part, les propriétés optiques révèlent une amélioration de la transparence lorsque l'épaisseur diminue. Ces résultats permettent de comprendre le processus de croissance et l'intégration d'oxydes fonctionnels sur NS, ouvrant de nouvelles perspectives pour ajuster les propriétés des films de vanadate en tant qu'électrodes transparentes. La deuxième approche est l'épitaxie combinatoire du substrat (CSE), où un substrat polycristallin de SrTiO3 a été synthétisé et caractérisé à l'aide de techniques macroscopiques et locales. Des propriétés magnétiques macroscopiques similaires du film polycristallin de La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) ont été mises en évidence par rapport au substrat monocristallin. Néanmoins, les propriétés magnétiques submicroniques de LSMO étudiées par microscopie à force magnétique et magnétométrie Kerr ont révélé une réponse magnétique distincte dépendant de l'orientation des grains, non présente dans le cas du substrat monocristallin de STO. Cette approche ouvre de nouvelles perspectives pour établir une bibliothèque de relations entre l'orientation et les propriétés fonctionnelles dans les films minces de pérovskites.
Abstract: Different perovskite oxides were grown by pulsed laser deposition on “low-cost” substrates through two different approaches. The first approach involves the use of [Ca2Nb3O10]- nanosheets (NS) as seed layer for the integration of vanadates on amorphous glass substrates. Notably, a global out-of-plane texture of the films, promoted by NS was revealed. The impact of the films thickness on their macroscopic electric-transport properties was investigated using DC transport and spectroscopic ellipsometry measurements. Furthermore, atomic force microscopy coupled to scanning spreading resistance microscopy gives insights to a layer-by-layer growth of SrVO3 (SVO) on NS, a 3D growth on uncovered part with NS, and an onset of crystallization of SVO on glass promoted by thickness. On the other hand, the examined optical properties reveal a transparency improvement when the thickness decreases. These eminent results allow to understand the growth process and the integration of functional oxides on NS, opening up new perspectives to tune the properties of vanadate films as transparent electrodes. The second approach is the combinatorial substrate epitaxy, where a polycrystalline SrTiO3 substrate was synthesized and characterized using macroscopic and local techniques. Similar macroscopic magnetic properties of polycrystalline La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO) film were evidenced compared to single crystal substrate. Nevertheless, the submicronic LSMO magnetic properties investigated by magnetic force microscopy and Kerr magnetometry, revealed distinct magnetic response dependent on the grain orientation not observed in the case of single crystal STO substrate. This approach opens new perspectives to establish a library of orientation-functional property relationships in perovskites thin films.

Atomic-scale study of structural and optical properties of nanoscale systems

Doctorant·e: WEIKUM Eric
Direction de thèse: RIGUTTI LORENZO (Directeur·trice de thèse)
VELLA ANGELA (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 24/11/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: Laboratoire GPM
Avenue de l'université
76800 St Etienne Du Rouvray
Rapporteurs de la thèse: CRUT AURELIEN Maître de Conférences Université Claude Bernard - Lyon 1
TIZEI LUIZ UNIVERSITE PARIS-SACLAY
Membres du jurys: BLAVETTE DIDIER, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie
CRUT AURELIEN, Maître de Conférences, Université Claude Bernard - Lyon 1
MONROY EVA, Directeur de Recherche, Universite Grenoble Alpes
RIGUTTI LORENZO, Maître de Conférences, Université de Rouen Normandie
TIZEI LUIZ, , UNIVERSITE PARIS-SACLAY
VELLA ANGELA, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie

Résumé: L'objectif de la recherche présentée est d'approfondir la compréhension de l'ensemble des données recueillies à l'aide de la sonde atomique photonique (PAP), qui est un set-up de tomographie par sonde atomique permettant l'étude in-operando de la photoluminescence (PL) de l'échantillon. Pour ce faire, deux systèmes d'hétérostructures semi-conductrices (des puits quantiques (QW) en ZnO intégrés dans du (Mg,Zn)O et une diode laser (LD) basée sur le système de matériaux (Al,In,Ga)N) sont étudiés à l'aide de cette technique. L'étude du système de QWs de ZnO sert de système modèle pour l'étude de la réponse PL d'un émetteur localisé intégré dans un spécimen PAP semi-conducteur. En effectuant des simulations FDTD (Finite-Difference-Time-Domain) sur une série de géométries de pointes qui imitent le développement de la géométrie de l'échantillon pendant l'évaporation du champ, le développement de l'intensité PL qui est détecté pendant une expérience PAP in-operando est reproduit. La prise en compte de l'augmentation du coefficient d'absorption induite par le champ électrique (métallisation de la surface) permet d'obtenir un bon accord entre la simulation et l'expérience. Ces notions sont encore renforcées par l'étude in situ de la PL résolue par polarisation et sa comparaison avec une autre série de calculs FDTD. Les données PAP obtenues lors de l'étude de l'hétérostructure LD (Al,In,Ga)N sont ensuite présentées. Dans cette analyse, l'accent est mis sur l'analyse corrélative des propriétés optiques et structurelles de l'échantillon. Dans cette étude, l'identification des phénomènes physiques à l'origine de la réponse PL de la PAP peut être attribuée à différentes régions de l'échantillon et la cause de l'émission peut être attribuée à des mécanismes physiques (paires Mg-donneur-accepteur, présence de sections InGaN).
Abstract: The goal of the present research is to further the understanding of the dataset collected using the Photonic Atom Probe (PAP), which is an Atom Probe Tomography set-up that allows for the in-operando study of the specimen's Photoluminescence (PL). In order to do this two semiconductor heterostructure systems (ZnO Quantum wells (QW) embedded in (Mg,Zn)O and a laser diode (LD) based on the (Al,In,Ga)N material system) are investigated using this technique. The investigation of the ZnO QWs-system serves as a model system for the investigation of the PL response of a localized emitter embedded within a semiconductor PAP specimen. By performing Finite-Difference-Time-Domain (FDTD) simulations on a series of tip geometries that mimics the development of the specimen geometry during its field evaporation the development of PL intensity which is detected during an in-operando PAP experiment is reproduced. Taking the electric-field induced increase of the absorption coefficient (surface metallization) into account yields a good agreement between simulation and experiment. These notions are further fortified by the in-situ investigation of the polarization resolved PL and its comparison to another set of FDTD calculations. The PAP data obtained from the investigation of the (Al,In,Ga)N LD heterostructure is then presented. In this analysis a special focus is set on the correlative analysis of the optical and the structural properties of the specimen. In this study the identification the physical phenomena causing the PAP’s PL response can be assigned to different regions of the specimen and the cause the emission can be traced back to physical mechanisms (Mg-donor-acceptor pairs, presence of InGaN sections).

Intruder states and shape coexistence beyond N=50 close to 78Ni studied by neutron knockout at RIBF-RIKEN

Doctorant·e: PLAGNOL Leo
Direction de thèse: GIBELIN Julien (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 23/11/2023 à 13:30
Lieu de la soutenance: LPC CAEN
Rapporteurs de la thèse: RAABE RICCARDO Professeur LEUVEN - KATHOLIEKE UNIVERSITEIT
ZIELINSKA MAGDA Ingénieur de recherche CEA Paris-Saclay
Membres du jurys: CATFORD WILTON, Professeur , Université de Surrey
GIBELIN Julien, Maître de conférences, Université de Caen Normandie
LIENARD Etienne, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
MATTEA IOLANDA, Maître de conférences, Université Paris Saclay
RAABE RICCARDO, Professeur , LEUVEN - KATHOLIEKE UNIVERSITEIT
ZIELINSKA MAGDA, Ingénieur de recherche, CEA Paris-Saclay

Résumé: La spectroscopie récente du 78Ni, additionnée aux indications de coexistence de formes juste en dessous de la fermeture de couche N=50 pour le 79Zn, suggère que les configurations intruses déformées pourraient jouer un rôle crucial dans les propriétés de la structure en couche à basse énergie dans la région, et aux abords de la limite du diagramme de Segré. Il est prédit que de telles configurations trouvent leurs origines dans les excitations multiparticules-multitrous au dessus des gaps N=50 et Z=28, réduits par les corrélations neutrons-protons qui renforcent la collectivité quadrupolaire. Ces états impliquant de multiples excitations particules-trous difficiles à décrire de manière théorique, les énergies prédites varient drastiquement plus selon les modèles que pour les états yrast provenant de configurations "normales" pour lesquelles ils tendent à être en accord. Ce sujet est l'objectif principal de l'expérience effectuée en novembre 2020 à l'installation RIBF (RIKEN, Japon) pour identifier et caractériser pour la première fois des états intrus 2p-1t dans le 83Ge. Les états trous neutrons dans ce noyau à N=51 ont été peuplés par une réaction d'arrachage de neutron depuis le noyau à N=52 84Ge possédant environ deux neutrons dans l'espace de valence (s1/2, d5/2) au dessus de N=50. Cette réaction directe permet dans certains cas de retirer un neutron de l'orbitale quasi-pleine g9/2 en dessous de N=50 pour peupler de manière sélective l'état intrus 9/2+. Afin d'identifier les états peuplés, les rayons gammas émis en vol sont mesurés à l'aide du multi-détecteur au Germanium HiCARI. Nous identifions un état à 1359 keV comme un intru 2p-1t, en bon accord avec les prédictions de phénoménologie et de calculs de modèle en couches. Aussi en accords avec les prédictions, nous mesurons des états intrus candidats à haute énergie nécessitant encore d'être totalement caractérisés. Une transition à 1240 keV correspond avec des états précédemment identifiés et il était anticipé qu'elle provienne du couplage d'un neutron avec le coeur excité de 82Ge. Cependant le facteur spectroscopique très élevé mesuré pour cette transition est incomparable avec les prédictions théoriques et requiert plus de développement pour être expliquée.
Abstract: The recent spectroscopy of 78Ni together with indications of shape coexistence just below the N=50 shell closure for 79Zn suggests that deformed intruder configurations could play a crucial role in low-energy structure properties in this region and towards the limits of the nuclear chart. Such configurations are predicted to originate from multiparticle-multihole excitations above the N=50 and Z=28 shell gaps pushed down in energy due to neutron-proton correlations which enhance quadrupole collectivity. Because these intruder states involve many-particle excitations more difficult to describe theoretically, their predicted energies vary more drastically between models than for yrast states originating from "normal'' configurations on which they tend to agree. This topic is the main goal of the experiment performed at the RIBF facility (RIKEN, Japan) in November 2020 to identify and characterise for the first time 2p-1h intruder states in 83Ge. Neutron hole states in this N=51 nucleus were populated via neutron knockout reaction from the N=52 nucleus 84Ge that has about two neutrons in the (s1/2, d5/2) valence space above N=50. This direct reaction allows in some cases to remove one of the neutrons from the quasi-full g9/2 orbital below N=50 to selectively populate the 9/2+ intruder states. In order to identify the populated states, gamma-rays from their in-flight decay were measured using the HiCARI Germanium array. We are able to identify a state at 1359 keV as a 2p-1h intruder, in good agreement with phenomenological and shell model calculations. In line with predictions as well, we measure some candidate states at high energy that are still to be fully characterised. A transition at 1240 keV matches with previously identified states and was expected to come from the coupling of a neutron with the excited 82Ge core. However the very high spectroscopic factor measured on this transition does not compare with any prediction and requires more development to be explained.

About the thermomechanical behavior of thermoplastic composites under critical temperature conditions: a multiscale numerical analysis and experimental characterisation

Doctorant·e: PHILIPPE DAVID
Direction de thèse: VIEILLE BENOIT (Directeur·trice de thèse)
BARBE FABRICE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 21/11/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance: INSA Rouen Normandie
Salle de conférence du GPM
685 avenue de l'université
76801 Saint-Etienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse: HALM DAMIEN PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS ENSMA Poitiers
ZITOUNE REDOUANE PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Université Paul Sabatier, Toulouse
Membres du jurys: BARBE FABRICE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
CARPIER YANN, INGÉNIEUR DE RECHERCHE, SEGULA Technologies, Colomiers
HALM DAMIEN, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, ENSMA Poitiers
HUCHETTE CÉDRIC, INGENIEUR DE RECHERCHE, ONERA
LAIARINANDRASANA LUCIEN, DIRECTEUR DE RECHERCHE, Mines ParisTech PSL
VIEILLE BENOIT, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
ZITOUNE REDOUANE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université Paul Sabatier, Toulouse

Résumé: L'exposition d'un matériau composite à matrice thermoplastique à une importante source de chaleur (telle qu'une flamme) induit la détérioration progressive de la matrice au travers de changements d'état ainsi que d'une forte variation des propriétés thermomécaniques. Ces matériaux étant grandement utilisés dans l'aéronautique, cette étude se penche sur la réponse thémomécanique à haute température de composites stratifiés C/PPS quasi-isotrope. La première partie se concentre sur l'évolution des propriétés thermomécaniques des constituants en fonction de la température, tandis que la seconde présente une modélisation originale de la décomposition thermique de la matrice, se basant sur des résultats expérimentaux, à l'aide d'une approche mésoscopique dans laquelle les éléments finis de matrice sont progressivement transformés en porosités. La troisième partie étudie expérimentalement et numériquement l'influence d'un chargement thermomécanique sur les distributions de température et de tenue mécanique. Finalement, des analyses préliminaires par tomographie par rayons X ont montré qu'il s'agit d'un moyen adapté pour affiner la connaissance de la cinétique de formation des porosités.
Abstract: Impacting thermoplastic-based laminates by a high thermal energy -e.g. a flame- essentially causes the progressive deterioration of the matrix, involving solid-state transformations and dramatic variations of the thermomechanical properties. As these laminates are increasingly used, this study focuses on thermomechanical response to high temperature of QI C/PPS laminates. While the first part investigates the thermomechanical properties evolution over temperature of the constituents, the second one presents an original modelling of the thermal decomposition of the matrix based on experimental results through a mesoscopic approach in which the matrix finite elements are progressively transformed into porosities. The third part studies the influence of a thermomechanical loading on the temperature / loading capacity distribution was experimentally and numerically assessed. Finally, preliminary X-Ray tomography analyses were carried out and proved to be an efficient mean to further understand the porosity formation kinetics.

Co-frittage sous charges d'assemblages multi-poudres pour l'obtention de formes complexes : couplage entre SPS et impression 3D

Doctorant·e: LE CLOAREC Joseph
Direction de thèse: MARINEL Sylvain (Directeur·trice de thèse)
ESTOURNES CLAUDE (Co-directeur·trice de thèse)
MANIÈRE CHARLES (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 21/11/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: Caen - Campus 2 -Boulevard Maréchal Juin 14032 Caen Cedex 5
Rapporteurs de la thèse: BERNARD FRÉDÉRIC Professeur des universités Universite de Bourgogne
SCHOENSTEIN FRÉDÉRIC Professeur des universités UNIVERSITE PARIS 13 PARIS-NORD
Membres du jurys: BERNARD FRÉDÉRIC, Professeur des universités, Universite de Bourgogne
ESTOURNES CLAUDE, Directeur de recherche au CNRS, Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
MANIÈRE CHARLES, Chargé de recherche HDR, CNRS
MARINEL Sylvain, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
NAIMI FOAD, Chef d'entreprise, SINTERMAT
PETIT CLÉMENCE, Maître de conférences, ENSM ST ETIENNE
SCHOENSTEIN FRÉDÉRIC, Professeur des universités, UNIVERSITE PARIS 13 PARIS-NORD

Résumé: La production de pièces à formes complexes est difficile par SPS en raison de la configuration de pressage uniaxial confiné. Ce mode impose d'adapter le moule et les pistons dans des configurations complexes et fragiles. Une autre approche brevetée appelée "DEFORMINT" permet la production de formes complexes entièrement denses en associant l'impression 3D et le SPS. Elle consiste en l'assemblage de deux lits de poudre et une interface imprimée en 3D qui frittent simultanément. Le moyen le plus simple d'assurer l'absence de distorsions de forme est d'utiliser la même poudre à la fois pour la partie à la forme complexe et pour la partie sacrificielle. Cependant, le coût des poudres d'alliages de titane comme le Ti-6Al-4V et la grande quantité de matériau sacrificiel utilisée dans la méthode réduisent son intérêt économique inhérent. Pour contourner ce problème, une méthode d’identification de poudre sacrificielle à faible coût a été établie. Deux compositions imitant le frittage du Ti-6Al-4V ont été identifiées. Elles ont été testées dans cette étude par la production de deux formes : un cône épais et une aube de turbine mince et complexe. Des expériences de SPS ont été réalisées pour déterminer un modèle de densification de ces poudres sacrificielles ainsi que du Ti-6Al-4V afin de prédire les distorsions de densification. Les distorsions simulées et expérimentales ont été comparées et montrent une bonne corrélation avec les distorsions de formes prédites. L'analyse des microstructures des pièces ainsi produites met en évidence un phénomène de contamination chimique des pièces. A l’issu de ces travaux, la faisabilité du prototypage de pièces métalliques par SPS combiné à l’impression 3D SLA a été démontré pour le Ti-6Al-4V.
Abstract: Producing complex-shaped parts is challenging using Spark Plasma Sintering (SPS) due to the pressure exerted on the samples. This pressure necessitates adapting the die and punches to complex and fragile configurations. Another patented approach called "DEFORMINT" enables the production of fully dense complex shapes by combining 3D printing and SPS. It involves the assembly of two powder beds and a 3D printed interface that sinter simultaneously. The simplest way to ensure the absence of shape distortions is to use the same powder for both the complex-shaped part and the sacrificial part. However, the cost of titanium alloy powders like Ti-6Al-4V and the large amount of sacrificial material used in the method reduce its inherent economic appeal. To overcome this problem, a method for identifying low-cost sacrificial powders has been established. Two compositions that mimic the sintering of Ti-6Al-4V have been identified and tested in this study for the production of two shapes: a thick cone and a thin and complex turbine blade. SPS experiments were conducted to determine a densification model for these sacrificial powders as well as Ti-6Al-4V to predict densification distortions. Simulated and experimental distortions were compared, showing good correlation with the predicted shape distortions. The analysis of the microstructures of the produced parts highlighted an issue of chemical contamination in the components. At the end of these works, the feasibility of prototyping metal parts using SPS parts with 3D SLA printing has been demonstrated for Ti-6Al-4V.

Dynamique de production des clusters dans les collisions de Xe+Sn entre 32 et 150 A MeV

Doctorant·e: GENARD Tom
Direction de thèse: CHBIHI ABDELOUAHAD (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 21/11/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: Maison d'Hôtes, GANIL
Rapporteurs de la thèse: BENLLIURE JOSE Professeur SANTIAGO DE COMPOSTELL - UNIVERSIDAD
COLONNA MARIA Directeur de recherche Institut national de physique nucléaire
Membres du jurys: BENLLIURE JOSE, Professeur , SANTIAGO DE COMPOSTELL - UNIVERSIDAD
CHBIHI ABDELOUAHAD, Directeur de recherche au CNRS, 14 GANIL de CAEN
COLONNA MARIA, Directeur de recherche, Institut national de physique nucléaire
DURAND Dominique, Directeur de recherche au CNRS, 14 GANIL de CAEN
HUDAN SYLVIE, Directeur de recherche, Université de l'indiana à Bloomington
PIANTELLI SILVIA, Chargé de recherche, Institut national de physique nucléaire

Résumé: Les collisions d'ions lourds sont les meilleurs outils dont nous disposons pour étudier la matière nucléaire. En particulier, l'étude des clusters, des agrégats légers de nucléons, constitue un ingrédient clé à la compréhension et à la contrainte des paramètres de l'équation d'état de la matière nucléaire. Lors de ces collisions, le système subit une compression, suivi d’une expansion. Une quantité importante de clusters légers et intermédiaires est émise lors de ces collisions. Mais nous ne savons pas s’ils sont formés lors de la phase de compression, ou d’expansion, du système. Plusieurs modèles de transport tentent néanmoins de prédire la formation des clusters, à partir de théories dynamiques. Elles reposent sur diverses hypothèses et approximations, car il n’existe pas de cadre théorique permettant d'étudier la matière dense. La compréhension de la production de clusters est également cruciale lors de la modélisation d'objets astrophysiques compacts, comme les étoiles à neutrons et les supernovae de type II. L'analyse réalisée lors de cette thèse portera sur la caractérisation des clusters formés lors de collisions de Xe+Sn, à des énergies incidentes intermédiaires, entre 32 et 150 A MeV. Ces données ont été collectées à GSI et au GANIL, par le multidétecteur INDRA. Elles ont comparées à un modèle semi-classique, ELIE. Dans un premier temps, nous allons caractériser la zone participante lors de collisions de Xe+Sn, à une énergie incidente de 100 A MeV. Cette zone émet des clusters, qui peuvent refléter les conditions du milieu nucléaire lors de leur formation. Les effets d'isospin vont être d'intérêt particulier. Nous allons ainsi comparer la production de clusters pour quatre systèmes : 129,124Xe + 112,124Sn. Le mélange total des contributions provenant de la cible et du projectile est observé, à partir d'une hiérarchie de production dépendant du rapport N/Z total du système. Un effet important de la centralité sur la production de clusters lourds est également observé. La seconde partie de cette analyse porte sur la caractérisation dynamique des clusters dans la zone participante. La compression de la zone participante lors de la collision se traduit par un mouvement d'expansion radial, contribuant à l'énergie cinétique transverse des clusters. Dans notre analyse, nous postulons que cette contribution est la seule dépendante de la densité. Elle peut être extraite de l'énergie cinétique, et permet d'estimer la densité maximale atteinte lors de la collision. Elle est ici calculée pour des systèmes 129,136Xe + 124Sn de 32 à 150 A MeV. Les densités maximales calculées dépassent largement la densité de saturation, atteignant jusqu'à 2 fois la densité de saturation pour une énergie incidente de 150 A MeV. Ces résultats sont compatibles avec les résultats de modèles de transports publiés (BNV, pBUU, TDHF). Un calcul de la densité maximale, réalisé avec BUU@VECC-McGill pour nos systèmes étudiés, reproduit nos résultats au-delà de 65 A MeV. Ces résultats expérimentaux, caractérisant les clusters et leur production, peuvent imposer des contraintes importantes sur les modèles de transport.
Abstract: Heavy-ion collisions are the best tools we have at our disposal for studying nuclear matter. In particular, the study of clusters, light aggregates of nucleons, is a key ingredient in understanding and constraining the parameters of the equation of state of nuclear matter. During these collisions, the system undergoes compression, followed by expansion. A significant number of light and intermediate clusters are emitted during these collisions. But we don't know whether they are formed during the system's compression or expansion phase. Several transport models nevertheless attempt to predict cluster formation, based on dynamical theories. These are based on a variety of assumptions and approximations, as there is no single theoretical framework for studying dense matter. Understanding cluster production is also crucial when modeling compact astrophysical objects, such as neutron stars and type II supernovae. The analysis carried out during this thesis will focus on the characterization of clusters formed during Xe+Sn collisions, at intermediate incident energies between 32 and 150 A MeV. These data were collected at GSI and GANIL, using the INDRA multidetector. They are compared with a semi-classical model, ELIE. First, we will characterize the participant zone in Xe+Sn collisions, at an incident energy of 100 A MeV. This zone emits clusters, which may reflect the conditions of the nuclear environment at the time of their formation. Isospin effects will be of particular interest. We will compare cluster production for four systems: $^{129,124}$Xe + $^{112,124}$Sn. The total mixing of target and projectile contributions is observed, based on a production hierarchy that depends on the total N/Z ratio of the system. A significant effect of centrality on the production of heavy clusters is also observed. The second part of this analysis focuses on the dynamic characterization of clusters in the participating zone. Compression of the participating zone during collision results in radial expansion, contributing to the transverse kinetic energy of the clusters. In our analysis, we postulate that this contribution is the only one dependent on density. It can be extracted from the kinetic energy, and is used to estimate the maximum density reached during collision. It is calculated here for $^{129,136}$Xe + $^{124}$Sn systems from 32 to 150 A MeV. The maximum densities calculated far exceed the saturation density, reaching up to 2 times the saturation density for an incident energy of 150 A MeV. These results are compatible with those of published transport models (BNV, pBUU, TDHF). A maximum density calculation, performed with BUU@VECC-McGill for our studied systems, reproduces our results beyond 65 A MeV. These experimental results, characterizing clusters and their production, can impose important constraints on transport models.

