BLAISOT JEAN-BERNARD,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
FOURNIER SALAUN MARIE CHRISTINE,
,
INSA de Rouen Normandie
GIOVANGIGLI VINCENT,
,
Ecole Polytechnique, Palaiseau
HALTER FABIEN,
,
CNRS, Université d'Orléans
RIBERT GUILLAUME,
,
INSA de Rouen Normandie
RICHECOEUR FRANCK,
,
CentraleSupélec
Résumé
Un nombre grandissant d'applications met à profit l'injection de liquides au-dessus de leur point critique. Or, la physique de tels écoulements est mal comprise, en particulier les mécanismes régissant la transition d'une injection diphasique sous-critique à un mélange supercritique monophasique. L'objectif de ces travaux est de contribuer à la compréhension de ces phénomènes, en récoltant et analysant des données expérimentales qualitatives et quantitatives sur une injection multiespèce (éthane-azote) en conditions transcritiques et supercritiques. Pour cela, quatre diagnostics optiques sont implémentés, l'ombroscopie, la DBI, la Vélocimétrie par Corrélation d'Images et la spectroscopie Raman spontanée, sur deux bancs d'essai et deux technologies d'injecteur, dont un injecteur coaxial de type moteurs-fusées. Des informations variées sur le jet et sa désintégration sont ainsi obtenues. En particulier, deux nouveaux régimes d'injection sont formellement identifiés et définis, une base de données complète de champs de vitesse est générée et des renseignements inédits sont obtenus sur le spectre Raman de l'éthane autour de son point critique.
Abstract
A growing number of applications require the injection of liquids above their critical point. However, the physics of such flows is poorly understood, in particular the mechanisms governing the transition from subcritical two-phase injection to single-phase supercritical mixing. The aim of this work is to contribute to the better understanding of these phenomena, by collecting and analyzing qualitative and quantitative experimental data on a multi-species injection (ethane-nitrogen) under transcritical and supercritical conditions. To achieve this, four optical diagnostics are implemented -- shadowgraphy, DBI, Image Correlation Velocimetry and spontaneous Raman spectroscopy -- on two test benches and two injector designs, including a coaxial rocket engine injector. This provides a wide range of information on the jet and its disintegration. In particular, two new injection regimes are formally identified and defined, a complete velocity field database is compiled, and previously unavailable insights are obtained on the Raman spectrum of ethane around its critical point.
Dévelοppement d'un οutil de déterminatiοn de cinétiques par micrοcalοrimétrie différentielle en flux cοntinu : Applicatiοn aux réactiοns catalytiques hétérοgènes
Doctorant·e
MATEO ROSADO YAMILY
Direction de thèse
POLAERT ISABELLE (Directeur·trice de thèse)
BALLAND LAURENT (Co-directeur·trice de thèse)
LEDOUX ALAIN (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
13/12/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance
LSPC-INSA ROUEN - Avenue de l'Université 76800 Saint Etienne du Rouvray
Rapporteurs de la thèse
FONGARLAND PASCAL Université Claude Bernard - Lyon 1
POSTOLE GEORGETA IRCELYON, Villeurbanne
Membres du jurys
BALLAND LAURENT,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
BEURROIES ISABELLE,
,
Université d'Aix-Marseille, Faculté des Sciences.
FONGARLAND PASCAL,
,
Université Claude Bernard - Lyon 1
LEDOUX ALAIN,
,
INSA de Rouen Normandie
POLAERT ISABELLE,
,
INSA de Rouen Normandie
POSTOLE GEORGETA,
,
IRCELYON, Villeurbanne
Résumé
Cette thèse propose une nouvelle méthodologie expérimentale basée sur la microcalorimétrie différentielle à balayage (DSC) en configuration en flux continu, pour la détermination des paramètres cinétiques dans les réactions chimiques. La méthodologie permet d’obtenir une estimation rapide et précise de ces paramètres en mesurant la chaleur libérée ou absorbée au cours de la réaction. L’utilisation d’un calorimètre DSC à flux continu permet de travailler avec de petites quantités d’échantillon et de réaliser la réaction dans la zone de mesure, ce qui offre l’avantage de mesurer précisément la puissance thermique générée, tout en contrôlant les conditions de température et de pression. La méthodologie détaille toutes les étapes à suivre et dégage les points critiques à examiner et valider pour que l’étude cinétique soit valable.
Cette méthodologie a été appliquée à la réaction d’hydrogénation catalytique du CO2 en méthane, un processus exothermique rapide, en utilisant un catalyseur Ni/Al2O3. Cette réaction a permis d’évaluer l’importance du choix du modèle de réacteur pour l’obtention des paramètres cinétiques en considérant la zone de mesure comme un réacteur parfaitement agite continu (RPAC) ou un réacteur piston. L’estimation des paramètres cinétiques, tels que les facteurs pré-exponentiels, les énergies d’activation et les ordres de réaction, a été réalisée au moyen d’un algorithme génétique qui minimise la différence entre la puissance thermique expérimentale et la puissance thermique calculée. La méthodologie permet donc de sélectionner parmi plusieurs modèles cinétiques le plus représentatif des résultats expérimentaux.
La méthodologie intègre aussi l’analyse de la sensibilité des paramètres vis-à-vis de l’exactitude du modèle cinétique. Les résultats obtenus montrent un bon accord entre les données expérimentales et les prédictions du modèle, validant l’efficacité de cette méthodologie pour l’analyse cinétique des réactions hétérogènes en flux continu. Cette approche représente une alternative efficace aux méthodes traditionnelles, ouvrant de nouvelles possibilités dans l’optimisation des procédés catalytiques et l’étude des systèmes complexes. Cette thèse présente un outil innovant basé sur la calorimétrie différentielle en flux continu, capable de générer des données cinétiques fiables, facilitant les progrès dans le domaine de la catalyse et de la cinétique chimique.
Abstract
This thesis proposes a new experimental methodology based on differential scanning calorimetry (DSC) in a continuous flow configuration, for the determination of kinetic parameters in chemical reactions. The methodology provides a rapid and accurate estimate of these parameters by measuring the heat released or absorbed during the reaction. The use of a continuous-flow DSC calorimeter enables us to work with small quantities of sample and to carry out the reaction in the measurement zone, offering the advantage of accurately measuring the heat power generated, while controlling temperature and pressure conditions. The methodology details all the steps to be followed and outlines the critical points to be examined and validated if the kinetic study is to be valid.
This methodology was applied to the catalytic hydrogenation of CO2 to methane, a rapid exothermic process, using a Ni/Al2O3 catalyst. This reaction was used to assess the importance of the choice of reactor model for obtaining the kinetic parameters by considering the measurement zone as a Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) or a plug flow reactor. The kinetic parameters, such as pre-exponential factors, activation energies and reaction orders, were estimated using a genetic algorithm that minimizes the difference between the experimental thermal power and the calculated thermal power. The methodology therefore makes it possible to select from several kinetic models the one that is most representative of the experimental results.
The methodology also includes an analysis of the sensitivity of the parameters to the accuracy of the kinetic model. The results obtained show good agreement between the experimental data and the model predictions, validating the effectiveness of this methodology for the kinetic analysis of heterogeneous reactions in continuous flow. This approach represents an effective alternative to traditional methods, offering new possibilities in the optimization of catalytic processes and the study of complex systems. This thesis presents an innovative tool based on differential calorimetry in continuous flow, capable of generating reliable kinetic data, facilitating progress in the field of catalysis and chemical kinetics.
Μulti-Fidelity Vοrtex Ρarticles Cοupling with Lifting Line and Eulerian Μethοds fοr 3D Viscοus Aerοnautical Simulatiοns
Doctorant·e
VALENTIN JOHAN
Direction de thèse
RIVOALEN ELIE (Directeur·trice de thèse)
PINON GRÉGORY (Co-directeur·trice de thèse)
BERNARDOS LUIS (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
12/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
AY.02.63, 8 Rue des Vertugadins 92190 Meudon, France
Rapporteurs de la thèse
LEROY ANNIE Centre de Recherche de l'École de l'Air
MORTAZAVI IRAJ Conservatoire National des Arts et Métiers
Membres du jurys
BERNARDOS LUIS,
,
ONERA
DELBENDE IVAN,
,
Université la Sorbonne
LEROY ANNIE,
,
Centre de Recherche de l'École de l'Air
MIMEAU CHLOÉ,
,
Conservatoire National des Arts et Métiers
MORTAZAVI IRAJ,
,
Conservatoire National des Arts et Métiers
MYCEK Paul,
,
Cerfacs
PINON GRÉGORY,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
RIVOALEN ELIE,
,
INSA de Rouen Normandie
Résumé
Cette thèse présente le développement d'une approche multi-fidélité pour la simulation d'écoulements 3D instationnaires et visqueux autour de configurations aéronautiques complexes, en utilisant la Vortex Particle Method (VPM) Lagrangienne couplée avec une Ligne Portante ou une méthode Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) Eulérienne. L'objectif premier est de fournir une méthode à la fois numériquement efficace et précise afin de modéliser la dynamique des tourbillons, les interactions de sillage, et l'évolution de structures tourbillonnaires pour des applications aéronautiques. Au centre de cette méthode se trouve la VPM, qui simule l'évolution des tourbillons et la dynamique du sillage avec une faible dissipation numérique et sans nécessiter de maillage du domaine fluide. Cela devient idéal pour capturer des interactions de sillage complexes présentes dans les simulations aéronautiques. Cependant, la VPM seule est mal adaptée pour capturer les effets proches parois cruciaux pour la prédiction des performances aérodynamiques. Pour répondre à ces problèmes, la VPM est d'abord couplée avec une méthode Ligne Portante afin de modéliser des surfaces portantes efficacement, permettant ainsi l'interaction entre le fluide et des corps solides. Une méthode Eulérienne est également intégrée afin de résoudre de façon détaillée les effets visqueux et compressibles proches des parois. Cette approche multi-fidélité hybride entre la VPM et l'URANS permet de simuler à la fois le transport du sillage vers le champ lointain et l'évolution des interactions avec les couches limites près des surfaces solides, rendant ainsi cette méthode applicable à une large variété d'écoulements. Afin de pallier aux limitations connues inhérentes à la VPM, plusieurs contributions sont mises en avant dans cette thèse. Un modèle dynamique de viscosité turbulente est ainsi développé pour la VPM, améliorant la diffusion visqueuse dans les écoulements à fort Reynolds. Afin de maintenir la stabilité numérique, en particulier dans les régimes turbulents, une nouvelle méthode de filtrage fondée sur l'enstrophie est introduite, aidant ainsi à préserver la cohérence des tourbillons dans les écoulements très turbulents. La VPM, ainsi que son couplage avec des Lignes Portantes et l'URANS, est validée avec des cas de référence analytiques, expérimentaux et numériques, incluant entre autres des tourbillons analytiques, des ailes, des hélices, des éoliennes, des drones et des rotors d'hélicoptère en vol stationnaire. Ces résultats démontrent de la précision et de l'efficacité de cette approche à simuler une large gamme d'écoulements aéronautiques complexes à un coût numérique raisonnable tout en étant apte à capturer des caractéristiques clefs de l'écoulement. Cette thèse fournit des méthodes couplées multi-fidélités capables de résoudre un large éventail de configurations aéronautiques, faisant de la VPM un outil puissant dans l'optimisation de designs aérodynamiques modernes, l'évaluation des performances, et la simulation de domaines de vol.
Abstract
This thesis presents the development of a multi-fidelity approach for simulating 3D unsteady viscous flow fields around complex aeronautical configurations, using the Lagrangian Vortex Particle Method (VPM) coupled with either Lifting Line or an Eulerian Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) methods. The primary goal is to provide a computationally efficient yet accurate method to model vortex dynamics, wake interactions, and the evolution of vortex structures for aeronautical applications. At the core of this method is the VPM, which simulates the evolution of vortices and wake dynamics with minimal numerical dissipation and without the need for domain meshing. This makes it ideal for capturing complex wake interactions present in aeronautical simulations. However, the VPM alone is ill-suited for capturing near-wall effects which are crucial for accurately predicting aerodynamic performance. To address this issue, the VPM is first coupled with the Lifting Line method to model thin lifting surfaces efficiently, allowing for the interaction between the fluid and solid bodies. Additionally, an Eulerian method is integrated to resolve detailed near-wall viscous and compressible effects. This hybrid multi-fidelity approach between the VPM and URANS allows for the simulation of both the transport of the wake in the far field and the evolution of boundary layer interactions near solid surfaces, making it adaptable to a large variety of flow conditions. To alleviate known limitations inherent to the VPM, several contributions are brought forward in this thesis. A dynamic turbulent viscosity model is thus developed for the VPM, improving its handling of viscous diffusion in high-Reynolds flows. To maintain numerical stability, particularly in turbulent regimes, a novel enstrophy-based filtering technique is introduced, helping to preserve vortex coherence in highly dynamic flow fields. The VPM, as well as its coupling with either Lifting Lines or URANS, is validated against analytical, experimental, and numerical reference cases, including, amongst others, analytical vortices, wings, propellers, wind turbines, drones and hovering helicopter rotors. These results demonstrate the accuracy and efficiency of this approach in simulating a large range of complex aerodynamic flows at a reasonable computational cost while being able to capture key flow characteristics. This thesis provides with multi-fidelity coupled methods able to tackle a broad range of aeronautical configurations, positioning the VPM as a powerful tool in modern aerodynamic design optimisation, performance evaluation, and flight simulation.