Precision measurements in the beta decay of 6He

Doctorant·e: KANAFANI Mohamad
Direction de thèse: NAVILIAT CUNCIC Oscar (Directeur·trice de thèse)
FLECHARD Xavier (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 21/11/2023 à 09:00
Lieu de la soutenance: LPC Caen
Rapporteurs de la thèse: FALLOT MURIEL Professeur des universités Université Nantes
GARCIA ALEJANDRO Professeur University of Washington
Membres du jurys: DELAHAYE Pierre, Chargé de recherche HDR, 14 GANIL de CAEN
FALLOT MURIEL, Professeur des universités, SUBATECH
FLECHARD Xavier, Directeur de recherche au CNRS, Université de Caen Normandie
GARCIA ALEJANDRO, Professeur , University of Washington
NAVILIAT CUNCIC Oscar, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
SMIRNOVA NADEZDA, Professeur des universités, Universite de Bordeaux

Résumé: Les mesures de précision dans la désintégration beta jouent un rôle essentiel dans la recherche de nouvelle physique, au-delà du modèle standard (MS), en recherchant des contributions "exotiques" telles que des interactions scalaires et tensorielles au sein de l'interaction faible. L'existence de telles interactions induit des déviations de certaines observables par rapport à leurs prédictions dans le MS. L'étude du spectre en énergie de la particule beta permet de sonder ces interactions. L'objectif de ce travail est d'effectuer la mesure la plus précise du spectre en énergie beta dans la désintégration du 6He, afin d'extraire le terme d'interférence de Fierz bGT avec une précision de l'ordre de 4 *10^{-3}. Ce terme dépend linéairement des constantes de couplage exotiques, permettant ainsi de rechercher ou de contraindre la présence d'interactions tensorielles dans la désintégration nucléaire beta. L'effet instrumental principal observé dans les mesures précédentes du spectre en énergie beta réside dans la perte d'énergie due à la rétrodiffusion des électrons en dehors du volume du détecteur. Une nouvelle technique est utilisée pour s'affranchir de cet effet. Elle consiste en l'utilisation d'un faisceau de ions 6He+ à très basse énergie (25 keV) déposé entre deux détecteurs à scintillation formant un calorimètre 4pi. L'utilisation de cette technique garantit le dépôt de toute l'énergie des particules beta détectées. Une expérience avec cette configuration a été réalisée au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL) en 2021. Cette thèse introduira le contexte général du projet b-STILED, décrira la configuration expérimentale, rendra compte de la mesure la plus précise de la demi-vie de 6He et de la mesure de la forme du spectre d'énergie beta avec tous les défis inhérents à une telle mesure, et présentera nos résultats préliminaires sur l'extraction du terme d'interférence de Fierz à partir de la forme du spectre en énergie beta.
Abstract: Precision measurements in beta decay play an essential role in the search for new physics beyond the standard model (SM), by probing “exotic” phenomena such as scalar and tensor interactions in the electroweak sector. The existence of such interactions induces deviations on certain observables away from their SM predictions. The study of the full beta-energy spectrum offers a sensitive property to probe these interactions. The goal of this work is to perform the most precise measurement of the beta energy spectrum in 6He decay, in order to extract the Fierz interference term bGT with a precision in the order of 4*10^{-3}. This term depends linearly on exotic coupling constants, allowing to search for or to constrain the presence of tensor interactions in nuclear beta decay. The main instrumental effect observed in previous measurements of the beta energy spectrum resides in the energy loss due to electrons backscattering outside the detector volume. A new technique is used to overcome this effect. It consists of using a very low energy beam of 6He+ ions (25 keV) deposited between two scintillation detectors forming a 4pi calorimeter. The use of this technique ensures the deposition of the entire energy of the detected beta particles. An experiment with this setup was performed at the Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL) in 2021. This thesis will introduce the general context of the b-STILED project, describe the experimental setup, report the most precise measurement of 6He half-life and the measurement of the shape of the betaenergy spectrum with all the challenges that come with such a measurement, and provide preliminary results on the extraction of the Fierz interference term from the beta energy spectrum.

Fluorescence induite par laser à deux photons de l'oxygène atomique et du xénon. Application à l'étude de l'oxydation des débris spatiaux lors d'une entrée atmosphérique.

Doctorant·e: LESAGE Morgan
Direction de thèse: BULTEL ARNAUD (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 17/11/2023 à 09:00
Lieu de la soutenance: Laboratoire CORIA
Avenue de l'université
76801 St Etienne Du Rouvray
Rapporteurs de la thèse: LAMOUREUX NATHALIE Ingénieur de Recherche UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
ROND CATHERINE Maître de Conférences HDR Inst Nat Sc Appliq Toulouse
Membres du jurys: ANNALORO JULIEN, Ingénieur de Recherche, Centre National des Etudes Spatiales
BULTEL ARNAUD, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie
CRESSAULT YANN, Professeur des Universités, Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
LAMOUREUX NATHALIE, Ingénieur de Recherche, UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
ROND CATHERINE, Maître de Conférences HDR, Inst Nat Sc Appliq Toulouse
TEULET PHILIPPE, Professeur des Universités, Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier

Résumé: Depuis le début de la conquête spatiale, le nombre d'objets artificiels en orbite n'a cessé de croître. En conséquence, le risque de collision entre ces différents objets augmente, entraînant la destruction ou la mise hors service de satellites. Pour limiter les risques de collision en orbite, l'une des solutions adoptées est de planifier la rentrée atmosphérique de tous les satellites en fin de vie. En reproduisant les conditions d'une rentrée atmosphérique en laboratoire, grâce au plasmatron ICP du CORIA, il est possible d'analyser la cinétique d'oxydation des matériaux d'intérêt, l'Invar 36 et l'Inconel 718. Pour ce faire, il est essentiel de mesurer la densité et la température de translation de l'oxygène atomique, dans le jet libre et la couche limite de réaction, cela est possible par fluorescence induite par laser à deux photons. Les travaux numériques et expérimentaux présentés dans cette thèse ont permis de développer un modèle cinétique détaillé de la fluorescence induite par laser à deux photons pour l'oxygène et le xénon, incluant leur structure électronique détaillée ainsi que des phénomènes physiques tels que l'ASE, la photodissociation ou la désexcitation collisionnelle état par état. Des mesures complémentaires de spectroscopie d'émission ont été utilisées pour mettre en évidence l'évolution temporelle du rayonnement dans la couche limite, avec l'apparition de raies métalliques dans cette dernière. L'analyse des spectres d'émission a été facilitée et améliorée par le développement d'un modèle permettant le calcul des propriétés radiatives de plasmas quelconques. Enfin, la microscopie électronique à balayage et la diffraction des rayons X ont été utilisées pour confirmer les observations des mesures in situ et analyser la formation des oxydes.
Abstract: Since the beginning of the space conquest the number of artificial objects in orbit has continued to grow. As a result, the risk of collision between these different objects is increasing, leading to the destruction or decommissioning of satellites. To limit the risk of collision in orbit, one of the solutions adopted is to plan the atmospheric re-entry of all satellites at the end of their life. By reproducing the conditions of an atmospheric re-entry in the laboratory, using CORIA's ICP plasmatron, it is possible to analyse the oxidation kinetics of the materials of interest, Invar 36 and Inconel 718. To achieve this, it is essential to measure the density and translational temperature of atomic oxygen in the free jet and the reaction boundary layer. This can be done using two-photon laser-induced fluorescence. The numerical and experimental work presented in this thesis has made possible to develop a detailed kinetic model of two-photon laser-induced fluorescence for oxygen and xenon, including their detailed electronic structure as well as physical phenomena such as ASE, photodissociation or collisional state-by-state de-excitation. Complementary emission spectroscopy measurements were used to highlight the temporal evolution of radiation in the boundary layer, with the appearance of metallic lines in the latter. The analysis of emission spectra was facilitated and improved by the development of a model enabling the calculation of the radiative properties of any plasmas. Finally, scanning electron microscopy and X-ray diffraction were used to confirm the observations of the \textit{in situ} measurements and to analyse the formation of the oxides.

Crystal chemistry and thermoelectric properties of bismuth-based ternary and quaternary sulfides

Doctorant·e: MAJI Krishnendu
Direction de thèse: GUILMEAU Emmanuel (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 16/11/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: CRISMAT
Rapporteurs de la thèse: BEAUDHUIN MICKAËL Maître de conférences HDR Ecole nationale supérieure de chimie de Montpellier
IBANEZ MARIA Professeur Institut of Science and Technology Austr
Membres du jurys: BEAUDHUIN MICKAËL, Maître de conférences HDR, Ecole nationale supérieure de chimie de Montpellier
BOULLAY Philippe, Directeur de recherche au CNRS, ENSICAEN
GUILMEAU Emmanuel, Directeur de recherche au CNRS, ENSICAEN
IBANEZ MARIA, Professeur , Institut of Science and Technology Austr
PRESTIPINO CARMELO, Chargé de recherche au CNRS, UNIVERSITE RENNES 1
RENAUD ADÈLE, Maître de conférences, Université de Rennes

Résumé: Ce travail de thèse porte sur la synthèse, la caractérisation structurale et l'étude des performances thermoélectriques de composés sulfures ternaires et quaternaires à base de bismuth. Un nouveau composé quaternaire CuPbBi5S9 a été synthétisé par mécanosynthèse combinée au frittage Spark Plasma Sintering et ses propriétés thermoélectriques ont été étudiées. Le composé présente une très faible valeur de conductivité thermique de 0.6 W m-1 K-1 à 300 K. Contrairement aux études antérieures, nous démontrons que ce composé synthétique d’origine minérale ne possède pas une structure ordonnée de type gladite mais une structure de type aikinite désordonnée déficiente en cuivre, selon la formule chimique Cu1/3□2/3Pb1/3Bi5/3S3. Ce composé de haute pureté présente une conductivité thermique de réseau exceptionnellement faible, principalement liée aux modes de vibration de faible énergie associées aux cations Pb et Bi et, dans une moindre mesure, au Cu. Il présente un comportement semi-conducteur intrinsèque, avec une résistivité électrique d'environ 5.1 Ω cm et un coefficient Seebeck de -1 300 µV K-1 à 400 K avec une très faible concentration de porteurs (~ 1012 cm-3). De plus, les substitutions S/Cl et Pb/Bi entraînent une augmentation de la concentration en porteurs de charge, augmentant ainsi les valeurs de ZT à 0.43 et 0.3, respectivement. Dans un deuxième temps, les propriétés thermoélectriques de la série de composés Cu1-x□xPb1-xBi1+xS3, allant de CuPbBiS3 (x = 0) à Bi2S3 (x= 1), sont étudiées. Ces composés ont été synthétisés en utilisant la même procédure que CuPbBi5S9. Les analyses par diffraction X sur poudre et par microscopie électronique à transmission révèlent que ces composés présentent un arrangement désordonné du cuivre et des lacunes au niveau des sites cationiques. Les valeurs croissantes de x dans la série conduisent à une augmentation du rapport Bi/Pb, ayant pour conséquence une augmentation de la mobilité. Un facteur de mérite ZT maximum d'environ 0.05 est obtenu à 673 K pour l'échantillon Cu0.17Pb0.17Bi1.83S3. Dans un troisième chapitre, les propriétés électriques et thermiques du composé Cu3BiS3 sont étudiées et comparées à l’état de l’art. Cette comparaison permet d’illustrer le rôle central de la coordination du cuivre sur les propriétés électriques et thermiques des sulfures de cuivre. La faible conductivité électrique de Cu3BiS3 est directement attribuée à la coordination triangulaire du cuivre, qui « bloque » la délocalisation des charges dans le réseau conducteur CuS, de manière similaire aux composés chalcocite Cu2S et skinnérite Cu3SbS3. A l’inverse, la coordination tétraédrique du cuivre dans des réseaux de tétraèdres joints par les sommets, rencontrés dans de nombreux sulfures dérivés de la sphalérite, permet une délocalisation des charges liée à la valence mixte Cu(I)-Cu(II), conduisant à une concentration élevée de porteurs de charge. La coordination triangulaire favorise également une forte agitation anisotrope du cuivre, contribuant de manière significative à l'obtention d'une conductivité thermique extrêmement faible. Ce chapitre met en avant les relations complexes existant entre la structure, les propriétés électroniques, thermiques et vibrationnelles dans les sulfures de cuivre. Enfin, nous rapportons la synthèse du composé PbBi2S4 par mécanosynthèse combinée au frittage Spark Plasma Sintering. Ce matériau présente une conductivité thermique de réseau très, allant de 0.65 à 0.55 W m-1 K-1 sur la plage de températures de 300 à 673 K. Une analyse détaillée des propriétés thermiques et vibrationnelles combinées à des calculs DFT révèle l’interaction des phonons optiques et acoustiques, à l’origine de cette faible conductivité thermique.
Abstract: This thesis is dedicated to the synthesis, structural characterization and thermoelectric performance evaluation of bismuth-based ternary and quaternary sulfide materials. Firstly, a new quaternary sulfide CuPbBi5S9 was synthesized by using ball milling followed by spark plasma sintering (SPS) and its thermoelectric properties were investigated. The compound exhibits a very low thermal conductivity value of 0.6 W m-1 K-1 at 300K. In contrast to prior studies, we show that this synthetic sulfide does not exhibit the ordered gladite mineral structure but instead forms a copper-deficient disordered aikinite structure, according to the chemical formula Cu1/3□2/3Pb1/3Bi5/3S3. The highly pure synthetic CuPbBi5S9 displays an exceptionally low lattice thermal conductivity, which is primarily attributed to the involvement of low-energy vibrations associated with Pb and Bi ions and, to a smaller extent, Cu. It exhibits intrinsic semiconducting behavior, with an electrical resistivity of approximately 5.1 Ω cm and a Seebeck coefficient of -1300 µV K-1 at 400 K with a very low carrier concentration (~ 1012 cm-3). Moreover, doping on the S and Pb sites with Cl and Bi, respectively, results in an increase in the carrier concentration, thus increasing the ZT values to 0.43 and 0.3, respectively. Secondly, the thermoelectric properties of this aikinite series, Cu1–x□xPb1–xBi1+xS3, starting from CuPbBiS3 to Bi2S3, are studied. These compounds were synthesized using the same procedure as CuPbBi5S9. X-ray powder diffraction (XRPD) and transmission electron microscopy (TEM) analyses reveal that these compounds exhibit a disordered arrangement of copper and vacancies within the cationic sites. The increasing values of x in the series lead to an increase in the Bi to Pb ratio, which eventually decreases the point defects and increases mobility. A maximum ZT of around 0.05 is obtained at 673 K for the Cu0.17Pb0.17Bi1.83S3 sample, which is the highest among Cu-deficient Cu1–x□xPb1–xBi1+xS3 series due to hall mobility increase. Additionally, the electrical and thermal properties of Cu3BiS3 are discussed and compared to those of state-of-the-art compounds, which illustrate the pivotal role of copper coordination in generating and tuning the thermoelectric properties of copper-rich sulfides. The low electrical conductivity in Cu3BiS3 can be directly attributed to hole blocking due to the threefold coordination of copper, similar to low chalcocite Cu2S and skinnerite Cu3SbS3. In contrast, tetrahedral copper coordination can form three-dimensional corner-sharing frameworks in many sphalerite-derivative sulfides, allowing for charge delocalization due to the mixed valency Cu(I)-Cu(II), leading to high carrier concentration. The threefold coordination of copper also favors its anisotropic displacement, significantly contributing to the achievement of extremely low thermal conductivity. This chapter sheds light on the complex interplay of structural features, electronic properties and thermal transport in copper-rich sulfides. Finally, we present a successful synthesis of highly-purity semiconducting PbBi2S4, achieved through a combination of ball milling and SPS. This material exhibits an impressively low lattice thermal conductivity, ranging from 0.65 to 0.55 W m-1 K-1 over the temperature range of 300 to 673 K. A detailed analysis of the low-temperature heat capacity reveals the presence of low-frequency optical phonon branches, which play a pivotal role in reducing heat transfer by scattering the heat-carrying acoustic phonon branches. The findings are supported by density functional theory (DFT) calculations, confirming the existence of multiple low-frequency optical modes and demonstrating phonon scattering through anharmonic coupling between acoustic and optical phonon modes. In conclusion, this thesis explores a wide range of bismuth-based sulfide materials with varying compositions and structures.

Synthèse et contrôle de l'architecture de nouveaux métallophosphonates luminescents à base d'alcalino-terreux et de zinc

Doctorant·e: LETHEUX Geoffrey
Direction de thèse: RUEFF Jean-Michel (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 10/11/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: Salle des thèse - Sciences 3 - Campus 2 - Université de Caen Normandie - 6 boulevard du maréchal Juin 14050 Caen CEDEX
Rapporteurs de la thèse: AUDEBRAND NATHALIE Professeur des universités INSA de Rennes
AYMONIER CYRIL Directeur de recherche Institut chimie de la matière condensée
Membres du jurys: AUDEBRAND NATHALIE, Professeur des universités, Université de Rennes
AYMONIER CYRIL, Directeur de recherche, Institut chimie de la matière condensée
CARTIGNY YOHANN, Maître de conférences, Université de Rouen Normandie
DEMESSENCE AUDE, Chercheur HDR, Université Claude Bernard - Lyon 1
PEREZ Olivier, Directeur de recherche au CNRS, Université de Caen Normandie
RUEFF Jean-Michel, Professeur des universités, ENSICAEN

Résumé: Cette thèse concerne la synthèse et la caractérisation de nouveaux métallophosphonates luminescents sans terre rares obtenus par voie hydrothermale. Ce travail vise à contrôler la structure du matériau hybrides en jouant sur la taille et l’environnement du cation divalents (Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+ et Zn2+) et sur une sélection d’acides phosphoniques rigides luminescents. Les ligands sont des dérivées du fluorène et du dibenzothiophène qui sont composés d’une plateforme aromatique sur laquelle des acides phosphoniques différents en nombre et positions peuvent être greffés. Selon la nature du cation, la géométrie de la plateforme aromatique et la position et le nombre de fonctions réactives, des architectures lamellaires ou en canaux ont été obtenues. La structure cristalline, la stabilité thermique et des études préliminaires de la luminescence sont proposés pour l’ensemble des matériaux synthétisés.
Abstract: This thesis concerns the synthesis and characterisation of new luminescent rare-earth-free metallophosphonates obtained by hydrothermal route. This work aims to control the structure of the hybrid material by playing on the size and environment of the divalent cation (Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+ and Zn2+) and on a selection of luminescent rigid phosphonic acids. The ligands are fluorene and dibenzothiophene derivatives consisting of an aromatic platform on which phosphonic acids differing in number and position can be grafted. Depending on the nature of the cation, the geometry of the aromatic platform and the position and number of reactive functions, lamellar or channel architectures have been obtained. The crystal structure, thermal stability and preliminary luminescence studies are proposed for all the materials synthesised.

Study of Reduction Process on Perovskite Nickelates and its Derivatives: A Bulk and Thin Film Approach

Doctorant·e: KEENARI Mufeed
Direction de thèse: DAVID Adrian (Directeur·trice de thèse)
BREARD Yohann (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 09/11/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: CRISMAT
Rapporteurs de la thèse: DESFEUX Rachel Professeur des universités Universite Artois
PASTUREL MATHIEU Directeur de recherche UNIVERSITE RENNES 1
Membres du jurys: BREARD Yohann, Maître de conférences, Université de Caen Normandie
DAVID Adrian, Maître de conférences, Université de Caen Normandie
DESFEUX Rachel, Professeur des universités, Universite Artois
PASTUREL MATHIEU, Directeur de recherche, UNIVERSITE RENNES 1
PENA REVELLEZ ALEXANDRA, Chargé de recherche, Universite Grenoble Alpes
PRELLIER Wilfrid, Directeur de recherche au CNRS, ENSICAEN

Résumé: Motivée par la recherche de la superconductivité dans les nickelates de type couche infinie, cette thèse a porté sur l'investigation de la réduction topotactique et la caractérisation structurale et physique des nickelates sous forme massive et en films minces. Nous avons exploré le matériau sous la forme Ruddlesden-Popper (RP) Nd0.8Sr1.2NiO4 en raison de sa réductibilité, de sa stabilité et de son potentiel à stabiliser une valence plus basse du nickel par réduction. La réduction topotactique à base de CaH2 a transformé Nd0.8Sr1.2NiO4 de sa structure tétragonale I4/mmm à la structure orthorhombique Immm, devenant ainsi Nd0.8Sr1.2NiO3. Les deux phases restent stables dans des conditions ambiantes. Cette transformation a entraîné un changement de comportement métallique à un comportement isolant. Une découverte intrigante a été la divergence du processus de réduction observé dans les nickelates en couches infinies, avec le retrait d'atomes d'oxygène du plan Ni-O, conduisant à la formation de bandes carrées de NiO2 le long de l'axe z. Cette transformation implique un système 1D ou quasi-1D, affectant ainsi le nombre de porteurs de charge et les voies de conduction. L'étude s'est également étendue à la synthèse de films minces de nickelate de type perovskite par dépôt laser pulsé (PLD) et à leur réduction topotactique à base de CaH2. Ici, nous avons rencontré une interaction dynamique de comportements et de défis. Malgré des efforts substantiels pour optimiser les paramètres de croissance, des problèmes tels que la présence de phases coexistantes et un comportement de résistivité inhomogène ont persisté. De plus, le choix du substrat, en particulier l'utilisation de LSAT, a influencé à la fois l'homogénéité pendant la réduction et la stabilité de la phase pérovskite. Le rôle de la couche protectrice de STO dans la composition des phases des films de nickelate et ses implications pour le processus de réduction ont également été explorés.
Abstract: Motivated by superconductivity in infinite-layer nickelates, in this thesis we investigated topotactic reduction and structural and physical characterisation of bulk and thin film nickelates. Explored bulk Ruddlesden-Popper (RP) Nd0.8Sr1.2NiO4 due to its reducibility, stability, and potential to stabilize lower nickel valency by reduction. CaH2-based topotactic reduction transformed Nd0.8Sr1.2NiO4 from tetragonal-I4/mmm to orthorhombic-Immm Nd0.8Sr1.2NiO3. Both phases are stable in ambient conditions. This transformation resulted in a shift from metallic behaviour to insulating behaviour. An intriguing finding was the departure from the reduction process seen in infinite layer nickelates, with oxygen atoms removed from the Ni-O plane, resulting in the formation of NiO2 square stripes along the z-direction. This transformation implied a 1D or quasi-1D system, which impacted the number of charge carriers and conductive pathways. The study also extended to PLD synthesis of perovskite nickelate thin films and their CaH2 based topotactic reduction. Here, we encountered a dynamic interplay of behaviours and challenges. Despite substantial efforts to optimize growth parameters, issues such as the presence of coexisting phases and inhomogeneous resistivity behaviour persisted. Furthermore, the choice of substrate, particularly the use of LSAT, influenced both homogeneity during reduction and the stability of the perovskite phase. The role of STO capping in the phase composition of nickelate films and its implications for the reduction process were also explored.

Description des mécanismes de réduction du CO2 à la surface de photocatalyseur par approche operando

Doctorant·e: DANKAR Joudy
Direction de thèse: EL ROZ MOHAMAD (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 27/10/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: IFPEN Etablissement de Lyon Rond-point de l'échangeur de Solaize - BP 3 69360 Solaize - France (extérieur)
Rapporteurs de la thèse: LORIDANT STEPHANE Chargé de recherche HDR Université Claude Bernard - Lyon 1
NAVALON OLTRA SERGIO Professeur VALENCE - UNIVERSIDAD DE VALENCIA
Membres du jurys: EL ROZ MOHAMAD, Chargé de recherche HDR, ENSICAEN
KELLER VALERIE, Chargé de recherche au CNRS, Université de Strasbourg
LORIDANT STEPHANE, Chargé de recherche HDR, Université Claude Bernard - Lyon 1
NAVALON OLTRA SERGIO, Professeur , VALENCE - UNIVERSIDAD DE VALENCIA
PAGIS CÉLINE, Ingénieur de recherche, IFP Energies Nouvelles
RIVALLAN MICKAËL, Ingénieur de recherche, IFP Energies Nouvelles

Résumé: La réduction photocatalytique du CO2 en carburants solaires C1/C2 est une réaction attrayante pour convertir le CO2 car elle présente l’avantage de réduire les gaz à effet de serre tout en conduisant à la production de carburant solaire durable. Cependant jusqu’à aujourd’hui, malgré les nombreux efforts déployés, le niveau de conversion reste très faible même pour les catalyseurs les plus actifs présents sur le marché et un manque de compréhension au sujet des mécanismes réactionnels existe toujours. Afin de répondre à ce dernier point, ce travail de thèse vise à déployer une méthodologie operando basée sur la caractérisation de l’état de surface d’un photocatalyseur modèle de type Pt/TiO2 par spectroscopie infrarouge (FTIR) couplée à l’analyse de la phase gazeuse par spectrométrie de masse et chromatographie gazeuse. La méthodologie operando développée permet ainsi l’analyse simultanée de la surface catalytique irradiée et des effluents gazeux sortants du photoréacteur, permettant l’établissement de corrélations entre la structure/ surface et activité du catalyseur. En addition, des analyses ex situ incluant FTIR, ATG, XPS, TEM, traitement des données spectrales par approche chimiométrique (MCR-ALS) et utilisation d’isotopes lors de mesures operando FTIR spécifiques (13CO2, D2O) ont permis de déterminer les facteurs gouvernants l’activité photocatalytique. Les informations obtenues soulignent : i) l’importance de la présence d’impuretés carbonées sur la surface de catalyseurs, ii) l’effet bénéfique de conditions d’irradiation cyclées et iii) le rôle central des espèces acétates dans la réaction de photoréduction du CO2. Ces observations révèlent des dynamiques complexes prenant place lors de la réduction photocatalytique du CO2, mais aussi un levier potentiel pour améliorer les performances via la modulation de la chimie/propriétés de surface et des conditions réactionnelles.
Abstract: Photocatalytic reduction of CO2 to C1/C2 solar fuels is an attractive route for CO2 conversion that bears combined advantages of greenhouse gas alleviation and sustainable solar fuel production. Despite massive research efforts employed for the development of efficient catalysts for the process, a lack of understanding of the different reaction mechanisms exists, hence hindering further achievements in this field. Therefore, this work aims to implement an operando methodology based on surface FTIR characterization coupled with gas phase analysis techniques (mass spectrometry, gas chromatography) for the investigation of reaction mechanisms involved in CO2 photoreduction reaction on benchmark Pt/TiO2 photocatalyst. The developed operando methodology employs simultaneous analysis of the catalytic surface and the gaseous effluents, allowing the establishment of correlations between structure and activity of the catalysts. Moreover, through integration of ex-situ surface analysis techniques, including IR spectroscopy, TGA, TEM and XPS with operando FTIR spectroscopy and employing advanced tools such as multivariate curve resolution processing and isotope analysis ((12CO2, 13CO2) and (H2O, D2O)), valuable insights are provided into the factors governing the photocatalytic activity on Pt/TiO2 catalyst. The combined data highlights the significance of residual carbon deposits, the impact of cyclic irradiation conditions, and the pivotal role played by acetate species in the CO2 photocatalytic reduction reaction. These revelations shed light on the intricate dynamics of photocatalytic CO2 reduction and emphasize the potential for enhancing reaction performance through the modulation of surface chemistry and reaction conditions.

Nouvelle approche de mesures et analyses combinées XRF-XRD sur site pour la caractérisation géochimique, minéralogique et texturale : application à la verse de Nartau enrichie en arsenic, district aurifère de Salsigne, Aude (France)

Doctorant·e: MAESTRACCI Barbara
Direction de thèse: CHATEIGNER Daniel (Directeur·trice de thèse)
DELCHINI SYLVAIN (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 26/10/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: Amphithéâtre ENSICAEN - Campus 2 - Université de Caen Normandie - 6 boulevard Maréchal Juin CS 45053 14050 CAEN cedex 04
Rapporteurs de la thèse: AUDEBRAND NATHALIE Professeur des universités INSA de Rennes
JOUSSEIN EMMANUEL Professeur des universités Université de Limoges
Membres du jurys: AUDEBRAND NATHALIE, Professeur des universités, INSA de Rennes
CHATEIGNER Daniel, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
DELCHINI SYLVAIN, Docteur, Bureau de Recherches géologiques et minières
DELORME FABIAN, Chercheur, Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL)
JOUSSEIN EMMANUEL, Professeur des universités, Université de Limoges
LUTTEROTTI Luca, Maître de conférences, TRENTO UNIVERSITA DEGLI STUDI
OBERGER BÉATE, Maître de conférences HDR, Université Paris Saclay
PILLIÈRE HENRY, Chef d'entreprise, INEL INNOV

Résumé: Les investigations menées dans le cadre de cette thèse dévoilent les défis auxquels la communauté scientifique est confrontée en raison de demandes croissantes de caractérisations d’échantillons géologiques directement sur site, notamment dans le domaine minier et post-minier. Les acteurs industriels réclament des analyses en temps réel pour alimenter divers processus décisionnels tels que l'exploration, le tri des matériaux et la surveillance sites pollués. Les instruments de laboratoire traditionnels se révèlent souvent inappropriés en raison des délais et des coûts liés à l'expédition et à la préparation des échantillons. Afin de relever ces défis, des technologies analytiques telles que la fluorescence X portable (pXRF) et la diffraction des rayons X portable (pXRD) ont été adaptées pour le déploiement sur le terrain. Ces techniques permettent des analyses rapides et économiques, mais elles présentent des limitations telles que la détection des éléments légers et l'analyse de matériaux complexes. Récemment, l'évolution des dispositifs portables a permis le couplage de l'analyse XRF et XRD (projet européen H2020 SOLSA), en une seule étape, comblant ainsi le fossé entre les analyses élémentaires et cristallographiques. Des instruments combinés XRF-XRD ont alors été développés pour l'acquisition rapide et conjointe (combinée) de données sur site ou en laboratoire. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse ont donc porté sur la calibration et l'optimisation de ces instruments, l'importance de prendre en compte les textures cristallographiques lors d’analyses quantitatives, ainsi que l'application du concept d'analyses combinées XRF-XRD sur des échantillons réels provenant d'un site post-minier situé dans le sud de la France (Nartau, District aurifère de Salsigne). Des caractérisations cristallographiques et chimiques en laboratoire ont été utilisées comme données de références pour évaluer la cohérence des données acquises sur les prototypes combinés. Ces progrès ouvrent de nouvelles perspectives analytiques rapides et précises pour obtenir des informations chimiques et cristallographiques dans divers domaines d'application.
Abstract: The investigations carried out in this thesis reveal the challenges facing the scientific community as a result of increasing demands for characterization of geological samples directly on site, particularly in the mining and post-mining sectors. Industrial players are calling for real-time analysis to feed decision-making processes such as exploration, materials sorting and monitoring of polluted sites. Traditional laboratory instruments often prove inadequate due to the time and cost involved in shipping and sample preparation. To meet these challenges, analytical technologies such as portable X-ray fluorescence (pXRF) and portable X-ray diffraction (pXRD) have been adapted for deployment in the field. These techniques enable rapid and cost-effective analysis, but have limitations such as the detection of light elements and the analysis of complex materials. Recently, the development of portable devices has enabled XRF and XRD analysis to be coupled in a single step (European H2020 SOLSA project), bridging the gap between elemental and crystallographic analysis. Combined XRF-XRD instruments were then developed for rapid, joint (combined) data acquisition on site or in the laboratory. The research carried out in this work therefore focuses on the calibration and optimization of these instruments, the importance of taking crystallographic textures into account during quantitative analyses, and the application of the concept of combined XRF-XRD analyses on real samples from a post-mining site in southern France (Nartau, Salsigne gold district). Laboratory crystallographic and chemical characterizations were used as reference data to assess the consistency of the data acquired on the combined prototypes. These advances open up new, rapid and precise analytical prospects for obtaining chemical and crystallographic information in a variety of application fields.

Etude expérimentale des processus d'interaction spray, flamme et turbulence dans des conditions de rallumage en haute altitude

Doctorant·e: CLAVEL MARIE-EVE
Direction de thèse: RENOU BRUNO (Directeur·trice de thèse)
CABOT GILLES (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 20/10/2023 à 13:00
Lieu de la soutenance: CORIA
Salle de conférence CORIA
Avenue de l'Université
76801 Saint-Etienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse: BELLENOUE MARC PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS ENSMA Poitiers
ROUSSELLE CHRISTINE PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Polytech Orléans
Membres du jurys: BELLENOUE MARC, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, ENSMA Poitiers
BOUKHALFA ABDELKRIM, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
CABOT GILLES, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Rouen Normandie
COLLIN FÉLIX, DOCTEUR, SAFRAN Aircraft Engines
RENOU BRUNO, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
RIBER ELEONORE, DOCTEUR, CERFACS, Toulouse
ROUSSELLE CHRISTINE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Polytech Orléans

Résumé: Le développement et l'amélioration des systèmes de propulsion des aéronefs présentent plusieurs défis technologiques pour satisfaire à des normes de plus en plus restrictives. De nos jours, de nombreuses études se concentrent sur la réduction de la consommation et des émissions polluantes. Bien que les technologies s'améliorent dans ce domaine, il est toujours nécessaire de garantir et d'augmenter l'opérabilité de l'avion. L'allumage et le rallumage dans les moteurs aéronautiques sont des caractéristiques majeures qui doivent être assurées et bien contrôlées dans les nouvelles conceptions de chambres de combustion aéronautiques. Le rallumage en vol des avions doit faire l'objet d'une attention particulière, en raison des faibles débits d’air utilisé et des conditions de basse pression et basse température en entrée de chambre de combustion. Ces conditions ont un impact important sur la qualité de l’atomisation et donc de l'évaporation du carburant, pouvant conduire à des instabilités de combustion ou à des extinctions de flamme lors des différentes phases d’allumage. Cette thèse vise à caractériser l'impact des conditions thermodynamiques et de différents paramètres géométriques du système d'injection, sur l'efficacité et la stabilisation de la combustion lors de la remontée en puissance (enroulement ou pull-away) qui prend place après le rallumage en vol de la chambre de combustion. Un nouveau banc d'essai a ainsi été conçu, développé et mit au point pour étudier la combustion déprimée froide : il s'agit du banc HARTur. Il permet de reproduire les conditions de pression et température rencontrées après un rallumage à une altitude de 25000\,ft. Ce banc d'essai a permis de caractériser les performances en enroulement de 5 systèmes d'injection RQL, en se focalisant sur quatre conditions qui se trouvent sur la courbe de montée en puissance. Le développement d'une technique de mesure de température en sortie de chambre de combustion a permis de mesurer le rendement de combustion sur une large plage de richesse, jusqu'aux limites d'extinction pauvre. L'utilisation de diagnostics optiques a contribué à la compréhension de l'origine des chutes de rendement et de la plage de stabilité de la flamme. La morphologie du spray et ses instabilités ont été étudiés par tomographie laser haute cadence. L'imagerie par fluorescence du kérosène (PLIF-Kero) a permis de visualiser les zones de carburant en phase gazeuse. L'impact de la détérioration de la qualité de l'atomisation et de l'évaporation à basse pression et basse température sur la structure de flamme a été caractérisée par imagerie de fluorescence OH (PLIF-OH). Enfin, la vélocimétrie par imagerie de particule (PIV) a permis d'observer les changements de géométrie d'écoulement, en particulier sur l'importance de la zone de recirculation interne dans la stabilisation de la flamme. En parallèle de ces travaux sur les injecteurs aéronautiques, une étude a été menée sur la mesure de la vitesse laminaire de flamme à basse pression. Pour des pressions sub-atmosphériques, il existe très peu de donnée expérimentale de cette grandeur qui régit le positionnement et la stabilisation de la flamme, et qui est nécessaire lors de la validation de mécanismes réactionnels. Le travail effectué a permis de mettre en avant les biais de mesure qui peuvent affecter les résultats. Une méthode alternative a été proposée, et une base de données a été constituée pour les vitesses de flamme de mélanges basse pression méthane/air stœchiométrique, pauvre et riche, et décane/air stœchiométrique. L'ensemble de ces travaux offre donc une avancée sur la compréhension des phénomène multi-physiques présents dans la chambre de combustion lors de la phase d'enroulement du rallumage en altitude, et leur impact sur les limites d'extinction et les rendements de combustion. Il permet également la création de bases de données pour le développement et la validation de modèles numériques.
Abstract: The development and improvement of aircraft propulsion systems present a number of technological challenges to meet increasingly restrictive standards. Today, many studies focus on reducing fuel consumption and pollutant emissions. Although technologies are improving in this area, it is still necessary to guarantee and increase aircraft operability. Ignition and re-ignition in aero-engines are some of the major features that must be guaranteed and well-controlled in new aero-engine combustor designs. Particular attention must be paid to in-flight re-ignition in aircraft, due to the low air flows, the low-pressures and the low-temperatures experienced at the combustion chamber inlet. These conditions have a major impact on the quality of fuel atomization and hence its evaporation, which could result in combustion instabilities or flame extinction during the various ignition phases. The aim of this thesis is to characterize the impact of thermodynamic conditions and various geometric parameters of the injection system on the efficiency and stabilization of the combustion during the power rise (pull-away) that takes place after in-flight re-ignition of the combustion chamber. A new test rig has been designed, developed and validated to study cold depressurized combustion, the HARTur test rig. It reproduces the pressure and temperature conditions encountered after re-ignition at an altitude of 25000\,ft. This test bench was utilised to characterize the pull-away performance of 5 RQL injection systems, focusing on four conditions that lie on the power rise curve. The development of a temperature measurement technique at the outlet of the combustion chamber enabled measurements of combustion efficiency over a wide range of fuel-to-air ratios, spanning all the way down to the lean blowout limits. The use of optical diagnostics has contributed to our understanding of the origin of the efficiency decline and the range of the flame stability. Spray morphology and instabilities were studied using high-speed laser tomography. Kerosene fluorescence imaging (PLIF-Kero) was used to visualize areas of vapor fuel presence. OH fluorescence imaging (PLIF-OH) was utilised to investigate the impact of the deterioration in atomization quality and evaporation at low pressure and low temperature on the flame structure. Finally, particle imaging velocimetry (PIV) was employed to observe changes in flow geometry, highlighting the importance of the internal recirculation zone in flame stabilization. In parallel with this work on aeronautical injectors, a study was carried out on the measurement methodology of laminar burning velocity at low pressure. It governs the flame positioning and stabilization, and is essential for validating reaction mechanisms. At present, there are very few experimental data sets available at sub-atmospheric pressures. The presented work highlights the measurement biases that can affect the interpretation of previous results. An alternative measurement method has been proposed, along with the creation of a database of the laminar burning velocities of low-pressure stoichiometric, lean and rich methane/air mixtures, and low-pressure stoichiometric decane/air mixtures. This work represents a new step forward in our understanding of the multi-physical phenomena present in the combustion chamber during the pull-away phase of high-altitude re-ignition, and demonstrates their impact on extinction limits and combustion efficiencies. It also provides the databases which can be used for the development and validation of numerical models.

Development of the thin film solid solutions of perovskite based transparent conductors

Doctorant·e: EL KHALOUFI Oualyd
Direction de thèse: LÜDERS ULRIKE (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 20/10/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance: Université de Caen Normandie
Rapporteurs de la thèse: LEMEE NATHALIE Professeur des universités UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
MUNOZ-ROJAS DAVID Directeur de recherche Universite Grenoble Alpes
Membres du jurys: BACHELET ROMAIN, Chargé de recherche, INSTITUT DES NANOTECHNOLOGIES DE LYON
LEMEE NATHALIE, Professeur des universités, UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
LÜDERS ULRIKE, Directeur de recherche au CNRS, ENSICAEN
MUNOZ-ROJAS DAVID, Directeur de recherche, Universite Grenoble Alpes
PRELLIER Wilfrid, Directeur de recherche au CNRS, ENSICAEN
VEDRDAINE SYLVAIN, Maître de conférences, Université de Limoges

Résumé: Cette thèse a été consacrée au développement de couches minces de solutions solides La/Sr d'oxydes pérovskites conducteurs transparents. Nous avons réussi à réaliser la croissance de couches minces d'oxyde de vanadate de lanthane et de strontium (LSVO) avec une gamme de compositions diverses. Les échantillons de couches minces de LSVO ont été soumis à une caractérisation structurale approfondie, qui a permis de mettre en évidence leur haute qualité cristalline. En réalisant des caractérisations chimiques exhaustives, telles que la spectroscopie photoélectronique à rayons X et la spectroscopie d'absorption des rayons X , les états d'oxydation du vanadium ont été déterminés, offrant ainsi des informations sur leur évolution dans diverses conditions atmosphériques. Il est important de noter que le lanthane joue un rôle essentiel dans la stabilisation des couches minces contre l'oxydation de surface, qui est fréquemment observée dans les couches minces de SVO. L'ingénierie des contraintes a permis de mettre en evidence son influence sur les caractéristiques physiques des couches minces de LSVO. Il convient de noter que l'application d'une contrainte de compression augmente le niveau de corrélations électroniques au sein du matériau, conduisant par conséquent à une augmentation de la masse effective. Néanmoins, l'introduction de lacunes d'oxygène a un impact négatif sur les propriétés électriques. Cela souligne la pertinence supérieure de l'utilisation d'un substrat (LSAT) afin d'obtenir des caractéristiques électriques améliorées. De plus, la croissance de solutions solides LSVO sur des substrats LSAT a révélé des caractéristiques optiques intrigantes, en particulier une région transparente à des longueurs d'onde plus courtes par rapport aux échantillons déposés sur des substrats STO. Après avoir pris en compte l'impact du dopage au lanthane et de l'ingénierie des contraintes sur les propriétés des couches minces de LSVO, il a été déterminé que la composition La0.33Sr0.67VO3, lorsqu'elle est déposée sur LSAT, présente les caractéristiques les plus favorables en tant qu'oxyde conducteur transparent (TCO). L'introduction de lanthane sert de facteur stabilisant contre l'oxydation de surface, tout en améliorant simultanément les caractéristiques optiques et électriques. La réalisation de la synthèse de couches minces de solution solide (LSCO) avec des compositions diverses a donné des résultats significatifs. Grâce à l'optimisation de la croissance, nous avons pu obtenir des structures cristallines de qualité supérieure et une conductivité améliorée. La présence de strontium semble induire un état d'oxydation Cr6+, indiquant une instabilité potentielle de la surface à la sur-oxydation, en particulier à des niveaux de Sr plus élevés. Le dopage au lanthane a permis d'atténuer efficacement cette instabilité, observée par l'introduction de Cr3+. La résistivité à température ambiante a présenté une diminution notable de la composition riche en La (La0.66Sr0.34CrO3) aux compositions riches en Sr (La0.16Sr0.84CrO3), ce qui concorde avec les résultats rapportés dans des travaux antérieurs. Le caractère transparent du matériau était clairement observable, présentant un niveau de transparence supérieur à 50% sur tout le spectre visible. Il est intéressant de mentionner que la composition La0.33Sr0.67CrO3 est apparue comme le choix optimal en raison de sa combinaison unique de stabilisation de surface, de propriétés électriques et optiques exceptionnelles. En conséquence, cette composition est très prometteuse en tant que matériau de type p pour les oxydes conducteurs transparents. De plus, des couches minces de La0.33Sr0.67CrO3 ont été déposées sur des substrats de verre recouverts de FTO, et ont démontré une fonction de travail particulièrement bien adaptée comme matériau d'interface pour les pérovskites halogénées de type p. Cette découverte a une importance considérable, notamment dans le domaine des cellules solaires.
Abstract: This thesis was dedicated to the development of La/Sr solid solution thin films of perovskite oxide transparent conductors. We have successfully accomplished the growth of thin films of Lanthanum Strontium Vanadium oxide (LSVO) with range of diverse compositions. The LSVO thin film samples have been subjected to a thorough structural characterization, which has provided insights into their high crystalline quality. By conducting exhaustive chemical characterizations, such as X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and X-ray Absorption Spectroscopy (XAS), the oxidation states of the Vanadium have been determined, therefore offering valuable insights into their evolution under various atmospheric conditions. Significantly, it has been established that Lanthanum plays an essential role in the stabilization of the thin films from surface oxidation, which is frequently observed in thin films of Strontium Vanadate (SVO). The examination of strain engineering has shed light on its influence on the physical characteristics of LSVO thin films. It is worth noting that the application of compressive strain has been observed to increase the level of electronic correlations within the material, consequently leading to an increase in effective mass. Nevertheless, the introduction of Oxygen vacancies has a negative impact on the electrical properties when the material is grown on a Strontium Titanate (STO) substrate. This emphasizes the superior appropriateness of using a Lanthanum Strontium Aluminium Titanate (LSAT) substrate in order to achieve improved electrical characteristics. Moreover, the growth of LSVO solid solutions on LSAT substrates has revealed intriguing optical characteristics, specifically a transparent region at shorter wavelengths in comparison to samples deposited on STO substrates. After considering the impact of Lanthanum doping and strain engineering on the properties of LSVO thin films, it has been determined that the composition of La0.33Sr0.67VO3, when deposited on LSAT, exhibits the most favorable characteristics as a Transparent Conductive Oxide (TCO). The introduction of Lanthanum serves as a stabilizing factor against surface oxidation, while simultaneously improving good optical and electrical characteristics. The achievement of synthesizing thin films of Lanthanum Strontium Chromium oxide (LSCO) solid solution with diverse compositions has yielded significant findings. By means of growth optimization, we were able to attain crystalline structures of superior quality and enhanced conductivity. The presence of Strontium appeared to induce a Cr6+ oxidation state, indicating a potential surface instability to overoxidation, especially at higher Sr levels. Lanthanum doping effectively mitigated this instability, observed by the introduction of Cr3+. The resistivity at room temperature exhibited a notable decrease from La-rich composition (La0.66Sr0.34CrO3) to Sr-rich compositions (La0.16Sr0.84CrO3), which aligns with the results reported in previous works. The transparent character of the material was clearly observable, exhibiting a transparency level exceeding 50% throughout the visible spectrum. It is worth mentioning that the composition La0.33Sr0.67CrO3 has emerged as the optimal choice due to its unique combination of surface stabilization, exceptional electrical and optical properties. Consequently, this composition holds great promise as a p-type material for transparent conducting oxides. Furthermore, La0.33Sr0.67CrO3 thin films were deposited on FTO covered glass substrates, and demonstrated a work function particularly well adapted as an interface material for p-type halide perovskites. This discovery bears considerable significance, especially within the field of solar cells.

Collective phenomena at the particle emission thresholds

Doctorant·e: LINARES FERNANDEZ Jose Pablo
Direction de thèse: PLOSZAJCZAK Marek (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 20/10/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: GANIL
Rapporteurs de la thèse: GRASSO MARCELLA Directeur de recherche au CNRS INSTITUT DE PHYSIQUE NUCLEAIRE D'ORSAY
NAZAREWICZ WITOLD Professeur Michigan State University
Membres du jurys: GRASSO MARCELLA, Directeur de recherche au CNRS, INSTITUT DE PHYSIQUE NUCLEAIRE D'ORSAY
GULMINELLI Francesca, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
NAZAREWICZ WITOLD, Professeur , Michigan State University
NOWACKI FRÉDÉRIC, Directeur de recherche au CNRS, Université de Strasbourg
PLOSZAJCZAK Marek, Directeur de recherche au CEA, 14 GANIL de CAEN
VAN ISACKER PIETER, Chercheur au CEA, 14 GANIL de CAEN

Résumé: La majeure partie de la carte de nucléides est composée de noyaux instables soumis à divers modes de désintégration. Il est donc plus approprié de décrire ces noyaux dans le formalisme des systèmes quantiques ouverts. La formulation naturelle de ce problème est donnée par le Modèle en Couches Gamow en représentation des Canaux Couplés (GSM-CC), qui permet d'unifier la structure nucléaire et les réactions. Dans la première partie, le GSM-CC à partitions de masse multiples a été développé. Dans cette approche unificatrice, nous avons calculé les spectres de $^{7,8}$Be, $^7$Li, et les sections efficaces à basse énergie : $^4$He($^3$He,$^3$He), $^4$He($^3$He,$^3$He), et $^6$Li(p,p). L'inclusion de différentes partitions de masse dans le GSM-CC s'est avérée cruciale pour décrire la structure des états à basse énergie de ces noyaux. Les corrélations $\alpha$ dans les résonances $0^+_1$, $2^+_1$, $4^+_1$ de $^8$Be ont émergé naturellement en tant que phénomène du système quantique ouvert proche du seuil. Les corrélations de deutons se sont révélées importantes dans tous les états à basse énergie de $^8$Be. Dans les noyaux plus lourds, le GSM-CC a été appliqué pour calculer les spectres de $^{42}$Ca, $^{42}$Ti, $^{42}$Sc, et les sections efficaces des réactions directes, avec un accent particulier sur la réaction de transfert $^{40}$Ca(d,p)$^{41}$Ca. La deuxième partie a été consacrée à comprendre comment le clustering apparaît dans les états proches du seuil. Les études GSM-CC ont été réalisées en examinant l'évolution des probabilités de canaux de réaction, des facteurs spectroscopiques et de l'énergie de corrélation de couplage au continuum en fonction de la distance par rapport aux différents seuils d'émission de particules. Cela a permis de mieux comprendre l'origine de la clusterisation proche du seuil en tant que conséquence de l'alignement de l'état du GSM-CC collectif avec le canal de désintégration.
Abstract: Most of the nuclear chart consists of unstable nuclei, which are subject to various decay modes. Therefore, it is more appropriate to describe these nuclei in the open quantum system formalism. Natural formulation of this problem is given by the Gamow Shell Model in the Coupled Channels representation (GSM-CC), that allows to unify nuclear structure and reactions. In the first part, the multiple mass-partition GSM-CC has been developed. In this unifying approach, we have calculated spectra of $^{7,8}$Be,$^7$Li, and low-energy cross-sections: $^4$He($^3$He,$^3$He), $^4$He($^3$He,$^3$He), and $^6$Li(p,p). Inclusion of different mass partitions in the GSM-CC proved to be crucial for describing the structure of low-energy states in these nuclei. $\alpha$-correlations in the $0^+_1$, $2^+_1$, $4^+_1$ resonances of $^8$Be emerged naturally as the near-threshold open quantum system phenomenon. Deuteron correlations turned out to be important in all low-energy states of $^8$Be. In heavier nuclei, the GSM-CC has been applied to calculate the spectra of $^{42}$Ca, $^{42}$Ti, $^{42}$Sc, and cross-sections of direct reactions, with a special focus on the transfer reaction $^{40}$Ca(d,p)$^{41}$Ca. The second part has been devoted for understanding how the clustering appears in the near-threshold states. The GSM-CC studies were carried out by looking at the evolution of reaction channel probabilities, spectroscopic factors and continuum-coupling correlation energy as a function of the distance to various particle emission thresholds. This has given gave insight into the origin of near-threshold clustering as a consequence of an alignment of the collective GSM-CC state with the decay channel.