Caractérisatiοn par Μicrοscοpe à Fοrce Atοmique (AFΜ) des prοpriétés électriques et mécaniques à l'échelle nanοscοpique des cοmpοsants de puissances SiC : nanο SiC
Doctorant·e
BOUMAAROUF Abdelhaq
Direction de thèse
COQ Rosine (Directeur·trice de thèse)
LÜDERS ULRIKE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
11/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
CRISMAT
Rapporteurs de la thèse
FERRO GABRIEL Université Claude Bernard - Lyon 1
PLUCHERY OLIVIER UNIVERSITE PARIS 6 PIERRE ET MARIE CURIE
Membres du jurys
COQ Rosine,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
FERRO GABRIEL,
,
Université Claude Bernard - Lyon 1
LÜDERS ULRIKE,
,
ENSICAEN
PLUCHERY OLIVIER,
,
UNIVERSITE PARIS 6 PIERRE ET MARIE CURIE
PRELLIER Wilfrid,
,
ENSICAEN
VILLENEUVE-FAURE CHRISTINA,
Maître de conférences HDR,
Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
Résumé
Cette thèse a été consacrée à la caractérisation du carbure de silicium (SiC) pour les applications en électronique de puissance. Les études ont porté sur la caractérisation structurale et électrique locale du polymorphe 4H-SiC. Malgré les avantages du matériau 4H-
SiC pour l’utilisation dans l’électronique de puissance (large bande interdite, conductivité thermique élevée, tension de claquage élevée, …), il présente certains inconvénients pour son utilisation dans les dispositifs tels que la relativement faible mobilité des électrons et la densité de pièges élevée à l'interface avec l’oxyde SiO2, ce qui pourrait être également à l’origine des problèmes de fiabilité encore mal connus.
L'objectif de cette thèse est la maitrise et l’utilisation des différentes techniques du microscope à force atomique, et notamment le Scanning Spreading Resistance Microscopy (SSRM) et conductive AFM (c-AFM), afin d’analyser localement les wafers SiC et des transistors à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET) de composants de commerce.
Grâce à ces méthodes, les propriétés topographiques et électriques locales ont été étudiés à la surface d’échantillons monocristallins de SiC. Un des aspects importants a été de comprendre le lien entre l’orientation cristalline de la surface et ses propriétés électroniques. Le phénomène de step bunching à la surface des échantillons lié à la croissance monocristalline résulte en des terrasses et des marches d’orientation variées, dont le développement d’une modélisation statistique a permis d’analyser l’orientation cristalline des marches et mettre en évidence des terrasses avec des caractéristiques de conduction différente.
Nous avons également étudié les propriétés électriques locales sur une section transverse d’un MOSFET à base de SiC, en mettant en place la méthodologie pour la visualisation de couches SiC de différent dopage, autant par rapport au type comme au niveau de dopage. Ainsi, il est possible de distinguer les différentes zones constituant le MOSFET et de déterminer le dopage effectif local, ce qui reste difficile avec d’autres techniques basés sur des différences chimiques. De plus, le mécanisme local d’oxydation anodique a été étudié lors des caractérisations par c-AFM.
Abstract
This thesis has been dedicated to the characterization of silicon carbide (SiC) for the applications in power electronics. Our studies have been focused on the local structural and electrical properties of the polymorph 4H-SiC. Although 4H-SiC shows interesting properties for the application in power electronics (large band gap, large thermal conductivity, large breakdown voltage, …), it has certain disadvantages compared with silicon materials, as for example the lower electron mobility and the large trap density at the interface with the oxide layer SiO2, which is probably at the origin of reliability issues still under investigation..
The aim of this thesis is to control different techniques based on atomic force microscopy, especially Scanning Spreading Resistance Microscopy (SSRM) and conductive AFM (c-AFM), in order to study locally SiC wafers and metal–oxide–semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) of commercially available devices.
Thanks to these methods, the local topographic and electrical properties have been studied on surfaces of monocrystalline SiC samples. One of the important aspects has been to understand the link between the crystalline orientation of the surface and its electronic properties. The step bunching effect on the surface, related to the monocrystalline growth of the samples, results in terraces and risers of different orientation, where the development of a statistical modelisation has allowed to analyze locally the crystalline orientation of the steps ans highlight terraces witch different conduction characteristics.
We have also studied the local electrical properties of cross sections of SiC based MOSFETs, by developing a methodology for the visualization of the SiC layers with different doping, both for the doping type and the doping level. We have shown that it is possible to distinguish the different zones constituting the MOSFET ad to determine the local effective doping, which ist still complicated to achieve with other techniques based on the chemical differences. In addition, the local anodic oxidation mechanism was studied during c-AFM characterizations.
Advanced design οf zeοlitic materials fοr the adsοrptiοn/separatiοn οf CΟ2, Ν2, and CΗ4 mοlecules
Doctorant·e
AL ATRACH Jaouad
Direction de thèse
VALTCHEV Valentin (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
10/12/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance
CNRT Ensicaen
Rapporteurs de la thèse
MIQUEU CHRISTELLE Maître de conférences HDR Université de Pau et des Pays de l'Adour
PARMENTIER JULIEN Directeur de recherche Université de Haute-Alsace
Membres du jurys
GUILLET-NICOLAS Remy,
,
ENSICAEN
JABER MAGUY,
,
Sorbonne Université
MINTOVA SVETLANA,
Directeur de recherche,
CNRS
MIQUEU CHRISTELLE,
Maître de conférences HDR,
Université de Pau et des Pays de l'Adour
PARMENTIER JULIEN,
Directeur de recherche,
Université de Haute-Alsace
VALTCHEV Valentin,
Directeur de recherche,
CNRS
Résumé
Ce travail de thèse porte sur l’optimisation des matériaux zéolithiques à petits pores dans le but
d'améliorer leur capacité d'adsorption du CO2 et leur efficacité en séparation des gaz. Dans ce
contexte, cette étude se concentre sur l'amélioration des performances des zéolithes à travers
l'échange ionique, le contrôle de la taille des cristaux et la synthèse de nouveaux adsorbants. Des
zéolithes de type Gismondine (GIS) échangées avec des cations Mg2+ ont été synthétisées
démontrant une meilleure sélectivités pour CO2/N2 et CO2/CH4 grâce à un échange cationiques
partiel avec Mg2+, ce qui influencé la distorsion de la structure et renforcé à la capacité la sélectivité,
mettant en avant leur potentiel pour des applications pratiques de capture du CO2. Une méthode de
synthèse assistée par graines a été adaptée pour produire des zéolithes P (GIS) de taille
nanométrique améliorant de façon notable la cinétique d’adsorption du CO2 en réduisant les
limitations de diffusion plus rapide, issue d’un mécanisme de diffusion intra-cristalline, a conduit
à des performances accrues dans la séparation dynamique des gaz, dépassant ainsi celle des
zéolithes de taille micrométrique. Les zéolithes Levyne (LEV) sont également introduites dans
cette thèse comme de nouveaux candidats pour l’adsorption du CO2, où un contrôle rigoureux du
rapport Si/Al et l’usage des graines de taille nanométrique ont permis un ajustement précis du
propriétés d’adsorption. L’étude met en avant l’importance du rapport Si/Al dans l’optimisation de
la sélectivité et de la capacité d’adsorption du CO2 ainsi que du comportement
adsorption−désorption positionnant la zéolithe LEV comme un matériau prometteur pour la
séparation du gaz. Ces résultats illustrent comment du techniques de synthèse adoptées, associées
à l’optimisation de l’échange cationique, au contrôle de la taille cristalline et l’ajustement du
rapport Si/Al, peuvent significativement améliorer les performances des zéolithes dans les
technologies de capture du carbone et la séparation des gaz à haute efficacité énergétique.
Abstract
This thesis is dedicated to optimizing small-pore zeolite materials for efficient CO2 adsorption and
gas separation. The work focuses on improving zeolite performance through cation exchange,
crystal size control, and the synthesis of novel adsorbents. Mg-exchanged Gismondine (GIS)
zeolites were synthesized, demonstrating enhanced CO2/N2 and CO2/CH4 selectivities due to partial
cation exchange with Mg2+, which influenced the framework distortion and improved both
adsorption capacity and selectivity, underscoring their potential for practical carbon capture
applications. A seed-assisted synthesis method was also employed to develop nanosized zeolite P
(GIS), which significantly improved CO2 adsorption kinetics by reducing diffusion limitations,
with faster diffusion resulting from an intracrystalline diffusion mechanism. This superior diffusion
within the nanosized zeolites led to enhanced performance in dynamic gas separation compared to
their micron-sized counterparts. The thesis also introduces Levyne (LEV) zeolites as novel
candidates for CO2 adsorption, where careful control of the Si/Al ratio and the use of nanosized
seeds allowed for precise tuning of adsorption properties. The study highlights the critical role of
the Si/Al ratio in optimizing CO2 selectivity, uptake, and adsorption−desorption behaviour,
establishing LEV as a promising material for gas separation. These findings demonstrate how
tailored synthesis methods, cation exchange optimization, crystal size control, and Si/Al ratio
adjustment can significantly enhance the performance of zeolite-based materials in carbon capture
and energy-efficient gas separation technologies.
Elabοratiοn de Τi02 dοpé pοur les applicatiοns phοtοcatalytiques
Doctorant·e
ZAHWA Israa
Direction de thèse
HOUIVET David (Directeur·trice de thèse)
HAMIEH TAYSSIR (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
10/12/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance
ESIX Normandie, Cherbourg
Rapporteurs de la thèse
DESCHANELS XAVIER Directeur de recherche CEA Marcoule
LEBEAU BÉNÉDICTE Directeur de recherche Université de Haute-Alsace
Membres du jurys
DESCHANELS XAVIER,
Directeur de recherche,
CEA Marcoule
HAMIEH TAYSSIR,
,
Université Libanaise
HOUIVET David,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
KASSAS Ahmad,
,
Internationnal university of Beirut
LEBEAU BÉNÉDICTE,
Directeur de recherche,
Université de Haute-Alsace
LERICHE ANNE,
,
UNIVERSITE VALENCIENNES UVHC
MOUYANE Mohamed,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
YOUSSEF LAURÈNE,
Maître de conférences,
Université de Limoges
Résumé
La recherche présentée dans cette thèse se concentre sur la synthèse et la performance photocatalytique des matériaux TiO2 dopés, en particulier les systèmes TO2-LiF et TO2-Mo. En utilisant des méthodes de combustion flash et de synthèse à l'état solide, l'étude vise à améliorer les propriétés des matériaux, y compris la surface et la composition de la phase. La caractérisation de ces matériaux a été effectuée à l'aide d'une série de techniques telles que la diffraction des rayons X (XRD) pour déterminer la composition de la phase, l'analyse thermogravimétrique (TGA) pour la stabilité thermique, la microscopie électronique à balayage (SEM) pour l'analyse morphologique, les mesures de surface BET pour analyser la porosité, le spectre de réflectance diffuse (DRS) pour déterminer la bande interdite des échantillons et la résonance paramagnétique électronique (EPR) pour étudier les défauts paramagnétiques et les centres actifs impliqués dans les mécanismes photocatalytiques de l'échantillon. L'activité photocatalytique de ces matériaux a été évaluée par la dégradation du bleu de méthylène (MB) et de la tétracycline (TC) sous irradiation de lumière visible. Les résultats indiquent une amélioration significative de l'efficacité photocatalytique par rapport au TO2 commercial. En outre, l'étude explore l'effet des transitions de phase anatase-rutile et de divers dopants sur la performance photocatalytique. Ces résultats fournissent des indications précieuses sur l'optimisation des photocatalyseurs à base de TiO2 pour les applications de photodécontamination de l'eau.
Abstract
The research presented in this thesis focuses on the synthesis and photocatalytic performance of doped TiO2 materials, in particular TO2-LiF and TO2-Mo systems. Using flash combustion and solid-state synthesis methods, the study aims to improve the properties of the materials, including surface area and phase composition. Characterization of these materials was carried out using a range of techniques such as X-ray diffraction (XRD) to determine phase composition, thermogravimetric analysis (TGA) for thermal stability, scanning electron microscopy (SEM) for morphological analysis, BET surface measurements to analyze porosity, diffuse reflectance spectrum (DRS) to determine the band gap of the samples and Electron Paramagnetic Resonance (EPR) to study the paramagnetic defects and active centers involved in the photocatalytic mechanisms of the sample. The photocatalytic activity of these materials was evaluated by degradation of methylene blue (MB) and tetracycline (TC) under visible light irradiation. The results indicate a significant improvement in photocatalytic efficiency compared to commercial TO2. Furthermore, the study explores the effect of anatase-rutile phase transitions and various dopants on photocatalytic performance. These findings provide valuable insights into the optimization of TiO2-based photocatalysts for water photodecontamination applications.