New election sources based on nonmetallic nanoneedles for ultrafast electron bunches

Doctorant·e: BHORADE Onkar
Direction de thèse: VELLA ANGELA (Directeur·trice de thèse)
DECONIHOUT BERNARD (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 20/10/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: laboratoire GPM
Site du Madrillet INSA Rouen
76800 Saint-Étienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse: ARBOUET ARNAUD Directeur de Recherche Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
STEPHAN ODILE Professeur des Universités UNIVERSITE PARIS-SACLAY
Membres du jurys: ARBOUET ARNAUD, Directeur de Recherche, Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
DECONIHOUT BERNARD, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie
HIDEUR AMMAR, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie
SALANÇON EVELYNE, Maître de Conférences, Aix-Marseille université
STEPHAN ODILE, Professeur des Universités, UNIVERSITE PARIS-SACLAY
VELLA ANGELA, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie

Résumé: Le couplage de nanostructures et de champs laser intenses peut conduire à une localisation accrue des champs électriques à l'échelle nanométrique. Ce champ élevé, statique et optique, peut induire l'émission d'électrons et d'ions. Cette thèse vise à comprendre les propriétés d'émission d'électrons, en termes de stabilité, d'étalement de l'énergie des électrons et de luminosité, d'émetteurs uniques à l'échelle nanométrique en présence d'un champ électrique statique élevé et d'une illumination laser infrarouge femtoseconde. Les nanopointes monocristallines LaB6 et les nanofils de silicium revêtus de LaB6 (Si NW) ont été choisis comme émetteurs en raison de la faible fonction de travail, de la conductivité élevée, du point de fusion élevé et de la résistance aux dommages du LaB6. Le LaB6 présente également des propriétés d'émission d'électrons basées sur l'orientation cristallographique, ce qui en fait un bon candidat pour les sources d'électrons nécessitant des propriétés d'émission adaptées. Il a été démontré que des impulsions infrarouges (IR) intenses focalisées sur des surfaces métalliques permettaient d'accéder au régime de champ fort et à la mise à l'échelle de l'énergie cinétique des électrons en raison de l'accélération pondérale. Les impulsions IR femtosecondes de grande longueur d'onde peuvent également confiner l'interaction laser-électron à la surface de l'émetteur à une fraction du cycle optique du laser, ce qui donne lieu à des impulsions électroniques attosecondes. Afin de comprendre l'émission d'électrons à partir de la nanopointe LaB6 (100) et sa dépendance vis-à-vis de la surface cristallographique, deux techniques ont été utilisées, à savoir la microscopie électronique de champ et la microscopie ionique de champ : La microscopie électronique de champ et la microscopie ionique de champ. Les mécanismes d'émission d'électrons et la répartition de l'énergie correspondante ont été étudiés en faisant varier la tension appliquée à la pointe émettrice et la puissance d'illumination du laser. Les expériences ont démontré l'existence d'une source d'électrons à champ froid stable et à haute luminosité et la génération d'électrons à haute énergie par multiphoton (MPP) et photoémission au-dessus du seuil (ATP) à partir d'une pointe non métallique. Des expériences similaires ont été réalisées pour une pointe de LaB6 (310). Le changement d'orientation cristallographique n'a pas modifié les mécanismes d'émission mais a entraîné une émission instable d'électrons. Une étude comparative de l'émission d'électrons à partir de réseaux de NW Si et de réseaux de NW Si revêtus de LaB6 a été réalisée pour comprendre l'effet de l'épaisseur du revêtement sur les propriétés d'émission. Les résultats indiquent qu'une fine couche de LaB6 améliore la stabilité de l'émission et la densité du courant, et réduit également la tension d'allumage. Enfin, des expériences visant à étudier l'émission d'électrons à partir d'un seul fil de Si revêtu de LaB6 ont été réalisées pour démontrer les effets des couches d'oxyde dans l'échantillon et de son état de surface. Le résultat expérimental de ce travail de doctorat constitue une étape prometteuse vers la génération de groupes d'électrons ultrarapides et ultracourts à partir de nanostructures non métalliques faciles à fabriquer, qui peuvent être utilisées pour la génération de sources d'électrons pulsées compactes à haute densité de courant afin de capturer la dynamique moléculaire à des échelles de temps très courtes.
Abstract: The coupling of nanostructures and intense laser fields can lead to enhanced localization of electric fields at nanoscales. This high field, static and optical fields, can induce electron and ion emission. This thesis aims to understand the electron emission properties, in terms of stability, electron energy spread, and brightness, of single nanoscale emitters in the presence of a high static electric field and femtosecond infra-red laser illumination. LaB6 single crystal nanotips along with LaB6 coated Silicon nanowires (Si NW) were chosen as the emitters owing to the low work function, high conductivity, high melting point, and damage resistance of LaB6. LaB6 also presents electron emission properties based on crystallographic orientation which can make it a good electron source candidate where tuned emission properties are required. Intense infra-red (IR) pulses focused on metal surfaces have been demonstrated to provide access to the strong-field regime and scaling of electron kinetic energy due to ponderomotive acceleration. Long wavelength IR femtosecond pulses can also confine the laser-electron interaction at the emitter surface to a fraction of the laser optical cycle resulting in attosecond electron pulses. In order to understand the electron emission from LaB6 (100) nanotip and its crystallographic surface dependence, two techniques were used namely: Field electron Microscopy and Field Ion Microscopy. The mechanisms of electron emission and the corresponding energy spread were studied by varying the voltage applied to the emitter tip and the laser illumination power. The experiments demonstrated a stable, high-brightness pulser cold field electron source and generation of high energy electrons through Multiphoton (MPP) and Above Threshold Photoemission (ATP) from a non-metallic tip. Similar experiments were carried out for a LaB6 (310) nanotip. The change in crystallographic orientation did not change the emission mechanisms but resulted in unstable electron emission. A comparative study of electron emission from Si NW arrays and LaB6 coated Si NW arrays was performed to understand the effect of coating thickness on the emission properties. The findings indicated that a thin layer of LaB6 coating results in improved emission stability and current density, and also lowered the turn-on voltage. Finally, experiments to study electron emission from a single LaB6 coated Si NW were performed demonstrating the effects of oxide layers in the sample and its surface state. The experimental output of this Ph.D. work is a hopeful step toward the generation of ultrafast and ultrashort electron bunches from easy-to-fabricate non-metallic nanostructures, which can be used for compact high-current density pulsed electron source generation to capture molecular dynamics at the smallest timescales.

Development of processes for the valorization of lignocellulosic biomass based on renewable energies

Doctorant·e: DI MENNO DI BUCCHIANICO DANIELE
Direction de thèse: LEVENEUR SEBASTIEN (Directeur·trice de thèse)
TUGNOLI ALESSANDRO (Co-directeur·trice de thèse)
BUVAT JEAN-CHRISTOPHE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 18/10/2023 à 09:00
Lieu de la soutenance: INSA Rouen Normandie
Bâtiment Dumont d'Urville
Amphithéâtre DU-B-RJ-02 Curie
685 avenue de l'université
76801 Saint-Etienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse: AZZARO-PANTEL CATHERINE PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS INP ENSIACET, Toulouse
THYBAUT JORIS PROFESSEUR Ghent University, Belgique
Membres du jurys: AZZARO-PANTEL CATHERINE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INP ENSIACET, Toulouse
BUVAT JEAN-CHRISTOPHE, MAÎTRE DE CONFÉRENCES, INSA de Rouen Normandie
CASSON MORENO VALERIA, PROFESSEUR, University of Pisa, Italy
GABAS NADINE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INP ENSIACET, Toulouse
LEVENEUR SEBASTIEN, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, INSA de Rouen Normandie
SCHAER ERIC, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, ENSIC - LRGP, Nancy
THYBAUT JORIS, PROFESSEUR, Ghent University, Belgique
TUGNOLI ALESSANDRO, ASSOCIATE PROFESSOR, Université de Bologne, Italie

Résumé: Le monde, et en particulier l'Europe, fait face aux effets du changement climatique dus à sa longue dépendance aux combustibles fossiles en reconnaissant la nécessité vitale de s'orienter vers des ressources énergétiques renouvelables. Parmi les énergies renouvelables, la biomasse alimente non seulement la production de bioénergie, mais constitue également une source vitale de biocarbone, utilisé pour créer des molécules à haute valeur ajoutée, en remplacement des produits d'origine fossile. Les lévulinates d'alkyle, dérivés de la biomasse, se distinguent particulièrement par leur potentiel en tant que bio-additifs et biocarburants. La solvolyse acide des sucres hexagonaux de la biomasse semble être une voie de production prometteuse et rentable. Le potentiel du lévulinate d'alkyle s'étend à sa conversion en γ-valérolactone (GVL), un biosolvant prometteur, généralement obtenu par hydrogénation avec hydrogène moléculaire. En plus d'être un réactif clé, l'hydrogène est également un vecteur énergétique prometteur, facilitant l'intégration des sources d'énergie renouvelables sur le marché. Les systèmes de stockage d'énergie à base d'hydrogène soutiennent cette intégration et favorisent la transformation industrielle "verte". Cette thèse porte sur l'étude technologique et l'évaluation de la durabilité d'un système de biotransformation, intégrant la valorisation de la biomasse lignocellulosique, la production d'énergie et la génération d'hydrogène. L'étude comprend des investigations expérimentales, optimisant les technologies pour la production de lévulinate de butyle et son hydrogénation en GVL, ainsi que la simulation et l'évaluation de la durabilité de l'ensemble du procédé. Afin de répondre à la question de la durabilité, la recherche présente une première section axée sur l'étude expérimentale de la technologie optimale pour la production de lévulinate de butyle. La solvolyse de l'hexose Fructose en lévulinate de butyle a été étudiée en termes de conditions optimales de procédé et de modélisation cinétique. Sélectionné le catalyseur hétérogène, l'effet du solvant a été étudié, montrant les avantages de l'utilisation du GVL comme co-solvant, avec le butanol, sur la cinétique de conversion et de dissolution du fructose. Dans ces conditions, la solvolyse en lévulinate de butyle a été étudiée d'un point de vue cinétique, d'abord en proposant un modèle pour la solvolyse du 5-HMF, un intermédiaire dans la voie du fructose, puis en étendant la modélisation à partir du fructose lui-même. Un modèle cinétique robuste, décrivant le mécanisme réactionnel de la solvolyse, a été défini et validé, en particulier dans des conditions de concentration élevée en fructose, et en incluant dans la modélisation la cinétique de dissolution et de dégradation du fructose. Dans la deuxième partie de la recherche, la perspective technologique a été étendue à l'hydrogénation du lévulinate de butyle en GVL. À partir d'une phase de conception, le schéma global du procédé de transformation du fructose en GVL a été défini, simulé et optimisé sur la base du concept d'intensification du procédé. Le procédé a ensuite été intégré dans une étude de cas réelle en Normandie, France, en adaptant l'analyse à la disponibilité locale de la biomasse lignocellulosique et de l'énergie éolienne. L'étude définit une méthodologie pour la conception et l'intégration du système d'approvisionnement en énergie, en évaluant différents scénarios. L'évaluation de la durabilité, basée sur des indicateurs de performance couvrant les dimensions économiques, environnementales et sociales, aboutit à un indice global de durabilité. Les résultats montrent que les scénarios intégrant le système de GVL, l'énergie éolienne et le stockage de l'énergie sous forme d'hydrogène sont prometteurs, car ils démontrent une rentabilité économique élevée et un impact environnemental réduit. Enfin, des analyses de sensibilité valident la robustesse et la fiabilité de la méthodologie.
Abstract: The world is facing the impacts of climate change due to its long dependence on fossil fuels, and specifically Europe, which is facing an energy crisis, has recognized the fragility of its fossil fuel-dependent energy system and has moved strongly towards renewable energy resources. Among renewables, biomass not only powers bio-energy production but also serves as a vital source of bio-carbon, used to create high-value molecules, replacing fossil-based products. Alkyl levulinates, derived from biomass, particularly stand out for their potential as bio-additives and bio-fuels. Acid solvolysis of hexose sugars from biomass appears to be a promising and cost-effective production route, which requires further investigation not yet found in the literature. The potential of alkyl levulinate extends to its conversion into γ-valerolactone (GVL), a promising bio-solvent, commonly obtained by hydrogenation through molecular-hydrogen. Besides being a key reagent, hydrogen is also a promising energy carrier, facilitating the integration of renewable energy sources into the market. Hydrogen energy storage systems support this integration, promoting 'green' industrial transformation. This thesis focuses on technological investigation and sustainability assessment of a potential biorefinery system, integrating lignocellulosic biomass valorization, energy production, and hydrogen generation. The study encompasses experimental investigations, optimizing technologies for the production of butyl levulinate and its subsequent hydrogenation to GVL. Sustainability considerations are fundamental to the process configuration, aligning with the global shift towards renewable and carbon bio-resources. In order to answer the question of sustainability, the research presents a first section focused on the experimental investigation of the optimal technology for the production of butyl levulinate. The solvolysis of the biomass-derived hexose Fructose to butyl levulinate was investigated, in terms of optimal process conditions and kinetic modelling. Selected an effective heterogeneous catalyst, the effect of the solvent was investigated, showing the benefits of using GVL as co-solvent, together with butanol, on the conversion and dissolution kinetics of fructose. In these conditions, the solvolysis to butyl levulinate was studied in depth from a kinetic point of view, first by proposing a model for the solvolysis of 5-HMF, an intermediate in the fructose pathway, and then extending the modelling from fructose itself. A robust kinetic model, describing the reaction mechanism of solvolysis, was defined and validated, particularly under conditions of high initial fructose concentration (applying the concept of High-gravity), and including in the modelling the kinetics of dissolution, and degradation of fructose, under acidic conditions. In the second part of the research, the technological perspective was extended to the hydrogenation of butyl levulinate to GVL. Starting from a conceptual design phase, the overall fructose-to-GVL process scheme was defined, simulated, and optimized on the basis of the process intensification concept. In the third part, the process was then dropped into a real case study in Normandy, France, adapting the analysis to the local availability of lignocellulosic biomass and wind energy. The study defines a methodology for designing and integrating the energy-supply system, evaluating different scenarios. The sustainability assessment, based on key performance indicators spanning economic, environmental, and social dimensions, culminates in an aggregated overall sustainability index. The results highlight scenarios integrating the GVL biorefinery system with wind power and hydrogen energy storage as promising, demonstrating high economic profitability and reduced environmental impact. Finally, sensitivity analyses validate the robustness and reliability of the methodology, generally extendable also to other technological systems.

Development of a generic analytical model for optimizing the energy production of a tidal turbine park

Doctorant·e: SHARIFF Kabir Bashir
Direction de thèse: GUILLOU Sylvain (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 18/10/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: Amphithéâtre ESIX- GSI, Cherbourg
Rapporteurs de la thèse: BALARAC GUILLAUME Professeur des universités Ecole Nationale Supérieure de l'Energie, l'Eau et l'Environnement de Grenoble
BAYEUL-LAINÉ ANNIE-CLAUDE Maître de conférences HDR ENSAM CER LILLE
Membres du jurys: BALARAC GUILLAUME, Professeur des universités, Ecole Nationale Supérieure de l'Energie, l'Eau et l'Environnement de Grenoble
BAYEUL-LAINÉ ANNIE-CLAUDE, Maître de conférences HDR, Université de Lille
DELAFIN PIERRE-LUC, Maître de conférences, Ecole Nationale Supérieure de l'Energie, l'Eau et l'Environnement de Grenoble
GUILLOU Sylvain, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
OUAHSINE ABDELLATIF, Professeur des universités, UNIV TECHNOLOGIE COMPIEGNE UTC COMPIEGNE

Résumé: L'industrie de l'énergie des courants de marée a réussi à déployer et à tester des turbines à courant de marée (Tidal Stream Turbine, TST) en grandeur réelle sur des sites d'essai dédiés, avec des unités individuelles atteignant jusqu'à 1 MW de puissance. L'étape suivante vers la commercialisation est l'étude de l'effet de sillage de la turbine et de l'interaction des hydroliennes au sein d'une ferme (ou parc) d'hydroliennes. Dans cette thèse, nous avons proposé potentiellement le premier modèle empirique pour estimer la turbulence ajoutée dans le sillage de la turbine d'hydroliennes. En utilisant ce modèle, la turbulence effective est générée et utilisée pour estimer le déficit de vitesse dans le sillage de la turbine. Ce modèle de déficit de vitesse utilise l'approche Jensen-Gaussienne pour les fonctions de flux et de forme. En outre, le modèle est appliqué à une ferme hydrolienne simple pour estimer le déficit de vitesse et l'intensité de la turbulence. Un principe de superposition est choisi pour évaluer l'interaction des sillages au sein de cette ferme. Comme les courants de marée en eaux peu profondes sont spécifiques aux sites, le modèle est généralisé pour prendre en compte la variation de la turbulence ambiante, le coefficient de poussée du rotor et le rapport diamètre-profondeur dans différentes conditions hydrodynamiques réalistes du site de marée dans un cas idéal. Le modèle est valable pour des TST réalistes en eaux peu profondes avec un coefficient de poussée allant de 0,64 - 0,98 et une turbulence ambiante de 5 - 20% dans un canal avec un rapport diamètre/profondeur du rotor de 20 - 60%. Profitant de la disposition des turbines, l'arrangement en quinconce produit plus d'énergie que l'arrangement rectiligne dans les mêmes conditions. L'augmentation de la puissance est attribuée à une récupération suffisante du sillage dans la première configuration. La comparaison avec différents espacements de turbines a montré que les arrangements rectilignes et en quinconces peuvent bénéficier d'un espacement latéral et longitudinal réduit sans affecter l'efficacité de la ferme. Les résultats obtenus montrent également qu'en eaux peu profondes, la profondeur du canal peut affecter la production d'énergie globale d'une ferme. Une augmentation de la puissance est observée pour un faible rapport diamètre-profondeur, ce qui résulte d'une expansion suffisante du sillage pour ce rapport. Dans les fermes, l'efficacité peut être améliorée en augmentant la turbulence ambiante, en espaçant suffisamment les turbines et en ayant un faible rapport diamètre/profondeur. Ce modèle générique, quoique améliorable, permet de donner un bon aperçu de la production d'énergie produite par une ferme d'hydroliennes pour différentes conditions avant un approfondissement avec par exemple des simulations à haute résolution.
Abstract: The tidal energy industry has recorded successful deployment and testing of full-scale Tidal Stream Turbines (TST) at dedicated test sites with single units reaching up to 1 MW output. The next step towards commercialization is the investigation of the turbine wake effect turbine interaction in the tidal array. In this thesis, we proposed potentially the first empirical model to estimate the added turbulence in tidal turbine wake. Using this model, effective turbulence is generated and used to estimate the velocity deficit in the turbine wake. This velocity deficit model uses the Jensen-Gaussian approach for the stream and shape functions. Further, the model is applied in a simple tidal farm to estimate the velocity deficit and turbulence intensity. A superposition principle is chosen to evaluate the wake interaction in the tidal farm. As the tidal flows in shallow water are site-specific, the model is generalized to take into account the variation in ambient turbulence, rotor thrust coefficient, and the diameter-to-depth ratio at different realistic tidal site hydrodynamic conditions in an ideal case. The model is valid for realistic TST in shallow water with a thrust coefficient ranging from 0.64 - 0.98 and ambient turbulence of 5 - 20% in a channel with a rotor diameter to depth ratio of 20 - 60%. Profiting from the turbine arrangement, the staggered array produces higher than the rectilinear array under the same condition. The increase in power is attributed to sufficient wake recovery in the former configuration. The comparison with different turbine spacing has shown that the rectilinear and staggered array can benefit from reduced lateral and longitudinal spacing without affecting the efficiency of the farm. Also, the result obtained shows that in shallow water, the channel depth can affect the overall power production in a farm. An increase in power is observed at a low diameter-to-depth ratio, this results from sufficient wake expansion at a low rotor diameter-to-depth ratio. In tidal farms, it is noted that the efficiency can be improved by increased ambient turbulence, sufficient turbine spacing, and a low diameter-to-depth ratio. This generic model can provide insight into the power production in tidal farms under different conditions before high-fidelity numerical simulations.

Application de l'intelligence artificielle au pronostic des batteries lithium et de la pile à combustible et à la gestion de l'énergie

Doctorant·e: TOUGHZAOUI Yassine
Direction de thèse: GUALOUS Hamid (Directeur·trice de thèse)
LOUAHLIA Hasna (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 18/10/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: Saint-Lô
Rapporteurs de la thèse: DEPERNET DANIEL Professeur des universités UNIV TECHN BELFORT MONTBELIARD UTBM SEVENANS
RACHID AHMED Professeur des universités UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
Membres du jurys: DE BERNARDINIS ALEXANDRE, Professeur des universités, Université de Lorraine
DEPERNET DANIEL, Professeur des universités, UNIV TECHN BELFORT MONTBELIARD UTBM SEVENANS
GUALOUS Hamid, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
LOUAHLIA Hasna, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
OBEID Hussein, Maître de conférences, Université de Caen Normandie
PETRONE Raffaele, Maître de conférences, Université de Caen Normandie
RACHID AHMED, Professeur des universités, UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
YAHYAOUY ALI, Maître de conférences HDR, Université Sidi Mohamed Ben Abdellah

Résumé: Face aux défis environnementaux et à la crise énergétique, les sources d’énergie renouvelable se présentent comme une solution efficace permettant de répondre aux besoins énergétiques tout en respectant les contraintes environnementales. Leur intégration dans les micro-réseaux devient donc un atout fondamental. Cependant, le coût d’investissement reste encore important pour ces nouvelles technologies. Dans ce scenario, optimiser la conception et la gestion énergétique du micro-réseau permet à la fois d’améliorer le retour sur investissement et d’équilibrer le réseau en tenant compte de la nature intermittente des sources renouvelables. Les éléments de stockage tels que les batteries lithium-ion et l’hydrogène permettent d'améliorer les performances du micro-réseau. Cependant, ces éléments rencontrent des problèmes de vieillissement avec le temps et le taux d’utilisation, ce qui affecte les performances de l’installation. Ainsi, l’intégration de ces solutions de stockage nécessite le suivi de leurs états de santé au cours de leur utilisation. Afin de traiter les différentes problématiques (optimisation du dimensionnement et de la gestion d’énergie, et le pronostic des éléments de stockage), différentes méthodes ont été utilisées dans la littérature. Les outils d’intelligence artificielle sont largement exploités dans ce domaine grâce à leur bonne précision et leur flexibilité. L’objectif de ce manuscrit, est d’étudier les avantages de ces méthodes pour l’optimisation du dimensionnement et de la gestion d’énergie d’un micro-réseau, ainsi que pour le pronostic des batteries lithium-ion et des piles à combustible. Dans la première partie de ce travail, nous avons utilisé les réseaux de neurones artificiels (LSTM et CNN), pour l’estimation de l’état de santé des cellules lithium en utilisant deux bases de données pour l’entraînement des modèles. Ensuite, nous avons utilisé ces modèles pour la prédiction de la capacité et de la durée de vie restante, en comparant leurs résultats avec ceux du modèle ARIMA. Les résultats obtenus ont montré que le modèle hybride CNN-LSTM arrive à estimer avec précision l’état de santé des cellules pour les deux bases de données considérées. Pour le pronostic, nous avons vérifié que les performances du modèle hybride s’améliorent avec l’augmentation du pourcentage des données d’entraînement, tout en montrant qu'ARIMA est capable de fournir des résultats précis même pour des faibles pourcentages de données. Dans la deuxième partie, nous avons mené une étude comparative entre le réseau LSTM et le modèle SARIMA pour le pronostic des piles PEM en utilisant deux indicateurs de dégradation: l’énergie et la tension. Nous avons montré que SARIMA arrive à prédire les deux indicateurs avec précision même pour des faibles pourcentages de données d’entraînement, cependant, le réseau LSTM a besoin de beaucoup de données pour améliorer ses performances. Ensuite, nous avons réalisé deux bancs expérimentaux pour étudier le comportement de la pile dans un micro-réseau. Dans la troisième partie, nous avons étudié l’optimisation du dimensionnement et de la gestion d’énergie dans deux applications. Nous avons utilisé les algorithmes génétiques pour l’optimisation du dimensionnement du micro-réseau, tout en conduisant une étude paramétrique pour montrer l’effet du coût du réseau sur les résultats obtenus. Pour la gestion d’énergie, nous avons utilisé la programmation linéaire pour la première application, et nous avons développé une stratégie de gestion électrique-thermique pour la deuxième application. Enfin, nous avons proposé un modèle hybride qui consiste à utiliser le modèle SARIMA pour la prédiction de la production solaire. Ces prédictions sont utilisées par l’algorithme de planification de la gestion d’énergie, et le réseau LSTM est utilisé, après, pour prédire l’énergie consommée par l’électrolyseur et l’énergie produite par la pile afin d’adapter la planification de la gestion d’énergie aux conditions réelles.
Abstract: Considering the actual energy crisis and environmental challenges, renewable energy sources offer an effective way of meeting energy needs while respecting environmental constraints. However, their high investment costs and their intermittent nature make it essential to optimize the microgrid sizing and energy management for their exploitation. In this context, storage components, such as lithium-ion batteries and the use of hydrogen technologies are solicited to improve the microgrid performance. However, these elements encounter ageing problems over time and with the rate of use, affecting their performance and therefore the performance of the microgrid. Therefore, the integration of these storage solutions mainly requires their state of health monitoring during their useful life. Various methods have been used in the literature to handle the various issues (optimization of energy sizing and management, and prognosis of the storage components). Artificial intelligence methods are widely adopted in this field, thanks to their high accuracy and flexibility. The aim of this thesis is to study the advantages of these methods for optimizing the sizing and energy management of a microgrid, as well as for the prognosis of lithium-ion batteries and fuel cells. In the first part of this work, we used artificial neural networks (LSTM and CNN) to estimate the state of health of lithium-ion cells, using two different databases to train the models. Then, we used these models to forecast the battery capacity drop and predict the remaining useful life. Subsequently, results of the artificial neural networks are compared to those of the ARIMA model. The results showed that the hybrid CNN-LSTM model is able to estimate the state of health accurately for both databases. Similarly, for prognosis, we showed that the performance of the hybrid model improves with an increasing percentage of training data, while ARIMA provides accurate results even for low percentages of data. In the second part, we conducted a comparative study between the LSTM network and the SARIMA model for the prognosis of PEM fuel cells, using two degradation indicators: the produced energy and the stack voltage. We have shown that SARIMA is able to predict both indicators accurately even for low percentages of training data, while the LSTM network needs a lot of data to improve its performance. Then, we set up two test benches to study the behavior of the fuel cell in a microgrid. In the third part, we studied sizing and energy management optimization in two applications. We used genetic algorithms to optimize the sizing of the microgrid components, while conducting a parametric study to show the effect of grid cost on the obtained results. For energy management, we used linear programming for the first application, and developed an electrical-thermal management strategy for the second. Finally, we proposed a hybrid model using SARIMA model for solar production forecasting. These predictions are used by the energy management planning algorithm, and the LSTM network is used afterwards to predict the energy consumed by the electrolyzer, and the energy produced by the fuel cell, in order to adapt energy management planning to actual conditions.