Ιmagerie interférοmétrique de particules irrégulières pοur l'étude d'écοulements:dévelοppement d'un dispοsitif adaptatif et de méthοdes d'analyse par apprentissage prοfοnd.
Doctorant·e
ABAD Alexis
Direction de thèse
BRUNEL MARC (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
10/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
Laboratoire CORIA
Rapporteurs de la thèse
DEFARGES-BERTHELEMOT AGNES Université de Limoges
PICART PASCAL UNIVERSITE LE MANS
Membres du jurys
BRUNEL MARC,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
COLIN ELISE,
,
Office National d'Etudes&recherches Aéro
DEFARGES-BERTHELEMOT AGNES,
,
Université de Limoges
LEBRUN DENIS,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
LEMAITRE PASCAL,
,
Commissariat A l'Energie Atomique et Aux Energies Alternatives
PICART PASCAL,
,
UNIVERSITE LE MANS
Résumé
L’imagerie interférométrique de particules (IIP) en défaut de mise au point est une technique de granulométrie optique permettant de déterminer la forme et la taille de particules micrométriques : 20 µm − 2 000 µm. Elles peuvent être de nature différentes, par exemple, des cristaux de glace en suspension dans l’atmosphère, des cendres volcaniques, des nuages de grains de sable ou encore des particules de charbon disséminées autour de centrales thermiques. Les exemples précédents ont tous un point commun, ce sont des particules rugueuses, de formes irrégulières et les résultats de ces travaux de thèse s’appuient sur ces caractéristiques. L’acquisition d’images avec cette technique repose sur un principe de fonctionnement simple. Une particule rugueuse est illuminée avec un laser ; celle-ci diffuse une partie du rayonnement incident dans toutes les directions due aux aspérités à sa surface. Ces aspérités créent des sources secondaires du rayonnement incident. Un système d’imagerie en défaut de mise au point, enregistre les images des interférences issues de ces sources secondaires. Le développement et l’amélioration des programmes permettant de reconstruire la forme de la particule à partir de son image interférométrique est réalisé avec un banc expérimental équipé d’une matrice de micro-miroirs (DMD). La particule est "programmée" sur le DMD. Les micro-miroirs qui simulent les sources secondaires de la particule réfléchissent une partie du faisceau incident en direction du système d’imagerie. Ces travaux de thèse se concentrent d’une part sur la création d’un réseau de neurones permettant de classer la forme d’une particule à partir de son image interférométrique. Ce réseau de neurones a montré une reconnaissance dans 100% des cas. D’autre part, l’élaboration d’un autre réseau de neurones permettant de reconstruire l’enveloppe de particules irrégulières à partir de leurs images expérimentales a montré une très bonne qualité de reconstruction entre les formes programmées et les formes reconstruites. Dans les deux cas, des bases de données constituées de plusieurs milliers d’images expérimentales ont été acquises avec un montage expérimental équipé d’une matrice de micro-miroirs pour "simuler" les particules rugueuses. De plus, dans le cadre de cette technique, deux travaux supplémentaires ont été effectués : (i) d’abord une première méthode de correction de l’aberration sphérique, par passage de la base cartésienne à la base polaire, et une seconde de simulation de l’aberration sphérique en IIP, par décomposition du terme de phase en fonction gaussiènnes ; et (ii) la réalisation d’un système d’imagerie interférométrique adaptatif à base de lentille liquide a été mis au point permettant de réduire le recouvrement des interférogrammes par réglage instantané de la défocalisation du système d’imagerie.
Abstract
Out-of-focus interferometric particle imaging (IPI) is an optical particle sizing technique used to determine the shape and size of micrometric particles: 20 µm − 2,000 µm. They can be of different natures, for example, ice crystals suspended in the atmosphere, volcanic ash, clouds of sand grains or coal particles scattered around thermal power plants. The previous examples all have one thing in common, they are rough particles, with irregular shapes and the results of this thesis work are based on these characteristics. Image acquisition with this technique is based on a simple operating principle. A rough particle is illuminated with a laser; it diffuses part of the incident radiation in all directions due to the asperities on its surface. These asperities create secondary sources of the incident radiation. An out-of-focus imaging system records interference images from these secondary sources. The development and improvement of programs to reconstruct the shape of the particle from its interferometric image is carried out with an experimental bench equipped with a micro-mirror matrix (DMD). The particle is "programmed" on the DMD. The micro-mirrors that simulate the secondary sources of the particle reflect part of the incident beam towards the imaging system. This thesis work focuses on the one hand on the creation of a neural network to classify the shape of a particle from its interferometric image. This neural network has shown recognition in 100% of cases. On the other hand, the development of another neural network to reconstruct the envelope of irregular particles from their experimental images has shown very good reconstruction quality between the programmed shapes and the reconstructed shapes. In both cases, databases consisting of several thousand experimental images were acquired with an experimental setup equipped with a micro-mirror matrix to "simulate" rough particles. In addition, within the framework of this technique, two additional works were carried out: (i) first a first method of correction of spherical aberration, by passage from the Cartesian basis to the polar basis, and a second of simulation of spherical aberration in IPI, by decomposition of the phase term into Gaussian functions; and (ii) the realization of an adaptive interferometric imaging system based on a liquid lens was developed to reduce the overlap of interferograms by instantaneous adjustment of the defocus of the imaging system.
Dévelοppement des cοurbes de vulnérabilité prοbabiliste des structures dégradées sοumises aux actiοns sismiques
Doctorant·e
MEDINA MORDAN VICTOR RANDY
Direction de thèse
LEMOSSE Didier (Directeur·trice de thèse)
AOUES YOUNES (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
09/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
BO-A-RC-02
Rapporteurs de la thèse
ELACHACHI SI-MOHAMMED Université de Bordeaux
MEBARKI AHMED Université Gustave Eiffel
Membres du jurys
AOUES YOUNES,
,
INSA de Rouen Normandie
ELACHACHI SI-MOHAMMED,
,
Université de Bordeaux
LEMOSSE Didier,
,
INSA de Rouen Normandie
MEBARKI AHMED,
,
Université Gustave Eiffel
OUAHBI TARIQ,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
ZENTNER IRMELA,
,
EDF R&D
Résumé
Résumé (4000 caractères)
L’analyse de vulnérabilité sismique est essentielle en ingénierie pour évaluer la sensibilité des structures aux séismes, permettant ainsi de réduire les risques en identifiant les faiblesses des infrastructures. Facteurs tels que les conditions du sol et la dégradation des matériaux influencent la réponse structurelle, accentuant la vulnérabilité face aux événements sismiques. L’analyse de vulnérabilité, appliquée à des structures individuelles ou à des zones urbaines, informe les pratiques de conception, l’aménagement du territoire et les politiques de gestion des risques. Les infrastructures critiques, comme les hôpitaux et les barrages, nécessitent une évaluation rigoureuse pour garantir leur résilience pendant et après les séismes.
Dans le chapitre 2, l'analyse statique non linéaire (NSA) est explorée pour simuler la réponse des structures aux forces sismiques. La NSA, par sa simplicité computationnelle, génère des courbes de capacité révélant les déformations inélastiques et la résistance résiduelle, facilitant ainsi les évaluations de performance. Ce chapitre met également en évidence l'importance de la flexibilité du sol et de la corrosion. Le modèle de Winkler est utilisé pour simuler l'interaction sol-structure, montrant comment les sols plus mous amplifient les déformations et augmentent la vulnérabilité sismique. Un modèle de corrosion uniforme démontre que la dégradation réduit la capacité des structures, rendant nécessaire la prise en compte de ces facteurs dans l’évaluation de la fragilité.
Le chapitre 3 propose les modèles de substitution comme alternative aux simulations de Monte Carlo pour développer des courbes de fragilité. Ces courbes estiment la probabilité d’atteindre un état de dommage en fonction de l'intensité sismique, mais les méthodes traditionnelles sont coûteuses en calculs. Le modèle PC-Kriging (PCK), présenté dans ce chapitre, capte efficacement les événements rares, combinant l’expansion en chaos polynomial et le Kriging pour une représentation détaillée des réponses structurelles. Cette méthodologie optimise le temps de calcul, rendant l’évaluation de la fragilité plus accessible dans des contextes d’évaluation de risques.
Le chapitre 4 approfondit l’évaluation de la fragilité sismique en intégrant la relation structure-sol et la corrosion. L’inclusion de ces facteurs complexes, souvent négligés, permet une représentation réaliste des comportements structurels. La méthodologie de substitution active, notamment le modèle PCK, permet d’intégrer ces paramètres sans coûts prohibitifs, offrant une vue plus complète de la vulnérabilité. Par exemple, dans des sols mous, la probabilité d’échec augmente, surtout sous des séismes de faible intensité fréquents. Cette avancée méthodologique assure des évaluations de fragilité précises et soutient une prise de décision en ingénierie sismique.
En conclusion, cette recherche représente une contribution majeure à l’évaluation de la fragilité sismique, démontrant l’importance de la flexibilité du sol et de la corrosion. Les modèles de substitution offrent une approche efficace et précise, optimisant les ressources de conception et de maintenance pour renforcer la résilience des infrastructures face aux séismes. Cette thèse doctorale met en lumière le rôle fondamental de l'interaction sol-structure et de la corrosion, remettant en question l’hypothèse conventionnelle de base fixe et offrant une perspective intégrée sur la sécurité des structures dans les zones sismiques.
Abstract
Seismic fragility analysis is essential in engineering to assess structural responses to earthquakes, helping reduce infrastructure vulnerability by identifying weaknesses and environmental factors, like soil conditions and material degradation, which impact immediate and long-term resilience. Fragility analysis provides a comprehensive framework, applicable from individual buildings to urban zones, guiding design and risk management strategies.
Chapter 2 introduces nonlinear static analysis (NSA) to evaluate structural behavior under seismic loads, generating capacity curves that represent structures' ability to withstand seismic forces. Additionally, the chapter addresses critical factors like soil-structure interaction and corrosion degradation. Using the Winkler model, soil flexibility is simulated, showing how softer soils amplify seismic deformations. A uniform corrosion model reveals that degradation reduces structural stiffness, emphasizing the need to include both factors in fragility evaluations.
Chapter 3 explores surrogate models as an alternative to Monte Carlo simulations for generating fragility curves, which estimate the likelihood of specific damage states based on seismic intensity. The PC-Kriging (PCK) model accurately and efficiently captures rare events, combining polynomial chaos expansion with Kriging, making it well-suited for practical applications.
Chapter 4 presents an advanced approach to seismic fragility by integrating soil-structure interaction and corrosion. These factors, traditionally omitted, offer a more realistic view of structural responses under seismic loads. The PCK model enables detailed and computationally feasible assessments of various seismic and degradation scenarios, overcoming limitations of conventional methods.
In conclusion, this research enhances seismic fragility assessment by combining nonlinear modeling, degradation factors, and computational efficiency through surrogate models. The study highlights the importance of soil flexibility and corrosion in evaluations. This methodology enables precise, practical assessments, optimizing design and maintenance resources, thereby boosting structural resilience to earthquakes.
DUMOUCHEL CHRISTOPHE (Directeur·trice de thèse)
BLAISOT JEAN-BERNARD (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
09/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
CORIA - Rouen
Rapporteurs de la thèse
MACHICOANE NATHANAEL Universite Grenoble Alpes
RIMBERT NICOLAS Université de Lorraine
Membres du jurys
BLAISOT JEAN-BERNARD,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
DUMOUCHEL CHRISTOPHE,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
FDIDA Nicolas,
,
Office National d'Etudes&recherches Aéro
HALTER FABIEN,
,
Université d'Orléans
MACHICOANE NATHANAEL,
,
Universite Grenoble Alpes
MENARD THIBAUT,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
RIMBERT NICOLAS,
,
Université de Lorraine
THERON MARIE,
,
Centre National des Etudes Spatiales
Résumé
Le développement des moteurs-fusées destinés à équiper les futurs lanceurs nécessite une meilleure compréhension des phénomènes physiques complexes qui régissent leur fonctionnement. Dans le cas des moteurs-fusées à ergols liquides, la demande croissante pour des moteurs pouvant être rallumés de manière fiable dans l'espace impose une profonde compréhension des phases transitoires, telles que le démarrage et l'arrêt. Ces phases transitoires incluent généralement des régimes d'injection sous-critiques. L'oxygène est injecté à l'état liquide dans la chambre de combustion et subit une série de mécanismes : atomisation du jet dense, fragmentation des ligaments liquides, évaporation des gouttelettes et combustion turbulente. Dans ces conditions, le processus de combustion est principalement gouverné par l'atomisation de l'oxygène liquide, qui doit être reproduite avec précision par simulation afin de mieux comprendre son rôle dans l'apparition des instabilités de combustion.
Avant d'utiliser la simulation comme un outil autonome pour étudier le processus d'atomisation, il est nécessaire d'assurer son niveau de précision. Cela nécessite de mener des campagnes d'essais expérimentaux sur des bancs d'essais capables de reproduire des conditions représentatives de moteurs-fusées, tels que le banc d'essai MASCOTTE à l’ONERA ou le banc d’essai MARACA au CORIA. L’objectif de ces études est de caractériser le processus d’atomisation et de fournir des données expérimentales qui peuvent être utilisées pour développer et valider des modèles numériques.
L'étude expérimentale de l'atomisation primaire de l'oxygène liquide repose en particulier sur des techniques de visualisation des écoulements, qui permettent de représenter les structures liquides impliquées dans le processus. Le processus d’atomisation primaire observé dans les moteurs-fusées à ergols liquides peut être catégorisé comme texturel ou structurel, selon l’échelle à laquelle se produit l’atomisation. Les processus d’atomisation texturelle se caractérisent par le détachement de fins ligaments du jet, tandis que l’atomisation structurelle est liée à la rupture du volume liquide principal. Les visualisations issues de campagnes d’essais expérimentaux révèlent des écoulements diphasiques très complexes impliquant des systèmes liquides texturaux difficiles à caractériser en raison de leur large gamme d’échelles spatiales et temporelles. À ce jour, aucune technique n’est disponible pour décrire quantitativement les ligaments liquides impliqués dans ces processus d’atomisation texturelle observés expérimentalement.
Dans cette thèse, une méthodologie est développée pour caractériser les processus d’atomisation primaire texturelle observés dans des conditions d’écoulement diphasique représentatives de celles rencontrées dans les moteurs-fusées à ergols liquides. Basée sur une méthode multi-échelle développée au CORIA, cette analyse fournit une caractérisation quantitative de la taille, de la forme et du nombre des structures liquides texturelles impliquées dans le processus d’atomisation texturelle sur toute sa gamme d’échelles spatiales. Cette caractérisation fournit des données pour le développement de modèles numériques d’atomisation primaire. En outre, l’application de cette méthodologie à des systèmes liquides décrits par des visualisations extraites de simulations numériques permet de valider les résultats de simulation en termes de leur reproduction des structures liquides participant au processus d’atomisation texturelle.
Abstract
The development of rocket engines to equip future launchers requires a better understanding of the complex physical phenomena that govern their operation. In the case of liquid-propelled rocket engines, the growing demand for engines that can be reliably reignited in space means that the transient phases such as start-up and shutdown must be better understood. These transient phases usually include subcritical injection regimes. Oxygen is injected in liquid state into the combustion chamber and undergoes a series of mechanisms: dense jet atomization, fragmentation of liquid ligaments, droplet evaporation, and turbulent combustion. Under these conditions, the combustion process is mainly driven by the atomization of the liquid oxygen, which must be accurately reproduced by simulation to better understand its role in the onset of combustion instabilities. Before using simulation as an autonomous tool to study the atomization process, it is necessary to ensure its level of accuracy. This requires conducting experimental test campaigns on test benches capable of reproducing conditions representative of rocket engines, such as the MASCOTTE test-bench at ONERA or the MARACA test-bench at CORIA. The goal of these studies is to characterize the atomization process and provide experimental data that can be used to develop and validate numerical models. The experimental study of primary atomization of liquid oxygen, in particular, relies on flow visualization techniques that depict the liquid structures involved in the process. The primary atomization process observed in liquid rocket engines can be categorized as textural or structural, depending on the scale at which the atomization takes place. Textural atomization processes are characterized by thin ligaments being peeled from the jet, while structural atomization is related with the breakup of the liquid bulk. Visualizations resulting from experimental test campaigns show very complex two-phase flows involving textural liquid systems that are difficult to characterize due to the wide range of spatial and temporal scales involved. To this day, no techniques are available to describe quantitatively the liquid ligaments involved in the textural atomization processes observed experimentally. In this thesis, a methodology is developed to characterize the textural primary atomization processes observed in the two-phase-flow conditions representative of those encountered in liquid rocket engines. Based on a multi-scale method developed at CORIA, this analysis provides a quantitative characterization of the size, shape and number of the textural liquid structures involved in the textural atomization process in its entire spatial scale range. This characterization provides information for the development of numerical primary atomization models. Additionally, the application of the methodology to liquid systems depicted by visualizations extracted from numerical simulations allow to validate the simulation results in terms of the correct reproduction of the liquid structures that participate in the textural atomization process.
Cοnceptiοn et mοdélisatiοn de cοllectrοns innοvants pοur la mesure de la cοmpοsante rapide des flux de neutrοns en réacteur
Doctorant·e
DUPIN Elsa
Direction de thèse
FONTBONNE Jean-Marc (Directeur·trice de thèse)
NORMAND STEPHANE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
09/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
CEA Cadarache, Cadarache, 13108 Saint-Paul-lez-Durance
Rapporteurs de la thèse
DESSANTE PHILIPPE CentraleSupélec
MICHELET CLAIRE Maître de conférences HDR Universite de Bordeaux
Membres du jurys
BAN Gilles,
,
ENSICAEN
BARBOT LOIC,
,
CEA Cadarache - Institut de recherche
DESSANTE PHILIPPE,
,
CentraleSupélec
FONTBONNE Jean-Marc,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
MARTIN FRANCK,
,
Université Clermont Auvergne
MICHELET CLAIRE,
Maître de conférences HDR,
Universite de Bordeaux
NORMAND STEPHANE,
,
Université Paris Saclay
UHRING WILFRIED,
,
Université de Strasbourg
Résumé
Le suivi en ligne du flux de neutrons rapides en réacteur à eau est un enjeu pour l’instrumentation in-core des réacteurs et notamment pour les expériences d’irradiation de matériaux. Les collectrons sont des détecteurs utilisés pour la surveillance en ligne des flux de neutrons thermiques et/ou de rayonnements γ. Fonctionnant sans polarisation et pour des débits de fluence importants, ils sont particulièrement adaptés à des mesures en cœur. Les collectrons sont principalement coaxiaux, composés de trois éléments principaux : un émetteur, un isolant et une gaine. En choisissant judicieusement ces trois matériaux, il est possible d’accroître la sélectivité des interactions avec une particule d’intérêt (neutrons ou γ). Cette thèse vise à développer un nouveau collectron sélectif au flux de neutrons rapides dans le but de monitorer les expériences d’irradiation de matériaux. L’une des contraintes majeures de la conception d’un tel détecteur est l’environnement de mesure où les neutrons rapides ne sont pas prédominants. Obtenir une contribution significative des neutrons rapides nécessite de minimiser les contributions des neutrons thermiques et des γ. Le développement et les tests en réacteur d'un prototype de collectrons sensibles aux neutrons rapides sont les principaux objectifs de ces travaux de thèse.
Une compréhension complète de la génération du signal collectron est nécessaire pour le développement de nouveaux détecteurs. Or, certains aspects théoriques de la génération de courants dans les collectrons restent encore incomplets. Dans le cadre de ces travaux, et dans le but d’améliorer la modélisation numérique des collectrons, tous les mécanismes affectant la génération de courant sont étudiés. Appuyé par une expérience sur faisceau d’électrons, la résolution des équations de continuité et l'application du théorème de Shockley-Ramo au cas des collectrons ont permis d’améliorer la compréhension du fonctionnement des collectrons.
La difficulté principale dans la conception d'un collectron sensible et sélectif aux neutrons rapides réside dans le choix des matériaux. Les sections efficaces des matériaux utilisés usuellement sont beaucoup plus importantes pour neutrons thermiques que pour les neutrons rapides. Dans un environnement réacteur, les rayonnements γ sont également présents dans des proportions significatives. Les interactions des rayonnements γ avec les matériaux composant le collectron peuvent également produire un signal important par rapport aux interactions des neutrons rapides. Par conséquent, le matériau sélectionné pour l’émetteur du collectron développé doit maximiser la contribution des neutrons rapides, tandis que l’isolants et la gaine doivent produire un signal très limité. L'estimation des contributions du courant collectron est possible grâce à la modélisation et aux calculs numériques. Cela a conduit à la définition d'un prototype de collectron sélectif aux neutrons rapides. Des prototypes de ce détecteur innovant ont été construits et testés dans le réacteur de recherche slovène TRIGA Mark II (Jožef Stefan Institute), fournissant une preuve de concept pour le matériau émetteur spécifique proposé.
Abstract
Selective on-line measurement of fast neutron flux in a water-pool type reactor environment remains a challenge for in-core measurements. Self-powered neutron or gamma detectors (SPDs) are detectors used for on-line monitoring of thermal neutron and/or gamma ray fluxes. Operating without high voltage, their use is suitable for high flux levels and thus for in-core measurements. SPDs are mainly coaxial and consist of three main components: an emitter, an insulator and a sheath. Provided a wise choice of these three materials, the SPD could focus on interactions with particles of interest (neutrons or gamma). To meet the need for on-line fast neutron measurements in material testing reactors (MTR), this thesis aims to develop a new Self-Powered Neutron Detector (SPND) selective to fast neutrons flux. The design of such a detector with significant fast neutron contribution to the signal means reducing thermal neutron and gamma contributions to a minimum level in radiation environments where fast neutrons are the least flux. Prototype development and reactor tests of this new selective self-powered neutron detector are the main objectives of this PhD thesis work.
Despite several publications in literature, some theoretical aspects of signal generation in SPDs remain incomplete, especially when it comes to small contributions. Also within the framework of this PhD thesis, and with the aim of a better understanding of SPNDs operation, all mechanisms affecting the current generation are studied by means of an electron beam experiment, helping for a better understanding of the behavior for insulation part of the sensor. Solving continuity equation systems and applying the Shockley-Ramo theorem to the SPD case is also part of this study. A complete understanding of the SPD signal generation is required in the development of new detectors.
The main effort in designing a SPND sensitive and selective to fast neutrons lies in the choice of materials. In fact, thermal neutron cross-sections for common materials are much larger than fast neutron cross-sections. In reactor environment, gamma rays are also present in significant proportions. Gamma ray interactions with detector materials can also produce a significant signal compared to fast neutron interactions. Consequently, the SPND materials must maximize the fast neutron contribution. Fast neutron interactions have to be predominant in the emitter to induce a sufficiently large signal for measurement, meanwhile insulator and sheath materials shall produce a very limited signal. The estimation of the SPND current contributions is possible by means of numerical modelling and calculations. This led to the definition of a prototype of a fast neutron selective SPND. Prototypes of this innovative detector have been manufactured and tested at the Slovenian TRIGA Mark II research reactor (Jožef Stefan Institute), providing a proof of concept for the proposed specific emitter material.
Elabοratiοn de spécificatiοns multiaxiales issues de chargements vibratοires gaussiens cοmbinés
Doctorant·e
AIME MATTIAS
Direction de thèse
KHALIJ LEILA (Directeur·trice de thèse)
DUFOUR RÉGIS (Co-directeur·trice de thèse)
PAGNACCO Emmanuel (Co-directeur·trice de thèse)
CHATELET ERIC (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
05/12/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance
INSA Rouen Normandie
Rapporteurs de la thèse
ANTONI JÉRÔME Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
PALIN-LUC THIERRY Université de Bordeaux
Membres du jurys
ANTONI JÉRÔME,
,
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
BANVILLET ALEXIS,
,
CEA-CESTA
DUFOUR RÉGIS,
,
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
KHALIJ LEILA,
,
INSA de Rouen Normandie
PAGNACCO Emmanuel,
,
INSA de Rouen Normandie
PALIN-LUC THIERRY,
,
Université de Bordeaux
PANIER STEPHANE,
,
Université de Picardie Jules Verne
PEZERAT CHARLES,
,
Université du Mans
Résumé
Cette thèse est consacrée au développement d'une procédure spectrale d'élaboration de spécifications pour environnements aléatoires multiaxiaux. Ce développement vise à généraliser les procédures actuellement utilisées, dites de "cumul séquentiel" d'endommagements uniaxiaux, qui consistent à appliquer les environnements successivement par axes de chargement. Leur mise en œuvre nécessite l'utilisation des spectres de dommages par fatigue et des spectres de réponses extrêmes. Ces derniers décrivent respectivement l'endommagement et la réponse d'une structure à un degré de liberté en fonction de sa fréquence propre, et pour un chargement vibratoire gaussien donné.
Dans ce travail, les spectres de dommages et de réponses extrêmes sont généralisés pour permettre la caractérisation d'environnements et de structures allant jusqu'à six degrés de libertés. Cela mène au développement d'une nouvelle procédure fréquentielle pour élaborer des spécifications personnalisées pour des essais vibratoires multiaxiaux, qui génère un chargement unique synthétisant le profil de vie de la structure tout en ajustant la durée d'essai en fonction des besoins du projet. Des essais vibratoires sont également réalisés pour valider la pertinence de la procédure multiaxiale proposée.
Abstract
This dissertation focuses on the development of a spectral procedure for elaborating specifications dedicated to random multiaxial loads. This development aims to generalize the currently used procedures, known as "sequential cumulative" uniaxial damage procedures, which involve applying vibratory loads sequentially by loading axes. Their implementation requires the use of fatigue damage spectra and extreme response spectra. These spectra respectively describe the damage and response of a structure at a degree of freedom as a function of its natural frequency, and for a given Gaussian vibratory load.
In this work, the damage and extreme response spectra are generalized to allow the characterization of environments and structures with up to six degrees of freedom. This leads to the development of a new frequency-based procedure for elaborating customized specifications for multiaxial vibratory tests, which generates a single load synthesizing the life profile of the structure while adjusting the test duration according to project needs. In addition, vibratory tests are conducted to validate the accuracy of the proposed multiaxial procedure.