Contrôle dynamique de modes de Lamb dans des cristaux phononiques piézoélectriques

Doctorant·e: MEKRACHE Kamel
Direction de thèse: MORVAN BRUNO (Directeur·trice de thèse)
STEFANOU NIKOLAOS (Co-directeur·trice de thèse)
REMBERT PASCAL (Co-encadrant·e de thèse)
SAINIDOU REVEKA (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 18/10/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance: Amphi du laboratoire LOMC
Rapporteurs de la thèse: LE CLEZIO EMMANUEL PROFESSEUR DES UNIVERSITES UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
VASSEUR JEROME PROFESSEUR DES UNIVERSITES UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
Membres du jurys: LE CLEZIO EMMANUEL, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
MORVAN BRUNO, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université Le Havre Normandie
REMBERT PASCAL, MAÎTRE DE CONFERENCES, Université Le Havre Normandie
SAINIDOU REVEKA, MAÎTRE DE CONFERENCES (HDR), Université Le Havre Normandie
STEFANOU NIKOLAOS, PROFESSOR, National Kapodistrian University Athens
VASSEUR JEROME, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
WILKIE-CHANCELLIER NICOLAS, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, CERGY PARIS UNIVERSITE

Résumé: L’objectif de ce travail de thèse est d’obtenir une modulation temporelle des propriétés d’un cristal phononique (CP) piézoélectrique afin de contrôler la propagation de modes guidés de type Lamb. Ceci nécessite dans un premier temps de développer un dispositif expérimental permettant une agilité dans la gestion des conditions aux limites électriques (CLEs) utilisées pour modifier les propriétés effectives de la plaque piézoélectrique, siège de la propagation ultrasonore. Ce dispositif basé sur l’utilisation d’un microcontrôleur a été caractérisé et nous l’avons testé sur quelques configurations statiques. Il a notamment été montré que l’ensemble du dispositif de contrôle (connecteurs, interrupteurs, etc...) introduisait peu de signaux parasites dans le cristal étudié. La complexité des phénomènes en jeu dans le système nous a amené à nous intéresser à de nombreuses configurations statiques avant d’aborder le régime dynamique. La première configuration traitée est la mise à la masse des électrodes présentes sur les surfaces du CP. Nous avons exposé les différents modèles numérique et analytique utiles à la compréhension des phénomènes physiques observés expérimentalement. Une grande partie de ce travail préliminaire avait pour but d’identifier les différents paramètres électriques, mécaniques et piézoélectriques du CP. De plus, nous avons caractérisé le mode propagatif électrique présent sur le CP lorsque des inductances sont connectées aux électrodes. Pour la première fois, nous avons parfaitement isolé et caractérisé expérimentalement ce mode en dépolarisant le cristal phononique piézoélectrique. Une variété de configurations statiques mettant en jeu des inductances et produisant, selon leur branchement, des bandes localisées ou larges bandes en fréquences, a été analysée tant théoriquement qu'expérimentalement. Plusieurs résultats originaux ont été produits montrant la richesse de modulation possible en utilisant des charges d’impédances inductives connectées au CP. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la modulation spatio-temporelle du CP. La modulation choisie est basée sur un motif élémentaire construit sur trois cellules du CP et nous donnons ici les résultats pour des vitesses de modulation inférieures aux vitesses de propagation des modes dominants dans la gamme de fréquences étudiée : le mode symétrique fondamental S0 et le mode antisymétrique A1. Une translation vectorielle des courbes de dispersion est observée à la fois expérimentalement et sur les simulations FEM, dissymétrisant la structure de bandes. Ceci offre la possibilité d’obtention de bandes interdites unidirectionnelles pour des ondes de Lamb.
Abstract: This PhD thesis aims to control the propagation of guided Lamb waves within a piezoelectric phononic crystal plate (PPCP) through time-modulation of its properties. For this purpose, an appropriate experimental setup has been developed that allows us to easily handle the applied electric boundary conditions, used to modify the effective properties of the crystal, in which the ultrasonic guided waves propagate. More precisely, this setup, integrating a microcontroler, has been experimentally characterized and its performance has been verified in several cases including static (i.e. no time-modulated) configurations. Our results confirm that the control unit of the system (including connectors, switches, etc.) introduces negligible or little signal noise within the crystal. The complexity of the physical phenomena taking place within the crystal has been shown to be of interest, thus triggering a detailed study of several static configurations at a first stage, before the dynamical regime is considered at a second stage. The first static case consists of floating-potential electric boundary conditions at the metallic strips, on both sides of the plate. Through this preliminary study the different parameters (electrical, mechanical, and piezoelectric) governing the response of the crystal have been identified and the several theoretical and numerical modeling tools used to analyze the underlying mechanisms have been presented. In addition, the electric propagating mode guided within the plate when inductive charges are loaded on the metallic strips, has been analyzed and for the first time has been perfectly decoupled experimentally after depolarization of the piezoelectric plate. Second, a variety of static configurations including inductive loads that produce multidispersive, localized or extended in frequency, unusual bands of inductive origin have been analyzed both theoretically and experimentally. These original results, reveal the rich potential with respect to modulation that the above inductive structures connected to PPCP may offer. At a second stage, the spatiotemporal modulation of the crystal is considered. We use a cell composed by three metallic strips and consider modulation speeds lower than the speeds of propagation of the guided modes entering in the dispersion plot for the frequency region under study: the symmetric S0-like mode and the antisymmetric A1-like mode. A vector translation of the dispersion curves is observed in both experimental and numerical (via finite-element simulations) band structures, thus offering the possibility to obtain asymmetric band diagrams and unidirectional band gaps for Lamb modes in these crystals.

Modélisation hydro-sédimentaire des transports particulaires en domaine marin hétérogène, application au suivi des radionucléides en zone portuaire

Doctorant·e: MIGNOT Morgane
Direction de thèse: GUILLOU Sylvain (Directeur·trice de thèse)
BAILLY DU BOIS PASCAL (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 17/10/2023 à 09:00
Lieu de la soutenance: Amphithéâtre de l'ESIX
Rapporteurs de la thèse: GRASSO FLORENT Chercheur HDR IFREMER
SOTTOLICHIO ALDO Professeur des universités Universite de Bordeaux
Membres du jurys: BAILLY DU BOIS PASCAL, Professeur des universités, CNAM-INTECHMER CHERBOURG EN COTENTIN
BRENON ISABELLE, Maître de conférences HDR, UNIVERSITE LA ROCHELLE
GRASSO FLORENT, Chercheur HDR, IFREMER
GUILLOU Sylvain, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
MARCHESIELLO PATRICK, Directeur de recherche, IRD
MEAR YANN, Professeur des universités, CNAM-INTECHMER CHERBOURG EN COTENTIN
POIZOT Emmanuel, Docteur, CNAM-INTECHMER CHERBOURG EN COTENTIN
SOTTOLICHIO ALDO, Professeur des universités, Universite de Bordeaux

Résumé: Les côtes sont des lieux de population dense où se réalisent un grand nombre d’activités anthropiques pour lesquelles des aménagements particuliers sont réalisés. Dans le cas des rades artificielles, les modifications apportées par l’homme sur l’espace naturel sont importantes. La rade de Cherbourg est la deuxième plus grande rade artificielle au monde et a connu un aménagement majeur de mars 2015 à juillet 2016 avec des changements importants de ses contours et de la morphologie de ses fonds à la suite de dragages. Cette étude présente une mise à jour des connaissances hydrodynamiques sur cette zone ainsi que des évolutions associées à ces aménagements. Pour ce faire, l’hydrodynamique calculée par le modèle numérique tridimensionnel CROCO (Coastal and Regional Ocean COmmunity model) a été validée par des mesures de courantologies acquises dans la rade de Cherbourg. Ce modèle est la base d’un modèle hydro-sédimentaire fondé sur le couplage avec le module sédimentaire multi-classe et multicouche MUSTANG V2 (MUd and Sand TrAnsport modelliNG Version 2). La validation de ce récent couplage a été effectuée par l’intermédiaire de deux cas tests standards issus de la littérature (Olivier, 2004; Rivier, 2017). Il est désormais possible de l’appliquer à la zone d’intérêt, avec pour objectif d’étudier le transport des radionucléides, en solution dans la colonne d’eau ou fixés aux particules en suspension susceptibles de sédimenter, issus des activités industrielles nucléaires de la presqu’île du Nord-Cotentin.
Abstract: Coasts are densely populated areas where many human activities are carried out and for which special facilities are built. In the case of artificial roadsteads, the modifications made by man to the natural environment are considerable. The Cherbourg roadstead is the second largest artificial roadstead in the world and has known major works from March 2015 to July 2016 with significant changes to its contours and bottom morphology following dredging operations. This study presents an update of hydrodynamic knowledge of this area, as well as the evolutions associated with these modifications. To this end, the hydrodynamic calculated by the three-dimensional numerical model CROCO (Coastal and Regional Ocean COmmunity model) were validated by current measurements acquired into the Cherbourg roadstead. This model is the basis of a hydro-sedimentary model based on coupling with the multi-class and multi-layer sedimentary module MUSTANG V2 (MUd and Sand TrAnsport modelliNG Version 2). This recent coupling has been validated using two standard test cases from the literature (Olivier, 2004; Rivier, 2017). It is now possible to apply it to the area of interest, with the aim of studying the transport of radionuclides, in solution into the water column or attached to suspended particles likely to sediment, originating from the nuclear industrial activities of the North-Cotentin peninsula.

Modélisation et simulation numérique de la combustion dans les moteurs-fusées : étude des flammes LOx/CH4.

Doctorant·e: MONNIER FLORIAN
Direction de thèse: RIBERT GUILLAUME (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 16/10/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: CORIA
Salle de conférence
Avenue de l'Université
76801 Saint-Etienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse: DUCRUIX SEBASTIEN DIRECTEUR DE RECHERCHE CentraleSupélec
SELLE LAURENT DIRECTEUR DE RECHERCHE IMFT Toulouse
Membres du jurys: DAYMA GUILLAUME, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université d'Orléans
DUCRUIX SEBASTIEN, DIRECTEUR DE RECHERCHE, CentraleSupélec
GRISCH FREDERIC, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
NABET FLORE, MAÎTRE DE CONFÉRENCES, Ecole polytechnique, Palaiseau
RIBERT GUILLAUME, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
SELLE LAURENT, DIRECTEUR DE RECHERCHE, IMFT Toulouse

Résumé: Dans le cadre du développement d’une fusée à bas coût et réutilisable, l’utilisation du méthane comme ergol peut apparaître comme un axe de développement privilégié. Par comparaison avec l’hydrogène, combustible historique du lanceur européen, celui-ci offre des perspectives intéressantes du fait entre autres des propriétés de stockage et de mise en œuvre, i.e. de son coût. D’un point de vue scientifique, l’oxy-combustion du méthane à haute pression, i.e. en régime supercritique, est peu connue et nécessite de revisiter l’ensemble de la chaine de modélisation des écoulements réactifs. Ainsi, une chimie réduite contenant 17 espèces et 44 réactions a été proposée puis validée dans le cadre de la combustion haute-pression LOx/CH4 sur des cas de flammes canoniques 1D puis 2D de prémélange et de diffusion, en interaction ou non avec une turbulence homogène et isotrope. L’étude de la diffusion non-idéale du mélange, point important dans les écoulements supercritiques, n’a pas été jugée significative pour les cas d’applications rencontrés, i.e. le cas d’une couche de mélange LOx/CH4 doublement transcritique de type splitter-plate. Plusieurs modèles de sous-maille pour la turbulence ont été testés avec le code de calcul SiTCom-B. Dans le cas d’une couche de mélange réactive, des structures de flammes triples peu habituelles ont été observées aussi en bien en DNS qu’en LES. Pour ces dernières, la prise en compte du modèle d’épaississement de flamme (TFLES) conditionné aux flammes de prémélange a montré une amélioration significative des résultats par rapport au cas de référence sans modèle dédié. L’utilisation du schéma réduit développé ici, s’est avéré crucial dans l’obtention puis l’observation d’une flamme bien plus complexe que celle habituellement observée lorsque l’hydrogène est utilisé comme ergol, la flamme LOx/CH4 faisant apparaître, par exemple, des zones d’extinctions locales. La conception classique de la flamme de diffusion du moteur-fusée laisse place alors à une combustion complexe étalée sur les trois régimes de combustion : prémélangé riche et pauvre, et non-prémélangée.
Abstract: The use of methane as a propellant is currently being studied in the development of low-cost and reusable rockets. Compared to hydrogen, the historical fuel of the European launcher, it has interesting advantages due to its storage and implementation properties, with an impact on its financial cost. From a scientific point of view, the oxy-combustion of methane at high pressure, i.e. in a supercritical regime, is not well known and requires adapting the entire chain of the modelling of reactive flows. Thus, a reduced chemistry containing 17 species and 44 reactions was proposed and validated in the context of high-pressure LOx/CH4 combustion on 1D canonical flames, then 2D premixed and non-premixed flames, in interaction or not with homogeneous and isotropic turbulence. The study of the non-ideal diffusion of the mixture, a crucial point in supercritical flows, was not considered significant for the cases of applications encountered, i.e. the case of a doubly transcritical LOx/CH4 mixture layer in a splitter-plate configuration. Several subgrid models for turbulence were tested with the CFD solver, SiTCom-B. In the case of a reactive mixture layer, unusual triple-flame structures were observed in both DNS and LES. For the latter, taking into account the thickened flame model (TFLES) conditioned to premixed flames showed a significant improvement in the results compared to the reference case without a dedicated model. The use of the reduced kinetic scheme developed here, is proved to be necessary for obtaining and observing a much more complex flame than the one usually observed when hydrogen is used as a propellant, like local extinction zones for instance. The classical conception of the non-premixed flame in rocket-engine leaves room for a complex combustion spread over the three combustion regimes: rich and lean premixed, and non-premixed.

Improvement of bio-oil properties from biomass pyrolysis in an auger reactor: Energy/exergy study and catalytic deoxygenation

Doctorant·e: CAMPUSANO MERCEDES BALKYDIA
Direction de thèse: TAOUK BECHARA (Directeur·trice de thèse)
ABDELOUAHED LOKMANE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 11/10/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: INSA Rouen Normandie
Bâtiment Darwin - Salle DA-A-R1-02
685 avenue de l'université
76801 Saint Etienne du Rouvray
Rapporteurs de la thèse: BENSAKHRIA AMMAR MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR Université de Technologie de Compiègne UTC
COURSON CLAIRE MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR Université de Strasbourg
Membres du jurys: ABDELOUAHED LOKMANE, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, INSA de Rouen Normandie
BENSAKHRIA AMMAR, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, Université de Technologie de Compiègne UTC
COURSON CLAIRE, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, Université de Strasbourg
LARAQI NAJIB, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université Paris Nanterre
POLAERT ISABELLE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
TAOUK BECHARA, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie

Résumé: La consommation croissante d'énergie dans le monde, qui implique principalement l’utilisation de combustibles fossiles non renouvelables, pose un problème environnemental critique. Cette utilisation contribue aux émissions de gaz à effet de serre, principale cause du réchauffement climatique. Ce travail de recherche aborde le besoin urgent de sources d'énergie durables en se concentrant sur la biomasse comme alternative renouvelable. La biomasse offre une polyvalence dans les méthodes de production d'énergie, y compris les approches biochimiques et thermochimiques. Parmi celles-ci, la pyrolyse se distingue pour sa capacité à produire de la bio-huile et d'autres sous-produits d’intérêt. Cependant, l'optimisation du procédé pour améliorer la qualité de la bio-huile reste un défi importante. L'objectif principal de cette thèse est d'améliorer les propriétés de la bio-huile obtenu à partir de la conversion de la biomasse bois de hêtre en utilisant un procédé de pyrolyse à deux étages couplé à un traitement de désoxygénation catalytique. Le système se compose d'un réacteur à vis sans fin continu suivi d'un réacteur catalytique à lit fluidisé. Les réacteurs à vis sans fin sont préférés en raison de leur simplicité, de leur robustesse et de leur aptitude à fonctionner en continu. Le traitement catalytique a pour pour rôle réduire la teneur élevée en oxygène de la bio-huile brute, qui affecte négativement son utilisation en tant que biocarburant. Le catalyseur utilisé est la zéolite HZSM-5 modifiée par le fer à différentes concentrations. Dans la première étape, les paramètres opérationnels affectant le rendement et la distribution des produits de pyrolyse dans un réacteur à vis sans fin continu ont été étudiés. Ensuite, l'effet catalytique sur les vapeurs obtenues lors de la pyrolyse dans le système à deux étages (réacteur à vis sans fin + réacteur catalytique à lit fluidisé) a été évalué. Il a été observé que la pyrolyse réalisée à 500 °C, avec un temps de séjour du gaz de 18 s et un débit d'alimentation de 0,60 g/min, donnait les meilleurs résultats en termes de rendement en bio-huile, et en ce qui concerne la partie catalytique, le catalyseur 5 % Fe-HZSM-5 montrait les meilleures performances. Dans la dernière étape de cette thèse, une analyse thermodynamique des systèmes de pyrolyse catalytique et non catalytique a été réalisée. Une comparaison des différentes méthodes d'évaluation de l'énergie et de l'exergie de la bio-huile a été également élaborée. Cette recherche contribue à faire progresser la production durable de biocarburants et fournit des informations sur l'évaluation de l'énergie et de l'exergie de la bio-huile, ce qui est essentiel pour développer des solutions de production d'énergie respectueuses de l'environnement.
Abstract: The world's growing energy consumption, dependent mainly on non-renewable fossil fuels, poses a critical environmental problem. The use of fossil fuels contributes to greenhouse gas emissions, the main cause of global warming. This research work addresses the urgent need for sustainable energy sources by focusing on biomass as a renewable alternative. Biomass offers versatility in energy production methods, including biochemical and thermochemical approaches. Among these, pyrolysis is highlighted by its ability to produce bio-oil and other valuable by-products. However, process optimization to improve bio-oil quality remains a challenge. The main objective of this thesis is to improve the properties of bio-oil obtained from the conversion of beech wood biomass using a two-stage pyrolysis process coupled with a catalytic deoxygenation treatment. The system consists of a continuous Auger reactor followed by a fluidized bed catalytic reactor. Auger reactors are preferred because of their simplicity, robustness and suitability for continuous operation. The catalytic treatment is introduced to reduce the high oxygen content of crude bio-oil, which negatively affects its usefulness as a biofuel. The catalyst used was HZSM-5 zeolite modified with iron at different concentrations. In the first step, the operational parameters affecting the yield and distribution of pyrolytic products in a continuous Auger reactor were studied. Then, the catalytic effect on the vapors obtained from pyrolysis in the two-stage system (Auger reactor + fluidized bed catalytic reactor) was evaluated. It was observed that pyrolysis carried out at 500 °C, a gas residence time of 18 s and a feed rate of 0.60 g/min gave the best results in terms of bio-oil yield and, as for the catalytic part, the 5%Fe-HZSM-5 catalyst showed the best performance. In the last step of this thesis, a thermodynamic analysis of the catalytic and non-catalytic pyrolysis systems was carried out, as well as an extensive study of the different methods for the energy and exergy evaluation of the bio-oil. This research contributes to advancing the sustainable production of biofuels and provides insights into the energy and exergy assessment of bio-oil, which is essential for developing environmentally friendly energy production solutions.

Modélisation haute fidélité de l'aérodynamique dans les inverseurs de poussée des turboréacteurs à flux mélangés

Doctorant·e: GRENOUILLOUX ADRIEN
Direction de thèse: CESSOU ARMELLE (Directeur·trice de thèse)
MOUREAU VINCENT (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 05/10/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: CORIA
Salle de conférences du CORIA
Avenue de l'Université
76801 Saint-Etienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse: GICQUEL LAURENT CHERCHEUR HDR CERFACS, Toulouse
TOUTANT ADRIEN MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR Université de Perpignan Via Domitia
Membres du jurys: BALARAC GUILLAUME, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Grenoble INP - UGA
CESSOU ARMELLE, DIRECTEUR DE RECHERCHE, Université de Rouen Normandie
GIAUQUE ALEXIS, MAÎTRE DE CONFÉRENCES, MFAE/LMFA, Ecully
GICQUEL LAURENT, CHERCHEUR HDR, CERFACS, Toulouse
HACHEM ELIE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, CEMEF - Mines Paris
HADJADJ ABDELLAH, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
MOUREAU VINCENT, CHERCHEUR HDR, INSA de Rouen Normandie
TOUTANT ADRIEN, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, Université de Perpignan Via Domitia

Résumé: L’inverseur de poussée (ou Thrust Reverser en anglais) est un des principaux systèmes de freinage des aéronefs. Son mode de fonctionnement consiste à dévier l’écoulement d’air provenant du moteur pour générer une contre-poussée. L’inverseur permet, sur une piste mouillée, de réduire d’au moins un tiers la distance de freinage. Sur une piste gelée, souvent rencontrée en hiver, l’utilisation du TR est obligatoire pour garantir l’arrêt en sécurité de l’appareil. Cette configuration se présente sous deux formes en fonction du type de moteur. Pour ceux à faible taux de dilution, la configuration dite TARGET est couramment utilisée. Celle-ci consiste en une série de portes faisant partie de la nacelle qui s’ouvrent grâce à un jeu de vérins hydrauliques. Ainsi, un mélange d’air chaud et froid en provenance du moteur impacte contre ces dernières, et est par la suite dévié et redirigé vers l’avant. Les approches stationnaires, dites RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), ne permettent pas de correctement modéliser la dynamique de l’écoulement en impaction. En effet, le transport instationnaire des principales structures dans l’écoulement s’avère critique pour l’étude de ce type de configuration. L’objectif de cette thése est donc de développer des méthodes de simulation numériques aux grandes échelles (LES) permettant, à un coût compatible avec une utilisation in- dustrielle, de modéliser les performances aérothermiques d’une maquette d’échelle réduite d’un inverseur de poussée, pour laquelle des mesures expérimentales sont disponibles. Les développe- ments réalisés durant cette thèse sont implémentés dans la librairie de calcul haute fidélité mas- sivement parallèle YALES2 développée au CORIA, couplée à la librairie d’adaptation de maillage MMG. Une simulation de ce type requiert de l’utilisation d’un maillage adapté, ciblant les princi- pales zones d’intérêt, telles que des couches de mélange ou des zones en proche parois. Ainsi, les travaux de thèse ont porté sur la mise en place d’une méthodologie pour la conver- gence automatique de maillage de configurations aérothermiques. Dans un premier temps, des configurations dites « académiques » de type jet en impaction, pour lesquelles une large base de données expérimentales est disponible, ont été étudiées pour validation. Des résultats satisfaisant ont montré l’intérêt pratique de cette méthode, qui permet de raffiner la grille tout en y imposant une série contraintes. Ceci permet de contrôler notamment la taille finale du maillage et la discréti- sation en proche parois. Une approche particulière a été implémentée pour garantir la convergence statistique locale des critères d’adaptation. Dans un deuxième temps, cette même méthode a été appliquée à la simulation compressible d’une configuration de l’inverseur de poussée en condition d’essai. Afin d’optimiser le temps de calcul, et notamment la génération d’un premier maillage ciblant la dynamique de l’écoulement, un premier calcul avec un solveur à densité variable, dit bas- Mach, a été utilisé. Des post-traitement dédiés ont été mis en place pour calculer les principaux paramètres aérodynamiques d’intérêt, dont la contre poussée. Aussi, une deuxième méthodologie d’adaptation permettant d’assurer la convergence en mail- lage du champ moyen d’énergie cinétique dans le cadre de la simulation aux grandes échelles a été implémentée. Celle-ci a été validée sur une configuration de jet en impaction, de même que brûleur PRECCINSTA dans un cas non-réactif.
Abstract: Thrust reversers (TR) are one of the main braking systems on aircraft. The system works by de- flecting the airflow from the engine to generate counter-thrust. On a wet runway, the reverser reduces braking distance by at least a third. Under icy conditions, often encountered in winter, the use of the TR is compulsory to ensure the safe stopping of the aircraft. This configuration takes two forms, depending on the type of engine. For low bypass ratio engines, the TARGET config- uration is commonly used. This consists of a series of doors integrated into the nacelle, which are opened by a set of hydraulic actuators. A mixture of hot and cold air from the engine then impinges on these doors and is redirected forward. Steady-state approaches, known as RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes), do not cor- rectly model impingement flow dynamics. Indeed, the unsteady transport of the main features in the flow is critical to the study of this type of configuration. Hence, the aim of this thesis is to develop a methodology for the study of the aerothermal performances of a reduced-scale thrust reverser mock-up with scale resolving methods, such as the Large-Eddy Simulation, at a cost com- patible with industrial use. The developments carried out during this thesis are implemented in the massively parallel high-fidelity simulation library YALES2 developed at CORIA, coupled with the MMG mesh adaptation library. A simulation of this type requires the use of a suitable mesh, targeting the main areas of inter- est, such as mixing layers or near-wall regions. Thus, the thesis work focused on the establishment of a methodology for the automatic convergence of meshes for aerothermal configurations. First, so-called "academic" configurations of the impinging jet type, for which a large experimental database is available, were studied for validation. Good results showed the advantages of this method, which makes it possible to refine the grid while imposing a series of practical constraints. Indeed, it allows to control the final mesh size and the near-wall discretization. A particular ap- proach has been implemented to ensure the local statistical convergence of the adaptation criteria. Second, this methodology was applied to the compressible simulation of a reduced-scale model thrust reverser configuration, operating under experimental conditions. To improve the time re- quired for the generation of the first grid, a first simulation relying on a Low-Mach Variable Den- sity Solver is used. Dedicated post-processing was implemented to compute the main aerodynamic parameters of interest, including counter-thrust, to compare with the available experimental data. A second adaptation methodology has been implemented to ensure the mesh convergence of the mean kinetic energy field in the LES framework. This approach was validated on an impinging jet configuration, as well as the non-reactive PRECCINSTA burner case.

Diagnostic de fluorescence induite par laser en régime femtoseconde sur la molécule de NO pour une application en combustion

Doctorant·e: ALDANAWI MOSTAFA
Direction de thèse: GRISCH FREDERIC (Directeur·trice de thèse)
BARVIAU BENOIT (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 29/09/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: CORIA
Salle de conférences
Avenue de l'Université
76801 Saint-Etienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse: BELLENOUE MARC PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Université de Poitiers - ISAE-ENSMA
HERTZ EDOUARD MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR Université de Bourgogne
Membres du jurys: BARVIAU BENOIT, MAÎTRE DE CONFÉRENCES, Université de Rouen Normandie
BELLENOUE MARC, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Poitiers - ISAE-ENSMA
GRISCH FREDERIC, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
HERTZ EDOUARD, MAITRE DE CONFERENCES DES UNIVERSITES HDR, Université de Bourgogne
JOUBERT PIERRE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Franche Comté
ROZE CLAUDE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Rouen Normandie
SCHERMAN MICHAEL, DOCTEUR, Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales

Résumé: Les futurs systèmes énergétiques doivent répondre aux critères de sobriété et d’efficacité énergétique, mais également respecter un très faible impact environnemental. Pour répondre à ces défis, plusieurs solutions sont proposées par les constructeurs : carburants alternatifs, nouvelles architectures de chambres de combustion, systèmes d'injection innovants... La validation de ces modifications nécessite une analyse des mécanismes réactionnels mis en jeu. En particulier, les émissions de polluant sont de plus en plus soumises à un durcissement de la réglementation qui impose une réduction drastique de leur concentration. La mise en place de solutions pour leur limitation débute par une connaissance des concentrations des espèces chimiques impliquées. A cet effet, les diagnostics lasers non intrusifs sont des méthodes de détection et de quantification reconnues. C’est dans ce cadre que la fluorescence induite par laser a été développée pour le dosage d’espèces minoritaires. Ce diagnostic repose sur l'utilisation d'une source laser dont la longueur d'onde est accordée sur des niveaux d'énergie spécifiques de l'espèce sondée. Les sources laser nanosecondes (ns) et picosecondes (ps) sont ainsi couramment utilisées car elles produisent des impulsions de faible largeur spectrale permettant une sélectivité moléculaire et dont les énergies (dans l’UV) sont importantes afin de réaliser des mesures par imagerie. Toutefois, la faible cadence de répétition (~10 Hz) de ces sources reste une limitation. La thèse repose sur l’utilisation d’une source laser femtoseconde (fs) pour réaliser le diagnostic de fluorescence (LIF-fs). Ces sources produisent des impulsions lasers énergétiques ultra-courtes avec un taux de répétition maximal de 10 kHz, ce qui permet d’étudier la dynamique des écoulements réactionnels, tels que les flammes turbulentes. Le développement de LIF-fs porte sur la molécule de NO, qui est un polluant reconnu. Le schéma d'excitation à un photon entre les niveaux électroniques A^2 Σ^+ et X^2 Π a été étudié. Trois variantes d'excitation ont été analysées en sondant les bandes de vibration (0,0), (0,1) et (0,2) situées à 226, 237 et 248 nm, respectivement. Le développement expérimental de la LIF-fs a nécessité en parallèle un travail théorique et numérique basé sur le développement d’un modèle de fluorescence à N niveaux fonctionnant dans les régimes d'excitation ns et fs et incluant les différents mécanismes d’excitation et de désexcitation. En outre, les processus de redistribution rotationnelle (RET) et vibrationnelle (VET) ont été introduits au regard des résultats enregistrés dans un écoulement gazeux N2/NO inerte à température ambiante et dans des flammes laminaires H2/air. Les résultats expérimentaux ont révélé que selon la densité d’énergie de l’impulsion laser utilisée, des processus physico-chimiques photolytiques annexes pouvaient apparaitre lors de l’excitation de NO et modifier les spectres de fluorescence. Finalement, les mesures effectuées en flamme ont permis de proposer un concept de mesure de concentration de NO.
Abstract: In the near future, energy systems will have to satisfy energy sobriety and efficiency criteria and produce a very low impact on the environment. To meet these challenges, several solutions are proposed by engine manufacturers: alternative fuels, new combustion chamber architectures, innovative fuel injection systems. The validation of these modifications requires a detailed experimental analysis of the flow as well as the reaction mechanisms inherent to these propulsion systems. In particular, the pollutant emissions are increasingly constrained by regulations requiring them to be drastically reduce more and more rely on a detailed knowledge of the chemical mechanisms and therefore on the measurement of chemical species concentrations. To address this problematic, the use of non-intrusive laser diagnostics represents a recognized solution and, in this context, laser-induced fluorescence (LIF) has been developed and widely used so far to quantitatively probe minor species. This diagnostic is based on the use of a quasi-monochromatic laser source whose wavelength is tuned to the specific energy levels difference of the probed species. Nanosecond (ns) and picosecond (ps) laser sources are currently used for this diagnostic, as they deliver pulses of narrow spectral width for molecular selectivity, and high energies for imaging purpose. However, the low repetition rate (~10 Hz) of these sources remains a limitation. This thesis explores the opportunity of Femtosecond (fs) laser sources for fluorescence excitation of NO. These sources produce shorter temporal energy laser pulses with a high repetition rate of up to 10 kHz and constitute a promising excitation alternative to studying complex reactive flows with rapid dynamical behavior, such as flames. The one-photon excitation between A^2 Σ^+ and X^2 Π electronic levels has been studied through (0,0), (0,1) and (0,2) excitation schemes at 226, 237 and 248 nm respectively. The experimental development of LIF-fs was conducted in parallel to a theoretical and numerical model based on the development of an N-level fluorescence description able to retrieve the fluorescence signal in the ns and fs excitation regimes. This description includes the various excitation and de-excitation mechanisms. Moreover, the rotational redistribution (RET) and vibrational redistribution (VET) processes were introduced to properly retrieve the results recorded in an inert N2/NO gas flow at room temperature and in laminar H2/air flames. The experimental results revealed that, depending on the energy density of the laser pulse, photolytic processes could appear during NO excitation and modify the fluorescence spectra. Finally, the flame measurements were used to propose a concept for measuring NO concentration.

Investigation of the link between mechanical properties and microstructure of Ni20Cr alloy manufactured by laser powder bed fusion

Doctorant·e: JOSHI SHUBHAM SANJAY
Direction de thèse: KELLER CLEMENT (Directeur·trice de thèse)
LEFEBVRE WILLIAMS (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 28/09/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: Université de Rouen
Salle de conférence
Avenue de l'université
76801 Saint Etienne du Rouvray
Rapporteurs de la thèse: DUHAMEL CÉCILIE PROFESSEURE Ecole des Mines de Paris
SAINTIER NICOLAS PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS ENSAM Bordeaux
Membres du jurys: COUZINE JEAN-PHILIPPE, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Créteil
DUHAMEL CÉCILIE, PROFESSEURE, Ecole des Mines de Paris
HOR ANIS, CHERCHEUR, ISAE Supaero
HUG Eric, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Caen Normandie
KELLER CLEMENT, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Tarbes
LEFEBVRE WILLIAMS, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Rouen Normandie
SAINTIER NICOLAS, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, ENSAM Bordeaux
SIMAR AUDE, PROFESSEUR, Université de Louvain-La-Neuve

Résumé: L'objectif de cette recherche est d'établir un lien entre les caractéristiques microstructurales de l'alliage Ni20Cr résultant du processus de fusion laser sur lit de poudre (LPBF) et les propriétés mécaniques modifiées de ces matériaux. Cette relation est également comparée à celle du Ni20Cr fabriqué de manière conventionnelle. La caractérisation mécanique effectuée dans cette étude comprend les propriétés de traction à température ambiante et à haute température, ainsi que le comportement cyclique et en fatigue. Les structures cellulaires dendritiques influencent les propriétés mécaniques à température ambiante, indépendamment des paramètres de traitement LPBF, ainsi qu'à haute température. La prédiction de la contrainte d'élasticité et la modélisation de Kocks-Mecking ont été utilisées pour analyser la contribution individuelle des caractéristiques microstructurales sur les propriétés mécaniques. Pour la charge de fatigue, le LPBF augmente la résistance à la fatigue mais diminue la durée de vie en raison des défauts formés au cours du processus LPBF. Les échantillons LPBF subissent un adoucissement lors des cycles de fatigue faibles et moyens malgré leur caractère planaire. Cet adoucissement des échantillons LPBF est également causé par des changements dans les cellules de dislocation associées aux structures cellulaires dendritiques.
Abstract: The purpose of this research is to establish a link between the microstructural features of Ni20Cr alloy as a result of the laser powder bed fusion (LPBF) process and the modified mechanical properties of such materials. This relationship is also compared to that of conventionally manufactured Ni20Cr. Mechanical characterisation performed in this study includes room temperature and high temperature tensile properties, as well as cyclic and fatigue behaviour. Dendritic cellular structures are found to influence mechanical properties at room temperature, regardless of LPBF processing parameters, as well as at high temperature. Yield stress prediction and Kocks-Mecking modelling were employed to analyse the individual contribution of microstructural features on mechanical properties. For fatigue loading, LPBF increases fatigue strength but decreases fatigue life due to defects formed during the LPBF process. LPBF samples undergo softening in low and medium cycle fatigue despite having planar character. Such a softening of LPBF samples is also caused by changes in dislocation cells associated with dendritic cellular structures.

Spectroscopic study of supported MoS2 catalysts for HER electrocatalysis in acidic media

Doctorant·e: BEN NEON Limor
Direction de thèse: OLIVIERO Laetitia (Directeur·trice de thèse)
MAUGE Francoise (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 28/09/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance: CNRT
Rapporteurs de la thèse: CARRIER XAVIER Professeur des universités Sorbonne Université
LAURENTI DOROTHÉE Directeur de recherche au CNRS Université Claude Bernard - Lyon 1
Membres du jurys: BAZIN Philippe, Ingénieur de recherche, Université de Caen Normandie
CARRIER XAVIER, Professeur des universités, Sorbonne Université
GIRARD ETIENNE, Ingénieur de recherche, IFP Energies Nouvelles
LAMONIER CAROLE, Professeur des universités, Université de Lille
LAURENTI DOROTHÉE, Directeur de recherche au CNRS, Université Claude Bernard - Lyon 1
MAUGE Francoise, Directeur de recherche au CNRS, Université de Caen Normandie
OLIVIERO Laetitia, Professeur des universités, Université de Caen Normandie

Résumé: La demande de nouveaux vecteurs énergétiques ayant zéro émission de CO2 est en pleine croissance notamment pour remplacer les combustibles fossiles. L’hydrogène semble être un bon candidat puisque sa production avec zéro émission de CO2 est faisable par la photo(électro)-catalyse de l’eau. A la cathode la réduction du proton en H2 se réalise classiquement sur Pt/C. Celui-ci est considéré comme le catalyseur de référence en raison de sa résistance à l’oxydation, sa grande stabilité face à la corrosion, son affinité pour l’adsorption d’hydrogène et sa bonne conductivité. Cependant, le Pt est très onéreux empêchant la production économique de H2 à grande échelle. Afin de rendre la production d’H2 rentable, des électrocatalyseurs stables, non-toxique et efficaces doivent être développés à partir de métaux non rares et abondants. Dans ce contexte, le dichalcogenide MoS2 qui répond à tous ces critères fait l'objet de beaucoup d’attention. Toutefois, l’activité en HER de MoS2 est moins importante que celle du Pt. Lors de cette thèse un effort dans la caractérisation des sites actifs de MoS2 pour l’HER a été réalisé afin d’obtenir un aperçu plus profond sur la relation entre les caractéristiques de surface de MoS2 et l’activité HER. Ainsi MoS2 supporté a été analysé par adsorption de CO suivi par spectroscopie IR. De plus, différentes méthodes ont été appliquées pour augmenter l’exposition des sites de bord M et pour améliorer la conductivité du support TiO2. Lors de ces études plusieurs paramètres influençant l’activité HER ont été mis en évidence comme la densité électronique et la dispersion de Mo de même que la morphologie de support. Pour ce dernier, une diminution significative des pentes de Tafel a été démontrée lorsque le bulk-TiO2 a été remplacé par des nanotubes de TiO2 (TiNT). Cette amélioration du point de vue cinétique est reliée à l’augmentation de transfert de charge de TiNT sulfuré et la diminution de l’interaction MoS2/support induisant un renforcement des liaisons Mo-H. Par conséquent les paramètres clés déterminés dans ce travail donnent l’opportunité de concevoir de manière plus efficace des électrocatalyseurs pour HER.
Abstract: The demand in new energy vectors as alternatives for fossil fuels with zero CO2 emission is increasing. Hydrogen seems to be a good candidate since its production without any CO2 emission is feasible through (photo)-electrocatalytic water splitting. At the cathode, the state-of-the-art catalyst for the reduction of protons is Pt/C due to its oxygen resistance, long stability against corrosion, hydrogen adsorption affinity and good conductivity. However, platinum is expensive making scaling-up production of H2 unaffordable. In order to generate low cost energy for man-kind, stable, highly active and efficient electrocatalysts need to be developed from non-precious and earth-abundant metals. In this purpose, MoS2, a dichalcogenide which is abundant, stable, nontoxic and not expensive has received lot of attention. However, HER activity of MoS2 is lower than the one for platinum. In this PhD thesis an effort in characterizing MoS2 active sites for HER was made in order to reach a broader insight into the relation between surface characteristics of MoS2 and HER activity. By conducting IR/CO spectroscopy studies of supported MoS2 and by using different methods to increase MoS2 edge site exposition and enhance the carrier’s conductivity, several key parameters influencing HER activity were determined such as molybdenum’s electron density, Mo dispersion and the morphology of the carrier. For the latter, a significant decrease in Tafel slope was demonstrated when bulk TiO2 was replaced by TiO2 nanotubes (TiNT). This enhancement in kinetics was related to the improved charge transfer of sulfided TiNT and the weakening of MoS2/support interaction strengthening Mo-H-binding. Herein, the determined key parameters in this work give the opportunity to engineer HER electrocatalyst more efficiently and strategically.

Tectonique du Nord-Ouest Cotentin par approche Terre-Mer et implications sismo-tectoniques

Doctorant·e: KACI Tassadit
Direction de thèse: DUPERRET ANNE (Directeur·trice de thèse)
MEAR YANN (Co-directeur·trice de thèse)
GRAINDORGE DAVID (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 26/09/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: Amphithéâtre du Laboratoire LOMC 53 rue de Prony 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse: MENIER DAVID PROFESSEUR DES UNIVERSITES UNIVERSITE BRETAGNE SUD UBS
VANDYCKE SARA CHERCHEUR PERMANENT FNRS UNIVERSITE DE MONS (BELGIQUE)
Membres du jurys: BAIZE STEPHANE, CHERCHEUR, IRSN - FONTENAY-AUX-ROSES
DUGUE OLIVIER, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université de Caen Normandie
DUPERRET ANNE, MAÎTRE DE CONFERENCES (HDR), Université Le Havre Normandie
GORINI CHRISTIAN, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Sorbonne Universite
GRAINDORGE DAVID, MAÎTRE DE CONFERENCES (HDR), Universite Bret. Occidentale Ubo
MEAR YANN, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, CNAM-INTECHMER CHERBOURG EN COTENTIN
MENIER DAVID, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE BRETAGNE SUD UBS
VANDYCKE SARA, CHERCHEUR PERMANENT FNRS, UNIVERSITE DE MONS (BELGIQUE)

Résumé: La Péninsule du Cotentin (CP) est située à l'interface terre-mer de la partie septentrionale du Domaine Nord-Armoricain (DNA). Elle présente une évolution géodynamique complexe dans un contexte intraplaque, associée à une sismicité modérée et diffuse. Cette thèse vise à analyser les processus de déformation ductile et cassante dans la région du Cotentin et du Golfe Normand-Breton (CP-GNB). L'objectif est de distinguer les déformations des différentes phases orogéniques et d'étudier la déformation récente du Cénozoïque à nos jours. De plus, elle cherche à comprendre les causes de la sismicité et si celle-ci découle de la persistance du contexte d’inversion, réactivant des structures par héritage tectonique. La cartographie géologique terre-mer repose sur la compilation de données topo-bathymétriques à haute résolution couvrant la partie nord-ouest du Cotentin issues de sources variées, calibrées par des observations sur le terrain et complétées par de nouveaux profils de sismique réflexion haute résolution. L'analyse structurale montre au nord de La Hague (NW Cotentin) un socle cadomien recouvert par des unités paléozoïques, sur lesquelles reposent en discordance des unités méso-cénozoïques. Cette analyse met en évidence un réseau de failles héritées orientées N100°-110°E (LHDF1-2) et N150°-160°E (LHOF et MF) qui a guidé l'histoire structurale de la région. Une chronologie des événements géologiques ayant marqué la zone et les mouvements structuraux cénozoïques en contexte offshore ont été abordé dans cette thèse. Les différentes phases se manifestent par (i) le développement des bassins sédimentaires jurassiques (N110°E) et Crétacé supérieur à Éocène (N160°E et N060°E) et (ii) leur inversion ultérieure post-Éocène. Une faille majeure orientée N160°E (la faille offshore de la Hague) joue un rôle lors de l'extension du Crétacé supérieur, tandis que la compression post-Éocène provoque le plissement redressé des séries jurassiques et la réactivation en décrochement dextre de deux failles orientées N100°E. Les séries déformées ont été profondément incisées et recouvertes de manière discordante par des dépôts fluvio-glaciaires plio-quaternaires. Le deuxième volet abordé dans cette thèse est l'analyse de la sismicité de la région CP-GNB dans le but de comprendre comment le réseau de fractures fonctionne dans le champ de contrainte actuel. L’analyse a en premier lieu consisté en l’établissement d’un catalogue sismologique à jour pour ce secteur. La CP et le GNB montrent une sismicité diffuse qui semble se concentrer en essaims de type « clusters » au sein du GNB. Elle met en évidence l'existence d'une crise sismique près de Jersey au Sud de la CP (au sud des îles anglo-normandes). Certains séismes situés dans cette zone, datant de 2014-2015 et le séisme de Coutances en 2020, ont été analysés en détail pour améliorer leur localisation, profondeur et mécanisme au foyer. Les relocalisations suggèrent une concentration des épicentres près des zones de cisaillement cadomiennes reconnues régionalement, telles que la faille de Coutances (CoF) et la discontinuité de Saint-Germain-sur-Ay (SGD). La nouvelle analyse des solutions des mécanismes au foyer met en évidence une crise sismique importante à Jersey, avec un séisme principal qui réactive en inverse les zones de cisaillement cadomiennes N060°-N070° (CoF ou SGD) situées à proximité. Cela est suivi par une réactivation d'autres failles annexes correspondant aux failles varisques réactivées N150°E-N170°E. Le mécanisme au foyer de Coutances confirme la remobilisation de la CoF avec, en plus, une composante décrochante. Ces résultats sont cohérents avec l'état de contraintes actuel connu pour la région, avec un axe de compression maximale σ1 orienté NW-SE à NNW-SSE.
Abstract: The Cotentin Peninsula (CP) is located in the northeastern part of the North Armorican Domain (NAD). It exhibits a complex geodynamic evolution within an intraplate context, associated with moderate and diffuse seismicity. This thesis aims to analyze and describe precisely the contact between the basement and post-orogenic series and to discuss how basement rocks and structures may control and guide sedimentary basin infill and ductile/brittle deformation. A further step aims to assess how major faults of this polyphased structural setting may be reactivated in the present-day state of stress. The purpose is to describe and analyse in details the offshore structural pattern around the CP (La Hague cape) with emphasis on the offshore fault network and how it can be reactivated during Meso-Cenozoic period. Newly-acquired high-resolution bathymetric data, calibrated by field structural observations and completed by new high-resolution seismic reflection profiles, have led to the elaboration of a land-sea DEM and related geological sections, which provides a new offshore-onshore geological model of the La Hague area. Combining our newly obtained findings serves to highlight the significance of fault patterns exhibiting various trends, likely inherited, during the post-orogenic phases. These fault patterns coincide with two main aspects: Firstly, the creation of sedimentary basins in the Jurassic (oriented approximately N110°E) and in the Upper Cretaceous/Eocene (oriented approximately N160°E and N50°E). Secondly, the subsequent reversal of these basins during the period after the Eocene period. Of particular importance is a significant fault with a N160°E orientation known as the La Hague offshore fault. This fault is well-documented in relation to the extensional event that occurred during the Upper Cretaceous period. In contrast, the compressional forces following the Eocene period are evidenced through two occurrences: (i) the formation of upright folds within the Jurassic series. Second, the right-lateral movement along two faults oriented roughly N100°E, which cut across the Eocene series. This movement took place within a transpressional context. (ii) the layers that had undergone deformation were deeply carved into and subsequently covered unconformably by Plio-Quaternary fluvio-glacial deposits. Subsequently, a discussion is held about the primary structural events that have influenced the Cotentin area onshore and offshore from the late Variscan period and onwards. These events are examined within the broader geodynamic framework of the English Channel region. The second aspect addressed in this thesis is the analysis of seismicity in the CP-GNB region to understand how the fracture network operates under current stress fields. First of all, we have compiled a homogeneous and unified instrumental catalog for the period (1962-2023) provided with moment magnitude. The seismicity is characterized by a diffuse spatial distribution in the CP and NBG with a clustering in the south of Jersey island and east of Barfleur (NE Cotentin Peninsula). The main earthquake recorded offshore Jersey (2014-2015) and 2020 near Coutances reached a moment magnitude of Mw 4. The new relocation suggests an epicenter concentration near recognized Cadomian shear zones, such as the Coutances Fault (CoF) and the Saint-Germain-sur-Ay Discontinuity (SGD). The new focal mechanism solutions highlight nodal planes related to the NW-SE and ENE-SSW fault system corresponding to the reactivated Variscan faults N150°E-N170°E and the Cadomian shear zone N060°-N070° (LCSZ and SGD). The focal mechanisms are consistent with the current state of stress with a compressional and tensional axes-oriented NW-SE and NE-SW, respectively.

Erbium doped materials for bulk and waveguide laser sources emitting around 2.8um

Doctorant·e: BASYROVA Liza
Direction de thèse: CAMY Patrice (Directeur·trice de thèse)
LOIKO PAVEL (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 25/09/2023 à 10:30
Lieu de la soutenance: Salle des thèses - S3 102 - bâtiment sciences 3 - campus 2 - Université de Caen Normandie
Rapporteurs de la thèse: BOULARD BRIGITTE Maître de conférences HDR UNIVERSITE LE MANS
DRUON FREDERIC Directeur de recherche au CNRS Université Paris Saclay
Membres du jurys: BOULARD BRIGITTE, Maître de conférences HDR, UNIVERSITE LE MANS
BOULESTEIX RÉMY, Maître de conférences, Université de Limoges
CAMY Patrice, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
DRUON FREDERIC, Directeur de recherche, Université Paris Saclay
LOIKO PAVEL, Chercheur, ENSICAEN
VIANA BRUNO, Directeur de recherche au CNRS, UNIVERSITE PARIS 6 PIERRE ET MARIE CURIE

Résumé: L'objectif principal de ce travail de thèse, qui s'inscrit dans le cadre du projet ANR SPLENDID2, est d’explorer un large panel de matériaux inorganiques luminescents, à basse énergie de phonons et sous différentes formes, pour la réalisation de sources lasers et d’amplificateurs optiques ultrarapides, à faible durée d’impulsion et de haute puissance, fonctionnant autour de 2.8 µm, qui est un domaine spectral d’intérêt pour de nombreuses applications. Ce travail de thèse a plus particulièrement porté sur la croissance de couches minces monocristallines par épitaxie en phase liquide de LiYF4 et de CaF2 dopés Er3+ pour l’élaboration de guides d’ondes laser et sur leur caractérisation du point de vue physico-chimique, microstructurale et spectroscopique. D’autre part, une caractérisation approfondie des propriétés spectroscopiques de plusieurs cristaux massifs de fluorures et de céramiques transparentes de sesquioxydes dopés Er3+, a été menée. Par ailleurs, une attention particulière a été accordée aux matériaux présentant un élargissement spectral inhomogène, se traduisant par des bandes d'émission larges et lisses autour de 2,8 µm, favorables au développement de lasers impulsionnels, accordables et présentant de faibles durées d’impulsions.
Abstract: The main objective of this thesis work, which is a part of the ANR SPLENDID2 project, is to explore a wide range of luminescent inorganic materials, presenting a low phonon energy and in various shapes, for the realization of high-power, ultrafast, and short pulse laser sources and high repetition rate optical amplifiers, operating around 2.8 µm, which is a spectral range of interest for many applications. This thesis work has focused on the growth of single crystalline thin films by liquid phase epitaxy of Er3+-doped LiYF4 and CaF2 for the development of laser waveguides and characterization of their physicochemical, microstructural, and spectroscopic properties. In addition, an in-depth characterization of the spectroscopic properties of several Er3+-doped fluoride single-crystals and transparent ceramics of sesquioxides was performed. Moreover, particular attention has been given to materials presenting inhomogeneous spectral broadening, leading to wide and smooth emission bands around 2.8 µm, which are favorable for the development of pulsed tunable lasers with short pulse durations.