Οptimisatiοn techniques fοr mοnitοring a high-risk industrial area by a team οf autοnοmοus mοbile rοbοts
Doctorant·e
CHAKRAA Hamza
Direction de thèse
LEFEBVRE DIMITRI (Directeur·trice de thèse)
GUERIN FRANCOIS (Co-directeur·trice de thèse)
LECLERCQ EDOUARD (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
05/12/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance
Pôle ingénieur et logistique (PIL)
Rapporteurs de la thèse
MAHULEA CRISTIAN UNIVERSITE DE SARAGOSSE
SEATZU CARLA UNIVERSITE DE CAGLIARI
Membres du jurys
GUERIN FRANCOIS,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
HAAR STEFAN,
,
UNIVERSITE PARIS-SACLAY
LECLERCQ EDOUARD,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
LEFEBVRE DIMITRI,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
MAHULEA CRISTIAN,
,
UNIVERSITE DE SARAGOSSE
SEATZU CARLA,
,
UNIVERSITE DE CAGLIARI
Résumé
Cette thèse explore le développement et la mise en œuvre d’algorithmes d’optimisation pour la surveillance de zones industrielles à l’aide d’une équipe de robots mobiles autonomes. Le travail de recherche se concentre sur l’allocation de tâches multi-robots (MRTA), où un plan de mission quasi-optimal doit être généré. Un nouveau modèle prenant en compte des robots et des tâches hétérogènes est proposé, utilisant des algorithmes génétiques (GA) et une méthode de recherche locale 2-Opt pour résoudre le problème. La thèse intègre également des stratégies d’évitement des collisions, qui deviennent nécessaires lorsqu’il y a beaucoup de robots et de tâches. Une solution locale de bas niveau gère de nombreuses situations de conflit pendant la mission, ce qui peut entraîner des retards. Par conséquent, une solution pour ce cas a été proposée en utilisant le clustering. En outre, nous évaluons les solutions proposées à l’aide d’expériences réelles qui incluent un algorithme basé sur la navigation pour résoudre les problèmes de collision. Les résultats démontrent la valeur de ces algorithmes dans l’optimisation de la répartition des tâches et de la planification des chemins pour les robots mobiles autonomes dans les environnements industriels, ouvrant la voie à une planification de mission plus efficace et à une sécurité accrue dans les environnements industriels.
Abstract
This thesis explores the development and implementation of optimisation algorithms for monitoring industrial areas using a team of autonomous mobile robots. The research focuses on Multi-Robot Task Allocation (MRTA), where a near-optimal mission plan must be generated. A novel model considering heterogeneous robots and tasks is proposed, using Genetic Algorithms (GA) and 2-Opt local search methods to solve the problem. The thesis also integrates collision avoidance strategies, which become necessary when there are many robots and tasks. A low-level local solution handles many conflict situations during the mission, which can cause delays. Therefore, a solution for this case was proposed using clustering. Furthermore, we evaluate the proposed solutions through real-world experiments including a navigation-based algorithm that addresses collision issues. The results demonstrate the value of these algorithms in optimising task allocation and path planning for autonomous mobile robots in industrial settings, paving the way for more efficient mission planning and enhanced safety in industrial environments.
Cοnceptiοn de mοteurs à aimants permanents à flux axial οu radial à haute vitesse pοur l'entraînement d'un cοmpresseur cοntrarοtatif
Doctorant·e
TAHA Hoda
Direction de thèse
BARAKAT GEORGES (Directeur·trice de thèse)
AMARA YACINE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
05/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
GREAH
Rapporteurs de la thèse
KREBS GUILLAUME UNIVERSITE PARIS-SACLAY
TOUNZI ABDELMOUNAÏM Universite de Lille
Membres du jurys
AMARA YACINE,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
BARAKAT GEORGES,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
DHIFLI MOUHEB,
,
GARRETT FRANCE
GHANDOUR MAZEN,
,
UNIVERSITE LIBANAISE
HENNER MANUEL,
,
VALEO THERMAL SYSTEMS
KREBS GUILLAUME,
,
UNIVERSITE PARIS-SACLAY
TAKORABET NOUREDDINE,
,
EC NAT SUPERIEURE ELECTRICITE ET MECANIQ
TOUNZI ABDELMOUNAÏM,
,
Universite de Lille
Résumé
Cette thèse se concentre sur la conception de moteurs à aimants permanents à haute
vitesse et faible puissance, spécifiquement destinés à l'entraînement d'un compresseur
contrarotatif. L'objectif principal est de garantir une intégration directe et compacte du moteur,
tant en termes de longueur que de volume, dans les roues du compresseur. Pour répondre à ces
exigences, plusieurs topologies de moteurs à flux axial, à flux radial, ainsi qu'une structure
novatrice à entrefer conique, ont été modélisées et évaluées. Ces évaluations incluent une
analyse approfondie des performances électromagnétiques et thermiques, visant à maximiser le
rendement des moteurs à haute vitesse. Une attention particulière a été portée à l'étude des
pertes électromagnétiques, qui deviennent significatives à ces vitesses élevées, pour chacune des
topologies considérées. En parallèle, des analyses mécaniques détaillées ont été réalisées sur des
rotors discoïdes, peu documentés dans la littérature, ainsi que sur des rotors cylindriques, afin
de caractériser leur comportement mécanique à une vitesse de rotation de 90 000 tr/min. Les
contraintes liées à la fabrication ont orienté le choix final vers une topologie à flux radial, dont le
prototypage est actuellement en cours.
Abstract
This thesis focuses on the design of high-speed, low-power permanent magnet motors
specifically intended for driving a counter-rotating compressor. The primary objective is to
ensure direct and compact integration of the motor, both in terms of length and volume, within
the compressor wheels. To meet these requirements, several motor topologies—axial flux, radial
268
flux, and an innovative conical airgap structure—were modeled and evaluated. These evaluations
included an in-depth analysis of electromagnetic and thermal performance, aimed at maximizing
motor efficiency at high speeds. Particular attention was given to the study of electromagnetic
losses, which become significant at these high speeds, for each of the considered topologies. In
parallel, detailed mechanical analyses were conducted on disc-shaped rotors, which are sparsely
documented in the literature, as well as on cylindrical rotors, to characterize their mechanical
behavior at a rotational speed of 90,000 rpm. Manufacturing constraints ultimately led to the
selection of the radial flux topology, which is currently under prototyping.
Caractérisatiοns ultrasοnοres du vieillissement de pales d’hydrοliennes et d’éοliennes en milieu marin. Cοnfrοntatiοn aux essais mécaniques
Doctorant·e
AOUJDAD Khalid
Direction de thèse
ECH-CHERIF EL KETTANI MOUNSIF (Directeur·trice de thèse)
MARECHAL PIERRE (Co-directeur·trice de thèse)
LEDUC DAMIEN (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
04/12/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance
Amphi Prony
Rapporteurs de la thèse
FORTINEAU JEROME INSA Centre Val de Loire
MOULIN EMMANUEL UNIVERSITE POLYTECHNIQUE HAUTS DE FRANCE
Membres du jurys
ECH-CHERIF EL KETTANI MOUNSIF,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
FERRANDIS JEAN-YVES,
,
UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
FORTINEAU JEROME,
,
INSA Centre Val de Loire
LEDUC DAMIEN,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
MARECHAL PIERRE,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
MOULIN EMMANUEL,
,
UNIVERSITE POLYTECHNIQUE HAUTS DE FRANCE
THEVENET DAVID,
,
Universite Bret. Occidentale Ubo
VIVET ALEXANDRE,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
Résumé
Cette thèse porte sur la caractérisation non destructive par ondes ultrasonores des échantillons représentatifs des pales d’éoliennes offshore, avec confrontation aux tests mécaniques. Les échantillons sont en matériaux composites à base de la résine polyester renforcée par des fibres de verre UD GFRP (Unidirectional Glass Fibers Reinforced Polyester). Ils sont soumis à un vieillissement accéléré dans l’eau de mer chauffée à 40 °C et à 60 °C, afin de simuler le milieu marin et réduire la durée d’étude. L’objectif est de trouver des paramètres acoustiques sensibles au vieillissement permettant d’évaluer l’effet du vieillissement ou de le quantifier. L’analyse par ondes guidées de Lamb a montré une diminution des vitesses de phase des modes et de la vitesse de Rayleigh, ainsi que l’augmentation de l’atténuation dans le matériau, ce qui indique que les propriétés mécaniques des matériaux se dégradent à cause du vieillissement. L’imagerie C-scan montre une dégradation de la résine, entraînant la réorganisation des fibres et la modification de leur alignement. Une modélisation numérique par la méthode des éléments finis de la propagation des ondes guidées dans ces matériaux a montré que les propriétés structurelles et géométriques des matériaux se dégradent à cause du vieillissement. Les paramètres les plus attaquées sont les constantes d’élasticité, ainsi que la masse volumique pour des vieillissement plus forts et plus longs. Enfin, le nombre des plis des renforts dans un échantillons joue un rôle important dans sa résistance au vieillissement.
Abstract
This thesis discusses the ultrasonic non-destructive characterization of representative samples of offshore wind turbine blades. The samples are made of composite materials based on Unidirectional Glass Fibers Reinforced Polyester (UD GFRP). Samples are subjected to accelerated aging in heated seawater at 40°C and 60°C, in order to simulate the marine environment and reduce study times. The aim is to find acoustic parameters sensitive to aging, enabling the effect of aging to be assessed or quantified. Lamb's guided wave analysis showed a decrease in mode phase velocities and Rayleigh velocity, as well as an increase in attenuation in the material, indicating that the mechanical properties of the material are degrading due to aging. C-scan imaging shows degradation of the resin, leading to reorganization of the fibers and changes in their alignment. Finite element numerical modelling of guided wave propagation in these materials has shown that the structural and geometric properties of the materials degrade with age. The parameters most affected are the elasticity constants, as well as the density for stronger and longer aging. Finally, the number of reinforcement plies in a sample plays an important role in its resistance to aging.
Study οf reactiοn mechanisms fοr the synthesis οf super-heavy elements
Doctorant·e
DONGLO Hope
Direction de thèse
ACKERMANN DIETER (Directeur·trice de thèse)
BOILLEY David (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
04/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Université Caen Normandie, Salle des thèses, Campus 2 Caen
Rapporteurs de la thèse
ANTALIC STANISLAV Comenius University Bratislava
SHEN CAIWAN Huzhou University
Membres du jurys
ACKERMANN DIETER,
Directeur de recherche,
14 GANIL de CAEN
ANTALIC STANISLAV,
,
Comenius University Bratislava
BOILLEY David,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
EVEN JULIA,
,
GRONINGEN - UNIVERSITY OF GRONINGEN
GULMINELLI Francesca,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
SHEN CAIWAN,
,
Huzhou University
Résumé
Cette thèse étudie le mécanisme de synthèse des éléments super-lourds (SHE) par des réactions de fusion-évaporation. Il s'agit de noyaux de numéro atomique \(Z \ge 104\) qui n'existent pas dans la nature en raison de leurs barrières de fission macroscopiques qui disparaissent. Ils sont stabilisés par une correction quantique du modèle en couches. La recherche de nouveaux SHE repousse les limites de la physique nucléaire et nous permet de mieux comprendre leur formation, leur stabilité et leur structure. Cependant, la synthèse des SHE est un défi en raison de la diminution des sections efficaces de production à mesure que la charge atomique augmente, ce qui nécessite des simulations théoriques pour guider les expériences et identifier les conditions de réaction optimales.
Ce travail se concentre sur l'amélioration du pouvoir prédictif du modèle Kewpie2, conçu pour la simulation de la réaction de fusion-évaporation. Cette réaction est modélisée comme un processus en trois étapes : capture, formation et survie. Alors que Kewpie2 simule de manière indépendante la section efficace de capture et la probabilité de survie, il nécessitait des calculs externes pour la probabilité de formation. Cette thèse met en œuvre l'étape de formation dans le code Kewpie2 pour la première fois en utilisant à la fois les formalismes de sur-critiques et de Langevin complet.
La distance du point d'injection (décrivant la configuration initiale de la phase de formation pour le système projectile-cible) est optimisée pour les réactions de fusion froide et chaudes séparément. Une paramétrisation améliorée de la distance du point d'injection, compatible avec le formalisme de Langevin, reproduit les sections efficaces de résidus d'évaporation mesurées pour les réactions de fusion chaude, généralement avec un ratio inférieur à un ordre de grandeur. Pour les réactions de fusion froide, les canaux d'émission de plusieurs neutrons sont expliqués par l'introduction d'un terme structurel supplémentaire, ce qui permet d'obtenir un bon accord avec les données expérimentales. Dans ce cas, les données du canal 1n sont décrites comme ayant une déviation d'un facteur par rapport aux données expérimentales, alors que pour les canaux 2n et 3n, les ratios sont à l'intérieur d'un ordre de grandeur. La thèse étudie également la modélisation de la probabilité de survie en utilisant les données les plus récentes pour SHE. Les étapes de formation et de survie sont testées de manière approfondie et comparées au modèle de fusion par diffusion (FbD) pour 27 réactions de fusion froide et 24 réactions de fusion chaude.
L'analyse des coefficients de frottement réduits dans le cadre de l'approche de Langevin suramortie suggère que la dynamique n'est pas sur-critique. Par conséquent, un formalisme de Langevin unidimensionnel complet est étudié et implémenté dans Kewpie2. Le formalisme est appliqué aux données de réaction de fusion chaude. Les paramètres du modèle sont optimisés à l'aide d'une technique d'ajustement systématique, et les résultats confirment que la dynamique n'est pas sur-critique. Dans cette approche, les prédictions du modèle se situent dans un ordre de grandeur d'écart par rapport aux données expérimentales. Les prédictions pour la synthèse d'éléments de numéros atomiques \(Z_{\text{CN}} = \) 119 et 120 s'accordent avec les résultats d'autres codes. En outre, une méthode d'étude des rapports de probabilités de formation est proposée et discutée pour la synthèse des isotopes $^{258}$No et $^{259}$Db.
En conclusion, ce travail améliore considérablement Kewpie2, ce qui en fait un outil autonome pour l'étude de la synthèse SHE et l'orientation des futurs efforts expérimentaux.
Abstract
This thesis investigates the mechanism of synthesising super-heavy elements (SHE) via fusion evaporation reactions. These are nuclei with atomic numbers \(Z \ge 104\) and do not exist in nature due to their vanishing macroscopic fission barriers. They are stabilised by quantum shell correction. The search for new SHE pushes the boundaries of nuclear physics, furthering our understanding of their formation, stability, and structure. However, synthesising SHE is challenging due to decreasing production cross sections as the atomic charge increases, necessitating theoretical simulations to guide experiments and identify optimal reaction conditions.
This work focuses on improving the predictive power of the Kewpie2 model, designed for fusion evaporation simulation. Fusion evaporation is modelled as a three-stage process: capture, formation, and survival. While Kewpie2 independently simulates the capture cross section and survival probability, it has relied on external calculations for formation probability. This thesis implements the formation step in the Kewpie2 code for the first time using both the overdamped and full Langevin formalisms.
The injection point distance (describing projectile-target nuclei starting configuration) is optimised for cold and hot fusion reaction datasets in both cases. An improved injection point distance parametrisation, consistent with the Langevin formalism, reproduces measured evaporation residue cross sections for hot fusion reactions, typically with accuracy better than an order of magnitude. For cold fusion reactions, multiple neutron emission channels are explained by introducing an additional structural term, achieving good agreement with experimental data. In this case, the 1n channel data are described as having a factor deviation from the experimental data, while the 2n and 3n channels are within an order of magnitude. The thesis also investigates survival probability modelling using the latest data for SHE. Both the formation and survival steps are extensively tested and compared with the Fusion-by-Diffusion (FbD) model for sets of 27 cold and 24 hot fusion reactions.
Analysis of the reduced friction coefficients within the overdamped Langevin approach suggests that the dynamic is not fully damped. Therefore, a full one-dimensional Langevin formalism is investigated and implemented in Kewpie2. The formalism is applied to hot fusion reaction data. The fitting coefficients of the model are optimised using a so-called systematic fitting technique, and the results confirm that the dynamic is not fully damped. In this approach, the model predictions are within an order of magnitude deviations from the experimental data. Predictions for the synthesis of elements with atomic numbers \(Z_{\text{CN}} = \) 119 and 120 align with results from other codes. Additionally, a method for studying ratios of formation probabilities is proposed and discussed for the synthesis of $^{258}$No and $^{259}$Db.
In conclusion, this work significantly enhances Kewpie2, making it a self-contained tool for studying SHE synthesis and guiding future experimental efforts.
Μοdélisatiοn des tοxicités οptiques induites par radiοthérapie avec faisceaux de prοtοns
Doctorant·e
AZEMAR Nathan
Direction de thèse
THARIAT Juliette (Directeur·trice de thèse)
FONTBONNE Jean-Marc (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
04/12/2024 à 16:00
Lieu de la soutenance
Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen, Salle Gilles Iltis (1er étage)
Rapporteurs de la thèse
MAIGNE LYDIA Maître de conférences HDR UNIVERSITE CLERMONT FERRAND 1 AUVERGNE
MATHIS THIBAUD Université Claude Bernard - Lyon 1
Membres du jurys
DELPON GRÉGORY,
,
Institut de Cancéroloige de l'Ouest
FONTBONNE Jean-Marc,
,
CNRS
MAIGNE LYDIA,
Maître de conférences HDR,
UNIVERSITE CLERMONT FERRAND 1 AUVERGNE
MATHIS THIBAUD,
,
Université Claude Bernard - Lyon 1
THARIAT Juliette,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
THUREAU SEBASTIEN,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
Résumé
La protonthérapie, grâce à sa capacité à délivrer des doses élevées aux tumeurs tout en épargnant les tissus sains, est une option thérapeutique privilégiée pour traiter des localisations proches des structures optiques. Cependant, les rayonnements peuvent endommager les voies visuelles et causer des déficits visuels sévères. Cette thèse vise à modéliser les toxicités optiques induites par la protonthérapie chez les patients traités pour des tumeurs de la tête et du cou. Le travail repose sur l’analyse de données dosimétriques et paracliniques collectées auprès de 223 patients traités par protonthérapie au Centre François Baclesse et suivis au CHU de Caen. Une base de données multicentrique a été constituée, incluant les dosimétries, ainsi que les résultats des examens paracliniques (champ visuel, tomographie par cohérence optique et potentiels évoqués visuels). Un modèle relationnel a été développé pour établir un lien entre les résultats de champ visuel et la dose reçue par les organes visuels. Cette modélisation a mis en lumière les difficultés d'association des points du champ visuel avec les structures des voies optiques, en raison de la petite taille des structures, des incertitudes de segmentation et des mouvements des patients. Ce constat nous a conduit à mener une réduction de données et à évaluer les incertitudes de ces dernières. Ces analyses ont révélé les effets immédiats du traitement sur les examens paracliniques, ainsi que leurs évolutions dans le temps. Ces travaux ouvrent la voie à l’utilisation de modèles géométriques pour anticiper les complications visuelles et ainsi optimiser la prise en charge des patients.
Abstract
Proton therapy, with its ability to deliver high doses to tumors while sparing healthy tissues, is a preferred therapeutic option for treating tumors located near optical structures. However, radiation exposure can damage visual pathways, leading to severe visual deficits. This thesis aims to model the optical toxicities induced by proton therapy in patients treated for head and neck tumors. This work is based on the analysis of dosimetric and paraclinical data collected from 223 patients treated with proton therapy at the Centre François Baclesse and monitored at the University Hospital of Caen. A multicenter database was created, including dosimetry data as well as paraclinical examination results (visual field tests, optical coherence tomography, and visual evoked potentials). A relational model was developed to establish a link between visual field outcomes and the dose received by visual organs. This modeling highlighted challenges in associating visual field points with optical pathway structures, due to the small size of these structures, segmentation uncertainties, and patient movements. Consequently, a data reduction and uncertainty evaluation were performed. These analyses revealed the immediate effects of treatment on paraclinical examinations, as well as their progression over time. This work paves the way for the use of geometric and statistical models to predict visual complications, thus optimizing patient care.
Τheοretical study οf thermal cοnvectiοn in a liquid metal battery : Linear stability analysis
Doctorant·e
HIREMATH Anupam Mahantayya
Direction de thèse
MUTABAZI INNOCENT (Directeur·trice de thèse)
CRUMEYROLLE OLIVIER (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
28/11/2024 à 13:00
Lieu de la soutenance
LOMC, Le Havre
Rapporteurs de la thèse
AMIROUDINE SAKIR UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
TUCKERMAN LAURETTE ESPCI PARIS
Membres du jurys
AMIROUDINE SAKIR,
,
UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
KANG CHANGWOO,
,
JEONBUK NATIONAL UNIVERSITY (KR)
LE GAL PATRICE,
,
AIX-MARSEILLE UNIVERSITE
MUTABAZI INNOCENT,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
NORE CAROLINE,
,
UNIVERSITE PARIS 11 PARIS-SUD
RENOULT MARIE-CHARLOTTE,
,
INSA de Rouen Normandie
TUCKERMAN LAURETTE,
,
ESPCI PARIS
YOSHIKAWA HARUNORI,
,
DOSHISHA UNIVERSITY (KYOTO - JAPAN)
Résumé
Les développements rapides dans l'énergie renouvelable ont conduit à une forte demande de systèmes de stockage d'énergie. Parmi les systèmes proposés, les batteries aux métaux liquides (BML) sont des nouveaux systèmes de stockage d'énergie proposés pour stocker l'énergie électrique crée par des sources d'énergie intermittentes telles que les éoliennes, les panneaux photovoltaïques, etc.,
Les BML sont composées de métaux alcalins liquides dans l'électrode supérieure, de sels fondus comme électrolyte et d'alliages comme électrodes inférieures. Ces liquides sont immiscibles et superposés dans une stratification de densité stable. Lors de l'application du courant à travers les batteries, plusieurs phénomènes physico-chimiques se produisent. L'objectif de cette thèse consiste à étudier la convection thermique induite par le chauffage volumétrique de l'électrolyte par effet Joule.
L'étude a d'abord été réalisée sur une seule couche avec chauffage volumétrique soumis à différentes conditions aux limites thermiques et cinématiques. Plus tard, un champ magnétique horizontal a été appliqué pour observer l'évolution des seuils de convection thermique.
Des études ont ensuite été réalisées pour trois batteries différentes pour calculer les seuils de convection thermique pure. Ces seuils dépendent du rapport des propriétés fluides des électrodes à l'électrolyte. Une influence est observée en faisant varier l'épaisseur des tailles d'électrodes et pour une très grande épaisseur des électrodes supérieures, un nouveau mode d'instabilité thermique est observé et il est appelé modes d'électrode-A. Une étude a également été menée en ajoutant un coefficient d'échange thermique aux limites supérieure et inférieure et on voit que la convection est produite rapidement lorsqu'il y a un échange thermique avec l'environnement extérieur. Les effets des forces sur les interfaces ont montré qu'ils diminuaient les seuils de convection thermique. Ces forces sont plus influentes pour l'électrolyte peu profonde et montrent une transition des modes d'électrode-A aux modes d'électrolyte. Un champ magnétique externe appliqué le long de la direction-x a montré qu'il augmentait les seuils de convection thermique pour les perturbations le long de la même direction et montre un allongement des cellules de convection. Tous les modes d'instabilité sont stationnaires.
Abstract
Rapid developments in harnessing the natural sources of energy has lead to a strong demand of efficient energy storage techniques. Among the proposed systems, liquid metal battery (LMB) is a novel system of energy proposed to store the electrical outputs from intermittent sources of energy such as wind energy, solar energy, etc.,
LMBs are composed of liquid alkali metals in top electrode, molten salts as electrolyte and alloys as bottom electrode. These liquids are immiscible and super imposed in a stable density stratification. With the application of current across the battery, several physico-chemical phenomena occurs. The objective of this thesis consists in the investigations of thermal convection induced due to Joule's volumetric heating in the electrolyte.
Initial study has been done on a single layer with volumetric heating subject to different thermal and kinematic boundary conditions. Later a horizontal magnetic field has been applied to detect its effects on the critical parameters of thermal convection.
Equations governing thermal convection induced by Joule heating in the whole battery have been formulated together with the boundary conditions including the interfaces. A numerical code has been developed to solve these equations. These thresholds are found to depend on the ratio of fluid properties of electrodes to those of the electrolyte. The variation of the ratio of electrodes thicknesses to that of the electrolyte leads to a new mode of thermal instability in the upper electrode for very large thickness. The effect of heat exchange of the battery with its ambient environment is to destabilize the conduction state and to facilitate thermal convection. Joule heating in the electrolyte can affect the interfacial tension at both the interfaces and induce thermocapillary (Marangoni) convection, threshold of which depends on the ratio of the electrodes thicknesses. In shallow electrolytes, thermoconvection can appear in the upper electrode before it occurs in the electrolyte. An applied external magnetic field along the horizontal plane increases the threshold of thermal convection elongates the convection cells. All the modes of thermal convection induced by Joule heating are stationary.
Ιntensificatiοn par micrο-οndes de la pyrοlyse de sargasse.
Doctorant·e
DE LA CRUZ ITURBIDES RANDAL
Direction de thèse
POLAERT ISABELLE (Directeur·trice de thèse)
JAUREGUI HAZA ULISES (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
27/11/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
LSPC
Rapporteurs de la thèse
PRE PASCALINE IMT Atlantique, Nantes
QUENDO CÉDRIC Université de Brest
Membres du jurys
ABDELOUAHED LOKMANE,
,
INSA de Rouen Normandie
GASPARD SARRA,
,
Université des antilles, Pointe-à-Pitre, Guadaloupe
JAUREGUI HAZA ULISES,
,
INTEC, République Dominicaine
POLAERT ISABELLE,
,
INSA de Rouen Normandie
PRE PASCALINE,
,
IMT Atlantique, Nantes
QUENDO CÉDRIC,
,
Université de Brest
Résumé
L'objectif de cette thèse est la valorisation des sargasses par pyrolyse assistée par micro-ondes monomodes, avec un accent particulier sur l'évaluation de la faisabilité de ce procédé à la fois à l'échelle du laboratoire et à l'échelle pilote. Cette recherche répond à la nécessité croissante de trouver des solutions énergétiques durables et aborde le problème environnemental que représente l'invasion des sargasses dans les Caraïbes, qui sont devenues un important contaminant dans la région.