Investigating the impact of pervious concrete on Urban Heat Island Phenomena: A Multi-Scale Approach

Doctorant·e: HADDAD Bechara
Direction de thèse: BOUTOUIL MOHAMED (Directeur·trice de thèse)
BOUDART Bertrand (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 25/09/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: Builders
Rapporteurs de la thèse: ETXEBERRIA MIREN Professeur associé Université de BARCELONE - ESPAGNE
SHAHROUR ISAM Professeur des universités Université de Lille
Membres du jurys: BOUDART Bertrand, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
BOUTOUIL MOHAMED, Directeur de recherche, BUILDERS ECOLE D'INGENIEURS CAEN
ETXEBERRIA MIREN, Professeur associé, Université de BARCELONE - ESPAGNE
SHAHROUR ISAM, Professeur des universités, Université de Lille

Résumé: Cette thèse entreprend une analyse exhaustive de l'effet de l'îlot de chaleur urbain (ICU) et du rôle des matériaux de construction avant-gardistes, principalement le béton drainant, dans son atténuation. L'exploration s'approfondit dans les répercussions et les facteurs amplificateurs du phénomène ICU, en mettant l'accent sur l'application de surfaces synthétiques absorbant la chaleur. Les caractéristiques uniques du béton drainant, sa méthodologie de fabrication et les augmentations potentielles par l'intermédiaire d'additifs et de matériaux alternatifs sont minutieusement disséquées. De plus, la recherche sonde l'assimilation de composants écologiquement durables tels que les granulats recyclés, la chènevotte et la fibre de lin dans les compositions de béton et leurs indices de performance conséquents. La recherche s'étend pour inclure une analyse expérimentale complexe de ces mélanges de béton, en évaluant leurs caractéristiques mécaniques, hydriques et hygrothermiques, qui sont essentielles pour la gestion de l'eau et l'atténuation de l'effet ICU. L'enquête se tourne vers des matériaux de pavage alternatifs et leur contribution potentielle à l'atténuation de l'ICU via des essais en laboratoire exhaustifs. Une analyse analytique des traits mécaniques, hydriques et hygrothermiques exceptionnels du béton drainant, de son processus de fabrication et des améliorations potentielles via des additifs et des matériaux alternatifs est réalisée. Cette investigation persiste à atteindre une résistance à la compression mécanique comparable au point de référence, même avec la substitution des granulats naturels par des co-produits (tels que les granulats recyclés, la chènevotte et la fibre de lin), dépassant invariablement le seuil de 9 MPa, ce qui signifie l'emploi fonctionnel de ces revêtements. La thèse se poursuit avec une analyse expérimentale complète de ces mélanges de béton, testant leur remarquable propension pour l'interaction avec l'eau. Le revêtement innovant avec la substitution des granulats naturels par des co-produits (tels que les granulats recyclés, la chènevotte et la fibre de lin), est classifié comme drainant, affichant des valeurs supérieures comparées à la référence, et des blocs retenant l'eau avec une capacité exceptionnelle de retenir plus de 180 kg/m3 d'eau. Ces caractéristiques soulignent la spécification des pavages à la fois perméables et frais. Des méthodologies statistiques sophistiquées, couplées à des simulations du monde réel, sont utilisées pour révéler des corrélations substantielles et les efficacités pratiques de ces matériaux dans les scénarios ICU. Le segment final de la thèse formule un modèle prédictif basé sur les données du projet Freshecopavers pour évaluer les performances de ces matériaux dans des conditions climatiques variables, permettant ainsi une planification urbaine responsive au climat. Ce modèle a en outre facilité la conception et le développement d'une chambre climatique, un environnement régulé capable de reproduire une gamme de conditions climatiques. Cette chambre climatique comble le fossé entre les prédictions théoriques et les observations pratiques en nous permettant de simuler et d'analyser les performances des matériaux de pavage prescrits sous des conditions climatiques simulées. Les résultats suggèrent que les bétons perméables possédant des propriétés hygriques significatives présentent des résultats plus avantageux sous des conditions humides, tandis que les pavages démontrant une performance thermique supérieure se sont révélés comme le choix optimal sous des conditions climatiques sèches. En résumé, cette investigation multi-échelle contribue à l'enrichissement des connaissances scientifiques dans le domaine du développement urbain durable, offrant des aperçus substantiels sur les matériaux innovants et les stratégies pour l'atténuation de l'ICU et la résilience face au changement climatique.
Abstract: This thesis undertakes a comprehensive scrutiny of the Urban Heat Island (UHI) effect and the function of avant-garde construction materials, predominantly pervious concrete, in its amelioration. The exploration deepens into the repercussions and amplifying factors of the UHI phenomenon, laying emphasis on the application of heat-absorbing synthetic surfaces. The unique characteristics of pervious concrete, its fabrication methodology, and prospective augmentations via additives and alternate materials are meticulously dissected. In addition, the research probes the assimilation of environmentally sustainable constituents such as recycled aggregates, hemp shiv, and flax fiber into the concrete compositions and their consequent performance indices. The research expands to include an intricate experimental examination of these concrete blends, evaluating their mechanical, hydric, and hygrothermal characteristics, which are vital for water management and mitigation of the UHI effect. The probe reaches out to alternative pavement materials and their potential contribution towards UHI alleviation via exhaustive laboratory-grade trials. An analytical scrutiny into the exceptional mechanical, hydric, and hygrothermal traits of pervious concrete, its manufacturing process, and potential enhancements via additives and alternative materials is carried out. This investigation persists in achieving a mechanical compression resistance comparable to the reference point, even with the substitution of natural aggregates with by-products (such as recycled aggregates, hemp shiv, and flax fiber), invariably exceeding the 9 MPa threshold, signifying the functional employment of permeable pavements. The dissertation proceeds with a comprehensive experimental analysis of these concrete mixtures, testing their remarkable proclivity for water interaction. The innovative pavement with the substitution of natural aggregates with by-products (such as recycled aggregates, hemp shiv, and flax fiber), is classified as permeable, boasting superior values compared to the control, and water-retaining blocks with an outstanding ability to retain in excess of 180 kg/m^3 of water. These characteristics underscore the specification of both permeable and cool pavements. Sophisticated statistical methodologies, coupled with real-world simulations, are employed to disclose substantial correlations and practical efficiencies of these materials in UHI scenarios. The concluding segment of the dissertation formulates a predictive model based on data from the Freshecopavers project to evaluate the performance of these materials under varying climatic conditions, thereby enabling climate-responsive urban planning. This model has further facilitated the design and development of a climatic chamber, a regulated environment capable of replicating a range of climatic conditions. This climatic chamber bridges the gap between theoretical predictions and practical observations by enabling us to simulate and scrutinize the performance of the prescribed pavement materials under simulated climatic conditions. The findings suggest that permeable pavements possessing significant hygric properties exhibit more advantageous results under humid conditions, whereas pavements demonstrating superior thermal performance emerged as the optimal choice under dry climatic conditions. In summary, this multi-scale investigation contributes to the enrichment of scientific knowledge in the domain of sustainable urban development, offering substantial insights into innovative materials and strategies for UHI mitigation and climate change resilience.

Fiabilité des systèmes électroniques multiphysiques en environnement critique : application à l'optimisation des composants BGA

Doctorant·e: GHENAM SINDA
Direction de thèse: EL HAMI ABDELKHALAK (Directeur·trice de thèse)
AKROUT ALI (Co-directeur·trice de thèse)
HADDAR MOHAMED (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 21/09/2023 à 15:00
Lieu de la soutenance: INSA Rouen Normandie
Bâtiment Dumont d'Urville 2ème étage Salle DU-A-R2-04
685 avenue de l'université
76801 SAINT-ETIENNE-DU-ROUVRAY
Rapporteurs de la thèse: GHORBEL ELHEM PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS CY Cergy Paris Université
ICHCHOU MOHAMED PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS École Centrale de Lyon
Membres du jurys: AKROUT ALI, PROFESSEUR, Faculté des sciences de Sfax
CHOLEY JEAN-YVES, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, SAE- SUPMECA Institut Supérieure de Mécanique de Paris
EL HAMI ABDELKHALAK, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
GHORBEL ELHEM, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, CY Cergy Paris Université
HADDAR MOHAMED, PROFESSEUR, École Nationale d'Ingénieurs de Sfax - ENIS
ICHCHOU MOHAMED, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, École Centrale de Lyon
SAOUAB ABDELGHANI, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université Le Havre Normandie
WALHA LASSAAD, PROFESSEUR, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Sfax

Résumé: L'électronique occupe une place prépondérante dans notre société moderne, jouant un rôle essentiel dans les domaines des communications, de l'informatique et de l'industrie. La fiabilité des composants électroniques est primordiale pour garantir des performances durables et un fonctionnement optimal des appareils électroniques. Parmi les nombreux composants des systèmes électroniques, les joints de soudure, en particulier ceux utilisés dans les composants Ball Grid Array (BGA), jouent un rôle crucial dans la connexion fiable des composants. Cette recherche s'inscrit dans une approche rigoureuse et méthodique visant à étudier en détail la fiabilité et à optimiser la conception des joints de soudure pour les composants BGA. Pour atteindre ces objectifs, des outils de modélisation numérique tels que ANSYS Workbench et APDL ont été utilisés pour simuler et analyser le comportement des joints de soudure. De plus, l'utilisation de MATLAB en conjonction avec ANSYS a permis d'optimiser les paramètres de conception des joints de soudure. L'étude se concentre sur l'identification des principaux facteurs de défaillance des joints de soudure, en tenant compte de variables telles que la géométrie, les matériaux, les conditions de refusion et les contraintes thermomécaniques. Une attention particulière a été accordée au couplage électro-thermomécanique des joints de soudure, afin de comprendre son impact sur la fiabilité des composants BGA. Dans le cadre de cette recherche, trois générations principales d'alliages de joints de soudure ont été étudiées. Une analyse de fatigue a été réalisée pour évaluer la performance et la fiabilité de ces alliages, ce qui a permis de sélectionner l'alliage le plus fiable parmi les trois. Des simulations avancées ont été effectuées pour analyser le comportement des joints de soudure dans différentes conditions de charge, évaluant ainsi leurs performances mécaniques et leur fiabilité. L'optimisation déterministe (DDO) a été utilisée pour améliorer la conception des joints de soudure et optimiser leurs performances mécaniques. De plus, une approche d'optimisation de la fiabilité (RBDO) a été développée pour prendre en compte les incertitudes liées aux matériaux, aux conditions de charge et au vieillissement des joints de soudure. Cette approche permet d'améliorer la prise de décision en matière de conception en prenant en considération les aspects de fiabilité. Cette thèse présente une approche approfondie et complète, combinant des outils de modélisation numérique tels que ANSYS Workbench, APDL et MATLAB, pour optimiser les joints de soudure des composants BGA. Les principaux objectifs de cette recherche sont d'identifier les facteurs de défaillance, d'étudier le couplage électro-thermomécanique des joints de soudure, de sélectionner l'alliage le plus fiable parmi les trois générations étudiées, et enfin, d'améliorer la conception des joints de soudure par l'optimisation déterministe (DDO). Le but ultime de cette étude est d'augmenter la fiabilité et l'efficacité des joints de soudure dans les composants BGA en utilisant une approche intégrée de modélisation numérique et d'optimisation, tout en prenant en compte les aspects de couplage électro-thermomécanique et les incertitudes liées aux matériaux, aux conditions de charge et au vieillissement.
Abstract: Electronics play a crucial role in our modern society, encompassing areas such as communications, computing, and industry. The reliability of electronic components is essential to ensure sustainable performance and optimal operation of electronic devices. Among the various components in electronic systems, solder joints, particularly those used in Ball Grid Array (BGA) components, play a critical role in reliable component interconnection. This research follows a rigorous and systematic approach aimed at studying the reliability and optimizing the design of solder joints for BGA components. To achieve these objectives, advanced numerical modeling tools such as ANSYS Workbench and APDL were employed to simulate and analyze the behavior of solder joints. Additionally, the utilization of MATLAB in conjunction with ANSYS facilitated the optimization of solder joint design parameters. The study primarily focuses on identifying the key failure factors associated with solder joints, taking into consideration various variables such as geometry, materials, reflow conditions, and thermomechanical stresses. Special attention has been given to studying the electro-thermo-mechanical coupling effects of solder joints to understand their impact on the reliability of BGA components. Within this research framework, three main generations of solder alloy compositions have been investigated. Fatigue analysis was conducted to evaluate the performance and reliability of these alloys, leading to the selection of the most reliable alloy among the three. Advanced simulations were carried out to analyze the behavior of solder joints under different loading conditions, thus assessing their mechanical performance and reliability. Deterministic Design Optimization (DDO) techniques were employed to enhance solder joint design and optimize their mechanical performance. Furthermore, a Reliability-Based Design Optimization (RBDO) approach was developed to account for uncertainties associated with materials, loading conditions, and solder joint aging. This approach enhances the decision-making process in design by considering reliability aspects. This thesis presents a comprehensive and thorough approach, integrating numerical modeling tools such as ANSYS Workbench, APDL, and MATLAB, to optimize solder joints in BGA components. The main objectives of this research are to identify failure factors, study the electro-thermo-mechanical coupling effects of solder joints, select the most reliable alloy among the studied generations, and ultimately improve solder joint design through Deterministic Design Optimization (DDO). The ultimate goal of this study is to enhance the reliability and efficiency of solder joints in BGA components, utilizing an integrated approach of numerical modeling and optimization while considering the aspects of electro-thermo-mechanical coupling and uncertainties associated with materials, loading conditions, and aging.

Prise en compte d'incertitudes pour la conception robuste et fiable des systèmes complexes : Application sur le cas d'éolienne

Doctorant·e: HADJ KACEM MOUNA
Direction de thèse: EL HAMI ABDELKHALAK (Directeur·trice de thèse)
WALHA LASSAAD (Co-directeur·trice de thèse)
HADDAR MOHAMED (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 21/09/2023 à 09:00
Lieu de la soutenance: INSA Rouen Normandie
Bâtiment Dumont d'Urville 2ème étage Salle DU-A-R2-04
685 avenue de l'université
76801 SAINT-ETIENNE-DU-ROUVRAY
Rapporteurs de la thèse: CHOLEY JEAN-YVES DIRECTEUR DE RECHERCHE SAE- SUPMECA Institut Supérieure de Mécanique de Paris
ICHCHOU MOHAMED PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS Ecole Centrale de Lyon
Membres du jurys: CHOLEY JEAN-YVES, DIRECTEUR DE RECHERCHE, SAE- SUPMECA Institut Supérieure de Mécanique de Paris
EL HAMI ABDELKHALAK, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, INSA de Rouen Normandie
FAKHFAKH TAHAR, PROFESSEUR, ENIS- Sfax Ecole Nationale des Ingénieurs de Sfax
GHORBEL ELHEM, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université de Cergy Pontoise
HADDAR MOHAMED, PROFESSEUR, Ecole Nationale des ingénieurs de Sfax
ICHCHOU MOHAMED, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Ecole Centrale de Lyon
SAOUAB ABDELGHANI, PROFESSEUR DES UNIVERSITÉS, Université Le Havre Normandie
WALHA LASSAAD, PROFESSEUR, Ecole Nationale des ingénieurs de Sfax

Résumé: Ce travail de recherche se penche sur la robustesse d’un système complexe, en mettant en ‎lumière le comportement vibratoire du système de transmission à double étage d’une éolienne. ‎Pour aborder cette complexité, une première étude examine l’impact de l’incertitude sur une ‎seule variable, ce qui permet de comprendre comment chaque paramètre influence le ‎comportement du système, par par rapport à l’incertitude impliquant plusieurs variables ‎simultanément. Cette analyse comparative démontre que l’effet de l’incertitude multivariable ‎ne se résume pas à la somme des effets de l’incertitude uni-variable.‎ Dans le contexte des systèmes complexes, ou l’accent est souvent mis sur leur caractère non-‎linéaire, leur dynamique et leurs interactions avec l’environnement, une seconde analyse est ‎entreprise. Cette analyse consiste à soumettre le même système à une excitation non-linéaire ‎afin d’étudier sa robustesse. A ce stade, l’attention se porte sur les paramètres des sous-‎systèmes en interaction avec le système de transmission. Cette étude implique la prise en ‎compte de l’incertitude, qu’elle concerne une seule variable ou plusieurs variable ‎simultanément ( avec deux paramètres), dans le but de mieux comprendre les influences ‎potentielles pouvant être exercées sur la réponse dynamique du système. Cela s’opère en ‎manipulant les incertitudes associées aux paramètres des autres sous-système en interaction, ce ‎qui nous conduit à des conditions complexes.‎ Par conséquent, il est clair que la robustesse d’un système complexe ne se résume pas à la ‎robustesse individuelle de ses sous-systèmes. Au contraire, elle exige une analyse approfondie ‎et des calculs qui intègrent un maximum de données pour examiner la véritable résilience du ‎système complexe dans son ensemble.‎
Abstract: This research delves into the robustness of a complex system, with a focus on the vibrational ‎behavior of a two-stage transmission system in a wind turbine. To tackle tbis complexity, the ‎first study examines how uncertainty impacts a single variable, aiming to understand how ‎each parameter affects the system’s behavior compared to when uncertainty involves multiple ‎variables simultaneously. This comparative analysis reveals that the effect of multivariable ‎uncertainty is not merely an aggregation of univariable uncertainties.‎ In the context of complex systems, where the emphasis often lies on their non-linear nature, ‎dynamics, and interactions with the invironment, a second analysis is conducted. This analysis ‎involves subjectingthe same system to non-linear excitation to study its robustness. At this ‎stage, the focus shifts to the parameters of subsystems interacting with the transmission ‎system. This study involves considering uncertainty, whether it pertains to a single variable or ‎multiple variables simultaneously( with two parameters), with the aim of better understanding ‎potential influences on the system’s dynamic response. This is achieved by managing ‎uncertainties related to the parameters of other interacting subsystems, leading us into ‎intricate conditions.‎ As result, it becomes clear that the robustness of a complex system cannot be simplified to the ‎individual robustness of its subsystems. Instead, it calls for a thorough analysis and ‎calculations that incorporate as much data as possible to examine the genuine resilience of the ‎complex system as a whole.‎

Caractérisation de l'aération dans la modélisation numérique des impacts liquide/solide

Doctorant·e: HAMDANI Hakim
Direction de thèse: REVEILLON JULIEN (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 21/09/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance: Université de Rouen Normandie
Rapporteurs de la thèse: FERNANDES DE CARVALHO RITA Professeur des Universités Université de Coimbra (PORTUGAL)
FRANQUET ERWIN Professeur des Universités Universite Cote d'Azur
Membres du jurys: ABADIE STEPHANE, Professeur des Universités, Université de Pau et des Pays de l'Adour
DURET BENJAMIN, Maître de Conférences, Université de Rouen Normandie
FERNANDES DE CARVALHO RITA, Professeur des Universités, Université de Coimbra (PORTUGAL)
FRANQUET ERWIN, Professeur des Universités, Universite Cote d'Azur
JAVIER ANEZ PERDOMO, ,
PINON GRÉGORY, Professeur des Universités, Université Le Havre Normandie
REVEILLON JULIEN, Professeur des Universités, Université de Rouen Normandie

Résumé: Les impacts hydrodynamiques sont très fréquents dans les applications naturelles et industrielles, de l'impact des vagues sur les structures portuaires aux déversements de barrages dans les installations hydroélectriques. Il est indispensable d'étudier ces impacts pour prédire les charges associées et prévenir la fatigue, l'érosion et même la rupture des structures. Lorsque l'eau et l'air interagissent au cours de ces écoulements complexes à surface libre, l'air peut être entraîné ou piégé dans l'eau, ce qui crée un impact de liquide aéré. L'aération peut prendre la forme d'un mélange de petites bulles d'air et d'eau ou de structures liquides à grande échelle entourées d'air. Des coussins ou des poches d'air peuvent également être observés. La dynamique des fluides numérique (CFD) est un outil puissant pour simuler des configurations réelles à grande échelle et résoudre certaines des complexités mentionnées ci-dessus. Dans cette étude, nous utiliserons des approches différentes pour modéliser l'impact d'une plaque ronde contre de l'eau au repos (phénomène de slamming) et l'impact d'un jet d'eau en chute libre (nappe d'eau) de $10 m$ de hauteur sur une plaque horizontale en utilisant OpenFOAM, un code open-source développé en C++ pour résoudre les équations de la dynamique des fluides avec la méthode des volumes finis. Les résultats numériques pour les charges d'impact (par exemple les pressions d'impact et l'impulsion) ont été comparés aux données expérimentales pour les deux applications. L'analyse du slamming, nous a permis de constater que la convergence en maille des pics de pression d'impact est un blocage majeur. En revanche, la convergence en maillage pour l'impulsion de pression peut être vérifiée. Cette étude s'est intéressée également aux effets de l'aération et de la courbure d'une plaque. Les résultats obtenus sont significatifs, car ils démontrent que ces deux facteurs permettent de dissiper l'énergie lors d'un impact liquide-solide. En conséquence, les charges hydrodynamiques diminuent de manière importante. L'analyse de la chute d'eau a révélé la complexité de cet écoulement, posant plusieurs défis numériques à résoudre, tels que les échelles réduites de turbulence et les inclusions liquides ou gazeuses à petite échelle. Par conséquent, nous avons développé une procédure numérique pour isoler la zone d'impact avec plus de précision. Comparé au cas du slamming, nous avons constaté une convergence de maillage plus fiable, notamment pour les pressions d'impact grâce à l'effet de mouillabilité induit par l'impact continu de l'eau.
Abstract: Hydrodynamic impacts are widespread in both natural and industrial applications, from wave impact on port structures to dam spills dedicated to hydroelectric installations. Studying these impacts is crucial to predicting the associated loads and preventing structures from fatigue, erosion, and even fractures. When water and air interact during these complex free surface flows, air can become entrained/trapped into the water, creating an aerated liquid impact. This can cause pressure oscillations, resulting in positive and negative forces on the structure. The aeration can be a mixture of small air bubbles and water or large-scale liquid structures surrounded by air. Air cushions or pockets can also be observed. Computational fluid dynamics (CFD) is a powerful tool for simulating real-size configurations with large scales and resolving some of the complexities mentioned above. In this study, we will use different approaches to model the impact of a round plate against water at rest and the impact of a water jet in free fall (water sheet) of $10 m$ on a horizontal plate using OpenFOAM, an open-source code developed in C++ for solving the fluid dynamic equations with the finite volume method. Numerical results for impact loads (e.g. impact pressures and impulses) were compared with experimental data for both applications. We find for the slamming analysis that the mesh convergence for the impact peak pressure is a major stumbling block. On the other hand, the mesh convergence of the pressure impulse may be verified. This study also investigated the effects of aeration and plate curvature. The results obtained are significant, demonstrating that these two factors dissipate energy during a liquid-solid impact. As a consequence, hydrodynamic loads are significantly reduced. The waterfall analysis revealed the complexity of this flow, presenting several numerical challenges to be resolved, such as small turbulence scales and small-scale liquid or gaseous inclusions. We have therefore developed a numerical procedure to isolate the impact zone more accurately. Compared with the slamming case, we found more reliable mesh convergence, particularly for impact pressures thanks to the wettability effect induced by continuous water impact.

Pronostic des batteries lithium en utilisant l'intelligence artificielle

Doctorant·e: HAMMOU Abdelilah
Direction de thèse: GUALOUS Hamid (Directeur·trice de thèse)
DIALLO DEMBA (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 21/09/2023 à 09:00
Lieu de la soutenance: Université de Caen Normandie - site de Saint Lô
Rapporteurs de la thèse: BENBOUZID MOHAMED Professeur des universités Universite Bret. Occidentale Ubo
FORGEZ CHRISTOPHE Professeur des universités UNIV TECHNOLOGIE COMPIEGNE UTC COMPIEGNE
Membres du jurys: BENBOUZID MOHAMED, Professeur des universités, Universite Bret. Occidentale Ubo
DIALLO Demba, Professeur des universités, Université Paris Saclay
FORGEZ CHRISTOPHE, Professeur des universités, UNIV TECHNOLOGIE COMPIEGNE UTC COMPIEGNE
GUALOUS Hamid, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
HINAJE MELIKA, Professeur des universités, Université de Lorraine
PETRONE Raffaele, Maître de conférences, Université de Caen Normandie

Résumé: Les batteries lithium-ion dominent le secteur du transport en raison de leurs performances supérieures en comparaison avec d’autres systèmes de stockage. Toutefois, en raison de leur vieillissement et leurs conditions de fonctionnement, les performances de ces systèmes de stockage diminuent avec le temps et le taux d’utilisation. De ce fait, le suivi de l’état de santé des batteries lithium est nécessaire pour un fonctionnent efficace et sécurisé. L’objectif de ce travail est d’établir des méthodes pour l’estimation et la prédiction de l’état de santé des batteries en se basent sur les données de vieillissement générées expérimentalement. La première partie de ce travail s’est concentrée sur l’étude expérimentale de la sensibilité des paramètres du modèle de circuit électrique équivalent, à la variation du courant de décharge. Les résultats ont montré que la résistance et la capacité de polarisation dépendent du taux du courant de décharge. En revanche, la résistance série est le paramètre le moins sensible aux variations du courant. La deuxième partie s’est focalisée sur la génération des données expérimentales du vieillissement de la batterie, afin d'évaluer le comportement de la cellule dans des conditions de fonctionnement proches de celles des véhicules. Dans ces tests, les cellules sont cyclées avec un profil de courant extrait de la procédure d'essai mondial harmonisée pour les véhicules légers (WLTC). Les résultats ont montré que la capacité et l'énergie de la batterie diminuent avec l'augmentation du nombre des cycles. L'étude de l'effet de la fenêtre de l’état de charge a montré que la réduction de la fenêtre de l’état de charge de 100 %-0 % à 80 %-20 % contribue à prolonger la durée de vie de la batterie pour les cellules NMC. En revanche, pour les cellules LFP, a un effet inverse sur leur durée de vie. Les données expérimentales de vieillissement sont également utilisées pour dériver des modèles de diagnostic et de pronostic pour les cellules. Les modèles s'appuient sur les mesures disponibles telles que le courant, la tension et la température afin d'estimer l’état de santé des batteries. Trois modèles de diagnostic sont présentés et discutés : le premier modèle est basé sur la combinaison des auto-encodeurs et des réseaux de neurones LSTM pour l’estimation de la capacité et de l'énergie des cellules. Le second modèle analyse les caractéristiques statistiques de la réponse en tension de la cellule sous un profil de courant dynamique. Les résultats ont montré que la divergence de Kullback-Leibler est fortement corrélée à l'état de santé de la batterie. Le troisième modèle de diagnostic est basé sur un modèle analytique pour estimer l'énergie et la capacité de la batterie à partir des caractéristiques basées sur l'énergie. Ces caractéristiques sont extraites lors d’un court segment de décharge, ce qui en fait le modèle le plus adapté aux applications véhiculaires. Concernant le pronostic des batteries, quatre modèles sont développés pour prédire la capacité de la cellule : LSTM, GRU, ESN et GPR. Ces modèles de pronostic sont testés et évalués dans deux scénarios. Le premier scénario utilise les capacités mesurées, tandis que le second utilise les capacités estimées comme données d'entraînement. Les modèles de pronostic sont évalués en considérant trois stades de vieillissement des batteries : prématuré, moyen et avancé. Les résultats montrent que l'ESN fournit des prédictions précises de la capacité et nécessite moins de temps d'apprentissage, ce qui le rend adapté aux applications des véhicules.
Abstract: Lithium-ion batteries are dominating the EV market due to their higher performance in comparison with other energy storage systems. However, as any electrochemical system the lithium-ion batteries suffer from several side reactions that lead to the fade of their performance and increase the risks of the system failure. Therefore, the state-of-health monitoring of these energy storage systems is necessary for an efficient and safe operation of the battery system. This PhD thesis contributes to this topic: where it exploits the ageing data extracted from battery cycling tests to derive diagnostic and prognostic approaches. The first part of this study focuses on the experimental investigation of the sensitivity the equivalent circuit model’s parameters to the discharge current rate. The results show that the polarization capacitance and resistance vary with the variation of the current rate, while the series resistance is the less parameter sensitive to the current rate. The second part aims to study the ageing effect on the performances of the cells and generate experimental data of battery cycling. During these tests, the cells are cycled using a dynamic current profile extracted from the Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Cycle (WLTC). The obtained results show that the cells’ capacity and energy decrease with the increasing of the performed cycles. The investigation on the effect of the SoC cycling window showed that reducing the SoC window from 100%-0% to 80%-20% contributes to the extension of the battery lifetime for NMC cells. In contrast, for LFP cells, the SoC window reduction has an inverse effect on their lifetime. The experimental data generated are used then to design and evaluate the diagnosis of the prognosis approaches for the lithium-ion cells. Concerning the diagnosis approaches, the derived methods aim to estimate the health indicators from the available measurements such as current, voltage and temperature. This work presented and evaluated three diagnosis methods: The first method, combines the auto-encoders with the LSTM neural networks for the estimation of the cell’s capacity and energy. The second method focuses on the investigation of the statistical features of the voltage measurement. The results show that the Kullback-Leibler Divergence is strongly correlated with the battery state of health. The third diagnosis model is based on an analytical model to estimate the battery energy and capacity from energy-based features. These features are extracted from a short segment of battery discharge, which makes it the most suitable for vehicular applications. Concerning the prognosis, four models are developed to predict battery capacity: LSTM, GRU, ESN and GPR. These prognostic models are tested and evaluated considering two scenarios: the first one uses measured capacities, while the second uses estimated capacities as training data. The prognostic models are evaluated by considering three percentages of training data corresponding to three stages of cycle ageing: premature, medium and advanced. The results showed that ESN provides accurate predictions of cell capacity and requires less training time, making it suitable for vehicular applications.