La méthodologie s'est concentrée sur l'approfondissement de la compréhension de l'interaction entre les sargasses et les micro-ondes, dans le but d'optimiser et d'intensifier le processus de pyrolyse. Dans le cadre de cette stratégie, des études à l'échelle de laboratoire ont été menées, où la pyrolyse en batch du solide de sargasses a été étudiée, en utilisant du carbure de silicium (SiC) et, pour la première fois, du biochar de sargasses comme absorbants de micro-ondes. L'utilisation du biochar de sargasses s'est révélée plus efficace que le carbure de silicium (SiC), permettant d'obtenir une bio-huile de meilleure qualité, en raison de sa moindre acidité, et une production plus élevée de biogaz riche en hydrogène et en monoxyde de carbone.
Par la suite, à l'échelle pilote, un réacteur a été développé et évalué en termes de compatibilité avec le système micro-ondes à travers des études de thermographie et des simulations sur COMSOL. Un réacteur techniquement fonctionnel a été obtenu, dont le comportement des micro-ondes à l'intérieur du système est fortement conditionné par l'évolution de la permittivité des sargasses. Son efficacité lors de la pyrolyse des sargasses en batch sur le solide a été évaluée. Des difficultés techniques restent à surmonter mais ce procédé a prouvé son intérêt pour pouvoir traiter de grandes quantités de sargasses en semi-batch sur le solide et valoriser cette biomasse invasive.
Abstract
The objective of this thesis is the valorization of sargassum through microwave-assisted pyrolysis using monomode microwaves, with a particular focus on evaluating the feasibility of this process at both laboratory and pilot scales. This research addresses the growing need for sustainable energy solutions and tackles the environmental issue posed by the massive influx of sargassum in the Caribbean, where it has become a significant pollutant in the region.
The methodology centers on enhancing the understanding of the interaction between sargassum and microwaves, with the goal of optimizing and intensifying the pyrolysis process. As part of this strategy, laboratory-scale studies were conducted, where the batch pyrolysis of sargassum solids was investigated, using silicon carbide (SiC) and, for the first time, sargassum biochar as microwave absorbers. The use of sargassum biochar proved more effective than silicon carbide (SiC), yielding a higher quality bio-oil, due to its lower acidity, and a higher production of biogas rich in hydrogen and carbon monoxide.
At the pilot scale, a reactor was developed and evaluated for compatibility with the microwave system through thermographic analysis and simulations using COMSOL. A technically functional reactor was produced, though its microwave behavior was strongly influenced by the evolving permittivity of the Sargassum. The reactor’s efficiency in batch pyrolysis of sargassum solids was assessed, and while technical challenges remain, the process shown promise for treating large quantities of sargassum in semi-batch on the solid fraction and valorizing this invasive biomass.
Etendre nοs cοnnaissances sur la matière nucléaire chaude dans la régiοn de faible densité
Doctorant·e
REBILLARD-SOULIE Alex
Direction de thèse
BOUGAULT Remi (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
26/11/2024 à 14:30
Lieu de la soutenance
Salle Gilles Iltis, Laboratoire de Physique Corpusculaire ENSICAEN
Rapporteurs de la thèse
BENLLIURE JOSE Directeur de recherche VALENCE - UNIVERSIDAD DE VALENCIA
RAMSTEIN BÉATRICE INSTITUT DE PHYSIQUE NUCLEAIRE D'ORSAY
Membres du jurys
BENLLIURE JOSE,
Directeur de recherche,
VALENCE - UNIVERSIDAD DE VALENCIA
BOUGAULT Remi,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
GRUYER DIÉGO,
,
ENSICAEN
JURADO BEATRIZ,
,
Universite de Bordeaux
PAIS HELENA,
Chargé de recherche,
Universidade de Coimbra
PIANTELLI SILVIA,
Chargé de recherche,
Università degli Studi di Firenze
RAMSTEIN BÉATRICE,
,
INSTITUT DE PHYSIQUE NUCLEAIRE D'ORSAY
Résumé
Les clusters légers dans la matière nucléaire apparaissent à des densités inférieures à la densité de saturation nucléaire. Ils peuvent jouer un rôle important dans des scénarios astrophysiques comme les supernovae à effondrement de cœur, où les propriétés de la matière nucléaire influence la propagation de l’onde de choc et le parcours des neutrinos émis. À de telles densités, des effets de milieu sont présents et modifient les propriétés des clusters formés, leur abondance et, par conséquent, la dynamique des supernovae. Nous avons utilisé un modèle champ moyen relativiste (RMF) avec des clusters comme degrés de liberté explicites et des échanges de mésons virtuels. Ce modèle possède un couplage clusters-méson empirique qui nécessite d’être calibré avec des observations expérimentales. À partir des collisions d’ions lourds, nous avons sélectionné des événements afin de construire différents ensembles statistiques correspondant à des conditions thermodynamiques particulières. Dans ces ensembles, nous avons extrait les compositions chimiques en terme de fractions massique des isotopes d’hydrogène et d’hélium. En parallèle, nous avons renforcé l’utilisation de l’hypothèse d’équilibre par l’étude des propriétés d’isoscaling. Enfin, dans une analyse bayésienne, nous avons comparé les ensembles expérimentaux avec des calculs issus du modèle RMF, où la densité, la température et le couplage clusters-méson sont libres. Nous avons reproduit les fractions massiques expérimentales des différents clusters, en considérant une densité unique pour chaque ensemble. Le couplage entre cluster-méson a été calibré pour différentes températures. Pour étudier les limites de cette analyse et l’étendre à d’autres systèmes, une nouvelle expérience a été réalisée avec le multidétecteur INDRA-FAZIA. D’importantes améliorations ont été apportées sur le dispositif, ce qui a permis d’améliorer significativement ses performances, notamment en termes d’identification isotopique. Ainsi, la quasi-totalité du travail de réduction des données (calibration en énergie et identification) a été achevée pour cette nouvelle expérience. Dans le cadre d’une étude préliminaire, l’analyse a été initiée sur les événements de type vaporisation, mais nécessite encore des investigations.
Abstract
Light clusters in nuclear matter appear at densities below nuclear saturation density. They can play an important role in astrophysical scenarios like core-collapse supernovae, where the properties of nuclear matter influence the shock wave propagation and the path of emitted neutrinos. At such densities, in-medium effects are present and modify the properties of the formed clusters, their abundance, and, consequently, the dynamics of supernovae. We used a relativistic mean field (RMF) model with clusters as explicit degrees of freedom and virtual meson exchanges. This model includes an empirical cluster-meson coupling that requires calibration with experimental observations. From heavy ion collisions, we selected events to construct different statistical ensembles corresponding to particular thermodynamic conditions. In these ensembles, we extracted the chemical compositions in terms of the mass fractions of hydrogen and helium isotopes. In parallel, we strengthened the use of the equilibrium hypothesis by studying isoscaling properties. Finally, in a Bayesian analysis, we compared the experimental ensembles with calculations from the RMF model, where density, temperature, and cluster-meson coupling are free parameters. We successfully reproduced the experimental mass fractions of the various clusters, considering a unique density for each ensemble. The cluster-meson coupling has been calibrated for different temperatures. To explore the limitations of this analysis and extend it to other systems, a new experiment was conducted with the INDRA-FAZIA multidetector. Significant improvements were made to the device, which has considerably enhanced its performance, particularly in terms of isotopic identification. Consequently, nearly all of the data reduction work (energy calibration and identification) has been completed for this new experiment. In a preliminary study, the analysis began on vaporization-type events, but further investigations are required.
Energetic iοn prοcessing οf arοmatic mοlecules in the sοlid phase
Doctorant·e
BYCHKOVA Anna
Direction de thèse
DOMARACKA ALICJA (Directeur·trice de thèse)
BODUCH Philippe (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
26/11/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Salle des thèses, Bâtiment Science 3, UCN, Caen
Rapporteurs de la thèse
MANIL Bruno Sorbonne Université
NOBLE JENNIFER CNRS
Membres du jurys
BODUCH Philippe,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
COTTIN HERVE,
,
UNIVERSITE PARIS 12 VAL DE MARNE
DOMARACKA ALICJA,
,
14 GANIL de CAEN
MANIL Bruno,
,
Sorbonne Université
NOBLE JENNIFER,
,
CNRS
SIMON AUDE,
Directeur de recherche,
CNRS
Résumé
Dans les nuages denses, les manteaux glacés sont des condensats de petites molécules sur des grains solides. Ces manteaux glacés représentent des sites prometteurs pour certains processus chimiques. Ils sont constamment irradiés et de nouvelles molécules organiques complexes peuvent être ainsi formées. Une fois que les nuages denses se transforment en disque d'accrétion et, éventuellement, en système planétaire, ces manteaux glacés peuvent potentiellement contribuer au réservoir de molécules complexes des planètes.
Dans cette thèse, les effets de l'irradiation ionique sur deux molécules aromatiques, la pyridine et le pyrène, ont été étudiés. Les échantillons ont été exposés à une irradiation ionique sur les lignes des accélérateurs du GANIL (Caen, France) et de l'ATOMKI (Debrecen, Hongrie). Leur évolution a été suivie par spectroscopie infrarouge in situ. Il a été constaté que la structure initiale (amorphe ou cristalline) et la température d'irradiation n'affectent pas la section efficace de destruction de la pyridine pure. De plus, il a été observé que la dose locale n'est pas un paramètre clé comme cela était affirmé précédemment. En effet, la destruction du pyrène provoquée par des ions lourds, à partir du carbone, est significativement plus importante que celle provoquée par des ions plus légers comme l'hydrogène et l'hélium pour une même dose locale déposée. Pour les deux molécules, une augmentation significative de la section efficace de destruction a été observée lorsque la concentration des molécules dans la matrice d'eau diminue. Le temps de demi-vie de la pyridine et du pyrène dans les nuages denses a été estimé à environ 13 et 20 millions d'années, respectivement. Cela suggère qu'une fois formées dans ces environnements, ces molécules pourraient survivre et contribuer à la formation planétaire.
Abstract
Formed in the dense clouds, icy mantles are condensates of small molecules on solid grains. These icy mantles are promising sites for rich chemical processes, where complex organic molecules can form, as these mantles are continuously exposed to ionizing radiation. Once dense clouds transform into an accretion disc and eventually into a planetary system, these icy mantles may potentially contribute to the reservoir of the complex molecules of the planets.
In this thesis, the effects of ion irradiation on two aromatic molecules, pyridine and pyrene were investigated. The samples were exposed to ion irradiation at the GANIL (Caen, France) and ATOMKI (Debrecen, Hungary) ion beam facilities. Their evolution was monitored using in-situ infrared spectroscopy. It was found that the initial structure (amorphous or crystalline) and the irradiation temperature do not affect the destruction cross section of pure pyridine. Additionally, it was observed that the local dose is not a key parameter as previously assumed. Indeed, since the destruction of pyrene caused by heavy ions, starting from C, is significantly greater than that caused by lighter ions such as H and He for the same deposited local dose. For both molecules, a significant increase in the destruction cross section was observed for decreasing molecule concentration in the water matrix. The half-life time of pyridine and pyrene in dense clouds was estimated to be around 13 and 20 millions of years, respectively. This suggests that once formed in these environments, they could survive and contribute to planetary formation.
PRALONG Valerie (Directeur·trice de thèse)
STIEVANO LORENZO (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
22/11/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Amphithéatre Ensicaen
Rapporteurs de la thèse
CASSAIGNON SOPHIE Sorbonne Université
CHOTARD JEAN-NOËL Maître de conférences HDR UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
Membres du jurys
BRUTTI SERGIO,
Maître de conférences,
Università di ROMA TRE
CASSAIGNON SOPHIE,
,
Sorbonne Université
CHOTARD JEAN-NOËL,
Maître de conférences HDR,
UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
CROGUENNEC LAURENCE,
,
Institut chimie de la matière condensée
PRALONG Valerie,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
STIEVANO LORENZO,
,
UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
Résumé
Dans les années à venir, la production d’énergie devra passer par l’utilisation de moyens plus respectueux de l’environnement, tels que les énergies renouvelables. Cependant, leur caractère intermittent nécessite la mise en place d’un stockage à grande échelle. Parmi les différentes technologies disponibles, les batteries K-ion semblent être une solution idéale grâce à leurs ressources de potassium illimitées. Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la synthèse et à la caractérisation de nouveaux matériaux d’électrodes positives pour batteries K-ion. Les oxydes de métaux de transition et plus particulièrement le système K-Mn-O a attiré notre attention en raison des avantages offerts par le manganèse en termes de non toxicité, de faible coût et d’abondance. La famille de matériaux KxMnO4 de structure 0D à base de tétraèdre de manganèse s’est révélée très intéressante. Nous avons démontré une excellente réversibilité entre les deux phases K3MnO4 et K2MnO4 avec une capacité spécifique de 100mAh/g au potentiel redox moyen de 2,4V. Nous avons également pu obtenir la phase K2Mn2O3 pure grâce à une synthèse par voie azide. Malgré sa structure 3D contenant des tunnels propices à la diffusion du potassium, ce matériau se décompose lors de l’oxydation en charge. Lorsque ce composé est associé au matériau classique KxMnO2, une capacité réversible de 100 mAh/g au potentiel moyen de 3,5 V vs K+/K est obtenue, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour la découverte de nouveaux matériaux de cathode pour batteries K-ions.