Contribution to the Development of Axial Flux Machines for Small Wind Turbine Applications

Doctorant·e: HATOUM Mostafa
Direction de thèse: BARAKAT GEORGES (Directeur·trice de thèse)
AMARA YACINE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 20/09/2023 à 10:30
Lieu de la soutenance: I.S.E.L. 11 quai Frissard 76600 LE HAVRE
Rapporteurs de la thèse: LECOINTE JEAN-PHILIPPE PROFESSEUR DES UNIVERSITES Universite Artois
SERGEANT PETER PROFESSEUR GHENT UNIVERSITY DE PINTELAAN (BEL)
Membres du jurys: AMARA YACINE, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université Le Havre Normandie
BARAKAT GEORGES, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Université Le Havre Normandie
LECOINTE JEAN-PHILIPPE, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, Universite Artois
MATT DANIEL, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
SERGEANT PETER, PROFESSEUR, GHENT UNIVERSITY DE PINTELAAN (BEL)
ZIEGLER NICOLAS, DOCTEUR, ERNEO - MONTPELLIER

Résumé: Le travail accompli dans cette thèse traite la problématique de la conception des générateurs de petite puissance pour des applications éoliennes. Dans les premiers phases de la conception, il a été nécessaire de développer des outils de pré-dimensionnement rapide de la machine tout en gardant une précision acceptable avant de vérifier les performances en utilisant une méthode plus précise comme les éléments finis. Ainsi, des outils de dimensionnement analytique et de constantes localisées ont été développés pour modéliser la machine magnétiquement et thermiquement. Pour la partie magnétique, une méthode analytique issu de la résolution formelle des équations de Maxwell été développée, ainsi qu’un modèle de réseau de reluctance maillé, et pour la partie thermique une modèle thermique nodal. Le modèle reluctant développé a été testé sur une machine à reluctance variable à flux axial dans le cas du linéaire et non linéaire pour une version multicouche et pour une version quasi-3D. Parmi les 2 modèles analytique et reluctant, le modèle analytique a été choisi pour le pré-dimensionnement magnétique de la machine et une topologie à flux axial à rotor interne et 2 stators à aimants montées en surface a été choisi pour cette machine. Les performances thermiques ont été évaluées par le biais d’un modèle thermique nodal, et les performances magnétiques par un modèle éléments finis. Le comportement mécanique du disque rotorique était étudié à l’aide d’un modèle éléments finis mécanique.
Abstract: The work done in this thesis deals with the design of small power generators for wind turbine applications. In the early stages of the design, it was necessary to develop tools for rapid machine pre-sizing while maintaining acceptable accuracy before verifying the performance using a more accurate method such as finite elements. Thus, analytical and lumped parameter sizing tools have been developed to model the machine magnetically and thermally. For the magnetic part, an analytical method based on the formal solution of Maxwell's equations was developed, as well as a model of a mesh based reluctance network, and for the thermal part a nodal thermal model. The reluctance network model was tested on an axial flux switched reluctance machine for both linear and nonlinear ferromagnetic material and for a multi-slice version and a quasi-3D version. Between the analytical model and the reluctance network model, the analytical model was chosen for the magnetic pre-sizing of the machine and a double stator single rotor axial flux topology with surface mounted permanent magnets was chosen. The thermal performance of the machine was evaluated using a nodal thermal model, and magnetic performance was evaluated by a finite element model. The mechanical behavior of the rotor disc was studied using a mechanical finite element model.

Multiscale investigation of thermal and hydric behavior of buildings - Integration of artificial intelligence in building energy simulation

Doctorant·e: HAMDAOUI Mohamed Ali
Direction de thèse: SEBAIBI NASSIM (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 20/09/2023 à 13:45
Lieu de la soutenance: Amphi 205, Builders École d’ingénieurs

Campus 2, Université de Caen Normandie

Boulevard Maréchal Juin

14000 Caen
Rapporteurs de la thèse: COLLET FLORENCE Professeur des universités UNIVERSITE RENNES 1
YOUNSI ZOHIR Maître de conférences HDR Ecole des hautes études d'ingénieur (HEI) Junia
Membres du jurys: BOURDOT ALEXANDRA, Maître de conférences, École normale supérieure Paris-Saclay
BOUTOUIL MOHAMED, Directeur de recherche, BUILDERS ECOLE D'INGENIEURS CAEN
COLLET FLORENCE, Professeur des universités, UNIVERSITE RENNES 1
SEBAIBI NASSIM, Maître de conférences HDR, BUILDERS ECOLE D'INGENIEURS CAEN
YOUNSI ZOHIR, Maître de conférences HDR, Ecole des hautes études d'ingénieur (HEI) Junia

Résumé: En raison de la demande en hausse des besoins énergétiques des bâtiments et de leurs éventuelles implications environnementales, il apparaît que les matériaux à faible teneur en carbone sont un moyen efficace d'améliorer le confort thermique, la qualité de l'air intérieur, la consommation d'énergie, ainsi le contrôle de l'humidité à l'intérieur. Un modèle énergétique peut être développé pour évaluer les économies qui pourraient être réalisées lors d'une rénovation ou d'une nouvelle construction. La réponse hygrothermique dynamique d'un tel type d`enveloppe est encore sans données de référence. En vue de vérifier le modèle énergétique évoqué, l'objectif principal de notre thèse de doctorat est d'établir un ensemble de paramètres numériques et expérimentaux adéquats. Les avantages de l'utilisation d'enveloppes hygroscopiques dans des applications réelles en termes d'économies d'énergie et de réduction de l'impact sur l'environnement seront ensuite déterminés sur la base des résultats du modèle. De nombreux modèles numériques seront créés et améliorés afin d'atteindre ces objectifs, car ils constituent les principales fondations du projet. La modélisation des transferts couplés de chaleur et de masse est un véritable défi en raison de la complexité de la physique du mouvement de masse à travers des matériaux hygroscopiques qui sont susceptibles de conserver l'humidité. Afin d'anticiper avec précision le comportement thermo-hydrique des matériaux hygroscopiques, tels que les enveloppes des bâtiments, une analyse multi-échelle a été réalisée à l'aide d'approches expérimentales et numériques. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour valider les modèles numériques développés, lesquels sont capables de reproduire les variations de l'humidité relative et de la température à l'intérieur des bâtiments. Le cadre de notre recherche comprend à la fois la continuation des travaux précédents et la validation des résultats de la co-simulation dynamique entre l'intelligence artificielle et la simulation énergétique des bâtiments (AI-BES). Ces modèles sont utilisés pour simuler le transfert de chaleur et de masse entre les milieux intérieur et extérieur à l'échelle du bâtiment. En transformant les données thermiques traditionnelles en données hygrothermiques tout en conservant les caractéristiques physiques du modèle. La nouvelle méthode de simulation numérique sera capable de modéliser le comportement thermique/hydrique de divers scénarios intérieurs et extérieurs du monde réel.
Abstract: In light of the energy needs of building and their possible environmental implications, it appears that low carbon materials are an effective way to improve thermal comfort, indoor air quality, energy consumption, and indoor humidity control. An energy model can be developed to assess the savings that would be realized with a retrofit or for new constructions. The dynamic hygrothermal response of such a sort of enclosure is still without any reference values. In order to verify the aforementioned energy model, the primary goal of this PhD thesis is to establish a set of suitable numerical and experimental settings. The advantages of using hygroscopic envelopes in real-world applications in terms of energy savings and less environmental effect will then be determined based on the model's outputs. Numerous numerical models will be created and improved in order to achieve these goals since they serve as the project's main foundations. Modeling coupled heat and mass transfers is challenging because of the complicated physics of how water moves through hygroscopic materials which may well hold humidity. To accurately anticipate in the future the thermo-hydric behavior of hygroscopic media, such as the building envelopes, a multi-scale analysis has been conducted using experimental and numerical approaches. Experimental results were utilized to validate the developed numerical models that are capable to replicate variations of the interior relative humidity and temperature. The framework of our research includes both the continuation of previous work and the validation of the results of dynamic co-simulation between artificial intelligence and building energy simulation (AI-BES). These models are used to simulate heat and moisture transfer between indoor and outdoor environments at building scale, transforming traditional thermal outputs into hygrothermal data while conserving the physical feature of the model. The novel numerical simulation method will be able to model the thermal/hydric behavior of various real-world indoor and outdoor scenarios.

Dosimétrie pour l'évaluation in vitro de la radiothérapie interne vectorisée par émetteurs alpha

Doctorant·e: DOUDARD Alexis
Direction de thèse: FRELIN Anne-Marie (Directeur·trice de thèse)
LEDOUX XAVIER (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance: 19/09/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance: GANIL - Maison d'hôtes
Rapporteurs de la thèse: AUBINEAU-LANIECE ISABELLE Chercheur-ingénieur au CEA CEA
BACRI CHARLES-OLIVIER Directeur de recherche Université Paris Saclay
Membres du jurys: AUBINEAU-LANIECE ISABELLE, Chercheur-ingénieur au CEA, CEA
BACRI CHARLES-OLIVIER, Directeur de recherche, Université Paris Saclay
CHOUIN NICOLAS, Maître de conférences, ONIRIS
FRELIN Anne-Marie, Chercheur au CEA, 14 GANIL de CAEN
LEDOUX XAVIER, Chercheur-ingénieur au CEA, 14 GANIL de CAEN
VALABLE Samuel, Directeur de recherche au CNRS, Université de Caen Normandie

Résumé: L'évaluation des bénéfices associés au développement d'un nouveau radiopharmaceutique pour la radiothérapie interne vectorisée (RIV) ou l'établissement de nouveaux modèles radiobiologiques nécessite la réalisation d'essais in vitro. Mettant en relation des effets biologiques observés et l'irradiation réalisée, ces essais nécessitent de réaliser une dosimétrie de précision. Au cours de cette thèse, un nouveau système de dosimétrie adapté à l'évaluation de radiopharmaceutiques émetteurs alpha a été conçu. Il se base sur une spectroscopie en énergie des émissions alpha à proximité des cellules par des détecteurs à semi-conducteurs en silicium. Les détecteurs sont placés directement sous les puits de culture, qui ont été conçus avec un fond mince en mylar pour permettre la transmission des particules alpha émises depuis le milieu de culture. Une chambre étanche permettant d'interfacer les puits de culture et les détecteurs tout en protégeant ces derniers de l'humidité des incubateurs cellulaires a également été conçue. Dans un premier temps, l'ensemble du système de détection a été caractérisé expérimentalement. Un algorithme d'analyse spectrale permettant d'évaluer la distribution spatiale de l'activité dans le milieu de culture a ensuite été développé. Les distributions d'activité évaluées sont alors converties en doses délivrées à l'aide de simulations Monte-Carlo et du formalisme dosimétrique du MIRD. Les performances de l'algorithme ont été vérifiées à l'aide de simulations d'irradiations, avec une erreur observée sur la dose systématiquement inférieure à 3%. Le nouveau système de dosimétrie a enfin été utilisé en conditions expérimentales pour des irradiations au 223Ra et au 212Pb. Ces essais ont mis en évidence une dépendance de la distribution spatiale de l'activité avec les conditions expérimentales, et une variabilité significative des doses délivrées pour une même activité injectée (jusqu'à plus de 100% d'écart-type). Ces essais ont donc validé l'utilisation et démontré l'utilité du nouveau système de dosimétrie développé.
Abstract: Assessment of the benefits of a new radiopharmaceutical developped for targeted radionuclide therapy (TRT), as well as the construction of new radiobiological models heavily relies on in vitro assays. These assays require precision dosimetry to relate a biological response to a given irradiation. For the assessment of alpha-emitting radiopharmaceuticals, a new dosimetric system relying on energy spectroscopy of the alpha-particles emitted close to the cell medium has been developped. Silicon detectors were placed directly below the culture wells, which bottom was made of a thin foil of mylar to allow the transmission of the alpha-particles from the culture medium towards the detectors. A humidity-tight chamber allowing the contact between the detectors and the culture wells while protecting the formers from the atmosphere of the incubator has been conceived as well. In a first step, the detection setup was experimentally characterized. A spectral analysis algorithm allowing the evaluation of the activity spatial distribution in culture medium was then developped. Theses distributions are then converted into delivered doses through Monte-Carlo simulations, following the MIRD dosimetric formalism. The performances of the algorithm have been assessed via simulation of irradiations, with a dosimetric error systematically below 3%. The new dosimetric system has finally been used experimentally for irradiations with 223Ra and 212Pb. These assays highlighted a dependency of the activity spatial distribution with experimental conditions, as well as a significant variability of the delivered doses for a given injected activity (up to more than 100% of standard deviation). These assays thus experimentally validated the use and demonstrated the necessity of the new dosimetric system developped in this work.

A unified state equation for neutron stars and core-collapse supernovae

Doctorant·e: DINH Thi Hoa
Direction de thèse: GULMINELLI Francesca (Directeur·trice de thèse)
FANTINA ANTHEA (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance: 18/09/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance: salle gilles iltis, LPC Caen
Rapporteurs de la thèse: PROVIDENCIA CONSTANCA Professeur Université de Coïmbra
URBAN MICHAEL Directeur de recherche Labo. de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
Membres du jurys: CHAMEL NICOLAS, Professeur , BRUXELLES - UNIVERSITE DE
FANTINA ANTHEA, Chargé de recherche au CNRS, 14 GANIL de CAEN
GULMINELLI Francesca, Professeur des universités, Université de Caen Normandie
OERTEL MICAELA, Directeur de recherche au CNRS, LUTH, CNRS/Observatoire de Paris
PROVIDENCIA CONSTANCA, Professeur , Université de Coïmbra
URBAN MICHAEL, Directeur de recherche, Labo. de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie

Résumé: Cette thèse vise à étudier les propriétés à l’intérieur des (proto-)étoiles à neutrons isolées, non accrétantes et statiques. À cette fin, un meta-modèle a été utilisée pour décrire les propriétés de la matière nucléaire, tandis que les inhomogénéités dans la croûte ont été caractérisées en employant un modèle de goutte liquide compressible. De plus, l’équation d’état a été calculée de manière unifiée sous l’hypothèse nucléonique. Avec une étude bayésienne, nous avons examiné l’impact de différentes contraintes issues de la physique nucléaire et des données astrophysiques sur l’équation d’état des étoiles à neutrons froides. Les résultats de notre analyse bayésienne suggèrent notamment que l’hypothèse nucléonique reste compatible avec toutes les données actuelles provenant des observations d’étoiles à neutrons fournies par les collaborations NICER et LIGO-Virgo. Les structures non sphériques des noyaux dans la région la plus interne de la croûte, connues sous le nom de phases de pâtes, ainsi que les incertitudes associées à leurs propriétés ont été exhaustivement étudiées. En particulier, nous avons démontré que les termes de volume et de surface de l’énergie nucléaire ont un impact significatif sur la prédiction des propriétés des phases de pâtes. Enfin, nous avons étudié la croûte interne des proto-étoiles à neutrons en phase liquide. En particulier, nous avons démontré que l’énergie libre de translation a des effets importants sur la composition de la croûte. À des densités et des températures élevées, l’approximation du plasma à une composante devient moins fiable, et la coexistence de différentes espèces nucléaires a été prise en compte dans une approche de plasma à plusieurs composantes, qui a permis d’ailleurs de calculer de façon conhérente le paramètre d’impurété, donnée nécessaire dans les calculs de refroidissement des étoiles à neutrons. Le formalisme et les outils numériques développés dans cette thèse pourraient être étendus pour des études futures, telles que l’investigation des transitions de phase dans le cœur et des propriétés de transport de la croûte.
Abstract: This thesis aims to study the interior properties of isolated, non-accreting, and non-rotating (proto-)neutron stars. For this purpose, the meta-modeling technique was employed to compute the properties of nuclear matter, while the inhomogeneities in the crust were characterized using a compressible liquid drop model. Furthermore, the equation of state was consistently calculated in a unified manner under the nucleonic hypothesis. Within a Bayesian study, we investigated the impact of different constraints from nuclear physics and astrophysical data on the equation of state of cold neutron stars. Notably, the results of our Bayesian analysis suggest that the nucleonic hypothesis remains compatible with all current data from neutron-star observations provided by the NICER and LIGO-Virgo collaborations. The non-spherical structures of nuclei in the innermost region of the crust, known as pasta phases, and the uncertainties associated with their properties were thoroughly investigated. Particularly, we demonstrated that both the bulk and surface terms have a significant impact on the prediction of the pasta-phase properties. Finally, we studied the inner crust of proto-neutron stars in the liquid phase. In particular, we demonstrated that the translational free energy has important effects on the crust composition. At high densities and temperatures, the one-component plasma approximation becomes less reliable, and the coexistence of different nuclear species in a multi-component plasma approach has been considered, thus allowing us to consistently calculate the so-called impurity parameter, needed for neutron-star cooling simulations. The formalism and numerical tools developed in this thesis could be further extended for future studies, such as investigating phase transitions in the core and calculating transport properties of the crust.

Soutenances autorisées pour l'ED « École Doctorale Physique, Sciences de l'Ingénieur, Matériaux, Énergie » (ED 591 PSIME)

Liste des soutenances actuelles 89

Modélisation de transfert de matières dissoutes et particulaires dans un milieu fracturé.

Intensification de la séparation d'émulsions par chauffage micro-ondes: application à l'extraction liquide-liquide de métaux critiques.

Optimizing of Metal-Insulator-Metal Capacitors Performances by Atomic Layer Deposition: Advancing Production Efficiency and Throughput

Etude des cinétiques d'absorption gaz liquide dans le cas de supports innovants

Bio Jet Fuels Production from Lignocellulosic Biomass: Butyl Levulinate a Promising Molecule Towards the Development of Sustainable Aviation Fuels.

Transition dans les couches limites supersoniques: simulations numériques directes et contrôle par stries

Influence de l'austénite et des impuretés sur le vieillissement thermique de la ferrite des aciers inoxydables austéno-ferritiques

Etude de l'utilisation d'anas de lin pour réduire les effets de la dessication et de la fissuration dus aux retraits des bétons horizontaux au jeune âge

Study and analysis of Soot Filter Regeneration by using the Lattice Boltzmann Method

Etablissement d'un modèle théorique pour la collecte des aérosols par les gouttes de pluie : modélisation explicite du flux de Stefan et de la contribution de la diffusiophorèse

Speed : système de production d'éléments exotiques déficients en neutrons

Rôle des parcs éoliens sur la dispersion larvaire d'espèces benthiques en baie de Seine étendue

Disaster Modelling and Emergency Facilities Location under Uncertainties: A case study of the Moroccan Relief Supply Chain

Vehicle Routing Problem under uncertainty: Case of pharmaceutical supply chain

Etudes expérimentales de l'influence de l'aération sur les impacts hydrodynamiques : deux configurations idéalisées avec présence de poches d'air et de bulles

Simulation en DFTB d'agrégats chargés à l'aide de charges obtenues par méthode de machine-learning

Ru-based catalysts for plasma-assisted CO2 methanation

Bio-inspired shape optimization for structural resistance

Production photocatalytique de l’hydrogène à partir de l’acide formique sous lumière visible : Photocatalyseurs à base d’oxyde de Cuivre et de Fer

Developpement d'un polymère de haute sensibilité intégrable dans un dosimètre gamma sans fil interrogeable à distance

Comportement sous rayonnements ionisants du collagène de type II : Etude de polypeptides modèles comme substituts du collagène en phase condensée

Optimisation du couplage Procédé/Propriétés/Fiabilité des Structures en Matériaux Composites Fonctionnels

Modélisation numérique et optimisation des matériaux à changement de phase : applications aux systèmes complexes

Conception d'un détecteur de système mécatronique mobile intelligent pour observer des molécules en phase gazeuse en IR.

Oxycombustion de l'hydrogène et de mélanges hydrogène-méthane : étude des caractéristiques de flamme

Dynamics of coherent structures over wind turbine blade

Structuration of SrTiO3 surfaces and MoS2 2D material induced by swift heavy ion irradiation at grazing incidence

Single biomass pellet degradation during combustion: influence of raw elemental composition determined by LIBS

BINARY METAL OXIDES THIN FILMS AND THEIR ROLE IN UNDERSTANDING CELL-MATERIAL INTERACTION

On the stochastic response of rotor-blade models with Floquet modal theory: applications to time-dependent reliability of tidal turbine blades

IN GAS JET LASER SPECTROSCOPY OPTIMIZATION FOR HIGH RESOLUTION MEASUREMENT OF ACTINIDES

Etude du comportement au feu d'assemblages titane-composite pour l'aéronautique

Développement d'un spectromètre/débitmètre neutrons transportable

Etude numérique et expérimentale de la dynamique des faisceaux d'electrons dans les accélérateurs linéaires à induction

Etude expérimentale des mécanismes d'évaporation des semiconducteurs.

Investigation of Luminescent Properties in Rare-Earth free Metallophosphonate Hybrid Materials: structural Insights in photophysical studies

Radiation-induced processes within DNA in the gas phase

Physics of superconducting nickel oxides from first principles calculations

Analyse et développement des critères de sécurité pour la détection des défauts dans les réacteurs chimiques.

Optimisation de la méthode d'impression et étude des performances à l'état frais et durci

Scour investigation around a bridge pier founded in cohesive soil - Etude des phénomènes d'affouillement autour de piles de pont fondées sur sols cohésifs

Search for CP violation with MORA: commissioning of the setups and first experiments

Thermal and environmental effects on Pt-based hollow nanospheres catalysts : insights from in-situ and operando TEM

Assemblage d’hétérostructures optiques amplificatrices pour les pilotes de laser de puissance

Phases magnétiques et transitions de phases magnétiques dans les oxydes antiferromagnétiques frustrés multiferroiques: étude par simulations numériques

Etude expérimentale de la convection naturelle dans une cavité annulaire stationnaire ou en rotation

Modélisation, optimisation et gestion d’énergie d’une centrale hybride à énergie renouvelable

Etude de l'influence de fibres naturelles sur la cinétique de réticulation de résines bio-sourcées

On deep learning for computational fluid dynamics

Synthesis of extra-large pore zeolitic materials for hydrocarbons upgrading

Growth of perovskite oxides on low-cost substrates by pulsed laser deposition and the characterization of their macroscopic and microscopic properties

Atomic-scale study of structural and optical properties of nanoscale systems

Intruder states and shape coexistence beyond N=50 close to 78Ni studied by neutron knockout at RIBF-RIKEN

About the thermomechanical behavior of thermoplastic composites under critical temperature conditions: a multiscale numerical analysis and experimental characterisation

Co-frittage sous charges d'assemblages multi-poudres pour l'obtention de formes complexes : couplage entre SPS et impression 3D

Dynamique de production des clusters dans les collisions de Xe+Sn entre 32 et 150 A MeV

Precision measurements in the beta decay of 6He

Fluorescence induite par laser à deux photons de l'oxygène atomique et du xénon. Application à l'étude de l'oxydation des débris spatiaux lors d'une entrée atmosphérique.

Crystal chemistry and thermoelectric properties of bismuth-based ternary and quaternary sulfides

Synthèse et contrôle de l'architecture de nouveaux métallophosphonates luminescents à base d'alcalino-terreux et de zinc

Study of Reduction Process on Perovskite Nickelates and its Derivatives: A Bulk and Thin Film Approach

Description des mécanismes de réduction du CO2 à la surface de photocatalyseur par approche operando

Nouvelle approche de mesures et analyses combinées XRF-XRD sur site pour la caractérisation géochimique, minéralogique et texturale : application à la verse de Nartau enrichie en arsenic, district aurifère de Salsigne, Aude (France)

Etude expérimentale des processus d'interaction spray, flamme et turbulence dans des conditions de rallumage en haute altitude

Development of the thin film solid solutions of perovskite based transparent conductors

Collective phenomena at the particle emission thresholds

New election sources based on nonmetallic nanoneedles for ultrafast electron bunches

Development of processes for the valorization of lignocellulosic biomass based on renewable energies

Development of a generic analytical model for optimizing the energy production of a tidal turbine park

Application de l'intelligence artificielle au pronostic des batteries lithium et de la pile à combustible et à la gestion de l'énergie

Contrôle dynamique de modes de Lamb dans des cristaux phononiques piézoélectriques

Modélisation hydro-sédimentaire des transports particulaires en domaine marin hétérogène, application au suivi des radionucléides en zone portuaire

Modélisation et simulation numérique de la combustion dans les moteurs-fusées : étude des flammes LOx/CH4.

Improvement of bio-oil properties from biomass pyrolysis in an auger reactor: Energy/exergy study and catalytic deoxygenation

Modélisation haute fidélité de l'aérodynamique dans les inverseurs de poussée des turboréacteurs à flux mélangés

Diagnostic de fluorescence induite par laser en régime femtoseconde sur la molécule de NO pour une application en combustion

Investigation of the link between mechanical properties and microstructure of Ni20Cr alloy manufactured by laser powder bed fusion

Spectroscopic study of supported MoS2 catalysts for HER electrocatalysis in acidic media