Abstract
In the years to come, energy production will have to be based on more environmentally-friendly methods, such as renewable energies. However, the intermittent nature of these energies means that large-scale storage is needed. Among the various technologies available, K-ion batteries appear to be an ideal solution thanks to their unlimited potassium resources. In this context, we are interested in the synthesis and characterization of new positive electrode materials for K-ion batteries. Transition metal oxides, and more specifically the K-Mn-O system, attracted our attention because of the advantages offered by manganese in terms of non-toxicity, low cost and abundance. The study of the KxMnO4 materials with a 0D structure based on manganese tetrahedron has proven to be very interesting. We have demonstrated an excellent reversibility between the two phases K3MnO4 and K2MnO4 with a specific capacity of 100mAh/g at an average redox potential of 2.4V. Furthermore, we were able to obtain the pure K2Mn2O3 phase through an original azide synthesis. Despite its 3D structure, containing tunnels promising a good potassium ion diffusion, this material decomposes during oxidation under charge. Nevertheless, when this compound is combined with the classic KxMnO2 material, a reversible capacity of 100mAh/g at an average potential of 3.5V vs K+/K is obtained, thus opening a new avenue for the discovery of new cathode materials for K-ion batteries.
Atmοspheric muοn studies and light sterile neutrinο search with ΚΜ3ΝeΤ/ΟRCA
Doctorant·e
BAILLY-SALINS Louis
Direction de thèse
LABALME MARC (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
21/11/2024 à 10:30
Lieu de la soutenance
Caen
Rapporteurs de la thèse
BOLOGNESI SARA CEA Paris-Saclay
MARTINEAU OLIVIER Maître de conférences HDR Sorbonne Université
Membres du jurys
BOLOGNESI SARA,
,
CEA Paris-Saclay
GUILLON BENOÎT,
Maître de conférences,
ENSICAEN
LABALME MARC,
,
ENSICAEN
MARTINEAU OLIVIER,
,
Sorbonne Université
REAL JEAN-SÉBASTIEN,
,
CNRS
SAMTLEBEN DOROTHEA,
,
NIKHEF Amsterdam
Résumé
La collaboration KM3NeT construit actuellement deux télescopes Cherenkov à neutrinos au fond de la mer Méditerranée, ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) pour mesurer les oscillations des neutrinos atmosphériques et ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) pour détecter les neutrinos provenant de sources astrophysiques.
Dans ce manuscrit, après avoir passé en revue l'état des mesures d'oscillation des neutrinos et des recherches de neutrinos stériles légers dans le premier chapitre, les détecteurs KM3NeT sont présentés dans le deuxième chapitre.
Dans le chapitre 3, une méthode d'étalonnage basée sur la qualité des traces de muons atmosphériques reconstruites est utilisée pour valider les procédures d'étalonnage de la position et de l'orientation des détecteurs KM3NeT, et une nouvelle méthode également basée sur les muons est développée pour effectuer l'étalonnage en temps d'une manière beaucoup moins gourmande en ressources CPU que la méthode précédente. Ensuite, dans le chapitre 4, les muons atmosphériques sont étudiés plus en détail pour sélectionner ceux qui s'arrêtent dans le volume instrumenté de KM3NeT/ORCA. Nous montrons qu'avec une configuration très partielle (5%) du détecteur ORCA, plus de 8000 muons d'arrêt peuvent être sélectionnés par jour avec une pureté de plus de 95% et un excellent accord entre données et simulations.
Enfin, le chapitre 5 décrit la première analyse d'oscillation réalisée avec les données ORCA pour rechercher un neutrino stérile léger. Aucun signal positif n'est trouvé à un niveau de confiance de 90%, et des limites compétitives sont posées sur l'amplitude du mélange des neutrinos muoniques et tauiques avec un état stérile.
Abstract
The KM3NeT collaboration is currently building two Cherenkov neutrino telescopes at the bottom of the Mediterranean sea, ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) to measure atmospheric neutrino oscillations and ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) to detect neutrinos from astrophysical sources.
In this manuscript, after reviewing the status of neutrino oscillation measurements and light sterile neutrino searches in the first chapter, the KM3NeT detectors are presented in the second chapter.
In chapter 3, a calibration method based on the quality of the reconstructed atmospheric muon tracks is used to cross-validate the position and orientation calibration procedures of KM3NeT detectors, and a new muon-based method is developed to perform the time calibration in a much less CPU intensive way than the previous method. Then, in chapter 4, atmospheric muons are further studied to select those stopping within the instrumented volume of KM3NeT/ORCA. We show that with a very partial configuration (5%) of the ORCA detector, more than 8000 stopping muons can be selected per day with a purity of more than 95% and an excellent agreement between data and simulations.
Finally, chapter 5 describes the first oscillation analysis performed with ORCA data to search for a light sterile neutrino. No positive signal is found at a 90% confidence level, and competitive limits are put on the magnitude of the mixing of muon and tau neutrinos with a sterile state.
Ιnfluence οf nanοhydratiοn οn the structure and radiatiοn-induced fragmentatiοn οf gas-phase biοmοlecules
Doctorant·e
LEROUX Juliette
Direction de thèse
CHESNEL Jean-Yves (Directeur·trice de thèse)
BARI SADIA (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
19/11/2024 à 14:30
Lieu de la soutenance
Groningen
Rapporteurs de la thèse
SCHNELL MELANIE Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
SCUDERI DEBORA Université Paris Saclay
Membres du jurys
BARI SADIA,
,
GRONINGEN - UNIVERSITY OF GRONINGEN
CHESNEL Jean-Yves,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
DOUADY Julie,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
HOEKSTRA RONNIE,
,
GRONINGEN - UNIVERSITY OF GRONINGEN
ROUSSEAU Marc,
,
Laboratoire de Physique corpusculaire de Caen
SCHNELL MELANIE,
,
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
SCUDERI DEBORA,
,
Université Paris Saclay
VAN DER WAL CASPAR,
,
GRONINGEN - UNIVERSITY OF GRONINGEN
Résumé
Dans le milieu biologique, l'eau conditionne la structure et la fonction des biomolécules, la première couche de solvatation jouant un rôle fondamental dans ces propriétés. Pour comprendre ce rôle particulier de l'eau, une approche bottom-up peut être utilisée, comme l'étude de l'hydratation progressive des biomolécules en phase gazeuse. Cette thèse présente une étude expérimentale et théorique de l'influence de la nanohydratation sur la structure et les processus physiques des biomolécules en phase gazeuse par irradiation avec des photons X.
Dans un premier temps, nous avons décrit le dispositif expérimental et la source d'ionisation par électrospray dédiée à la production de biomolécules nanohydratées. Dans la deuxième partie, nous avons étudié la solvatation de deux systèmes modèles : l’adénosine monophosphate déprotonée et la phosphotyrosine. À l'aide de calculs de chimie quantique, nous avons étudié l'influence de la solvatation progressive sur la structure tridimensionnelle et les caractéristiques spectroscopiques de l'AMP. Nous avons démontré qu'une seule molécule d'eau affecte déjà sa géométrie. En outre, nous avons étudié l'influence d'une seule molécule d'eau sur la structure et les spectres d'absorption des rayons X de la phosphotyrosine. En combinant la spectroscopie à rayons X avec des calculs de chimie quantique, nous avons pu déterminer l'emplacement de la molécule d'eau et démontrer ses caractéristiques dans le spectre d'absorption des rayons X à la couche K de l'oxygène. Enfin, nous avons examiné l'empreinte électronique des sites de protonation dans des peptides modèles à l'aide de leurs spectres de rayons X à la couche K de l'azote.
Abstract
In the biological medium, water conditions the structure and function of biomolecules, with the first solvation shell playing a fundamental role in these properties. To understand this particular role of water, a bottom-up approach can be utilized, such as investigating the stepwise hydration of biomolecules in the gas phase. This thesis presents an experimental and theoretical study on the influence of nanohydration on the structure and physical processes of gas-phase biomolecules by irradiation with soft X-ray photons.
First, we described the experimental setup and the electrospray ionization source dedicated to producing nanohydrated biomolecules. In the second part, we studied the solvation of two model systems: deprotonated adenosine monophosphate (AMP) and protonated phosphorylated amino acid phosphotyrosine. Using quantum chemical calculations, we investigated the influence of stepwise solvation on the three-dimensional structure and spectroscopic characteristics of AMP. We demonstrated that a single water molecule already affects the geometry. Furthermore, we investigated the influence of a single water molecule on the structure and X-ray absorption spectra of phosphotyrosine. By combining soft X-ray spectroscopy with quantum chemical calculations, we could determine the location of the water molecule and demonstrate its features in the X-ray absorption spectrum at the oxygen K-edge. Lastly, we examined the electronic fingerprint of the protonation sites in model peptides using their X-ray spectra at the nitrogen K-edge. We mapped the differences in the electronic transitions caused by different proton locations at the nitrogen and oxygen sites present within the peptide backbone and amino acid side chains.
Cοllisiοns réactives entre électrοns et catiοns d'hydrures : apprοches théοriques et applicatiοns dans les milieux iοnisés hοrs-équilibre
Doctorant·e
BOFFELLI Jeoffrey
Direction de thèse
SCHNEIDER IOAN (Directeur·trice de thèse)
BULTEL ARNAUD (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
18/11/2024 à 14:30
Lieu de la soutenance
Amphi RDC Bâtiment Prony
Rapporteurs de la thèse
DULIEU OLIVIER UNIVERSITE PARIS-SACLAY
ROUEFF EVELYNE OBSERVATOIRE DE PARIS
Membres du jurys
AYOUZ MEHDI ADRIEN,
,
CentraleSupélec
BULTEL ARNAUD,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
DULIEU OLIVIER,
,
UNIVERSITE PARIS-SACLAY
GRISOLIA CHRISTIAN,
,
CEA CADARACHE
LEPERS MAXENCE,
,
UNIVERSITE DE BOURGOGNE
ROUEFF EVELYNE,
,
OBSERVATOIRE DE PARIS
SCHNEIDER IOAN,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
Résumé
Les collisions de molécules par impact d'électrons sont présentes dans les milieux ionisés froids tel que les nuages interstellaire, les atmosphères de planètes et les plasma froids. Avec assez d'énergie pour se déplacer et s'extraire, les électrons collisionnent et réagissent avec d'autres espèces dans leur environnement formant des précurseurs de molécules plus complexes ainsi que détruisant d’autres espèces, permettant la redistribution d’énergie et de matière. Les chercheurs expérimentaux et théoriques travaillent main dans la main pour améliorer en continue leur capacité de mesure et de description de la cinétique de ces milieux. Des appareils de mesures tel que les anneaux de stockage (e.g. CSR) sont maintenant capables de produire des mesures avec une résolution d’état à état. D’autre part, les études théoriques, elles, ne sont pas restreintes par des limitations physiques (e.g. finance) ou chimiques (e.g. toxicité) mais restent, comme les expériences, longues à mener.
Ce travail de thèse porte sur deux approches théoriques et leurs applications pour étudier différents processus de trois cations moléculaires diatomiques. Premièrement, nous étendons l’étude précédente de notre groupe sur la recombinaison dissociative de CF+ en prenant en compte plus d’états dissociatives (venant de la symétrie neutre 4Π), en produisant des rapports de branchements et en calculant des sections efficaces et des vitesses de réactions pour l’excitation vibrationnelle (en utilisant l’approche SW-MQDT). Malgré que la structure rotationnelle soit négligée, et qui devrait être étudié dans un travail future, on observe un bon accord avec les résultats expérimentaux des anneaux de stockage pour les rendements venant du processus de recombinaison dissociative. Deuxièmement, nous étendons à haute énergie, l’étude de BeH+ précédente de notre groupe à basse énergie en incluant le processus d’excitation dissociative à travers la discrétisation des continuum d’ionisation et en prenant en compte des états dissociatives plus haut énergétiquement, permettant la production de sections efficaces et de vitesses de réactions pour la recombinaison dissociative, l’excitation dissociative et les transitions vibrationnelles (en utilisant l’approche SW-MQDT). En fin, nous étudions la recombinaison dissociative de CF+ en utilisant une approche différente appelée RMT-MQDT, où les couplages électroniques et les états dissociatives n’ont pas besoin d’être calculés de manière explicite, basée sur la théorie de la R-matrice pour calculer la matrice de diffusion à géométrie fixée électronique et aussi basée sur la théorie de la MQDT --- pour traiter le mouvement nucléaire (changement de repère) et prenant en compte les séries d’états de Rydberg (défaut quantiques avec CCEP). Un bon accord est trouvé avec l’expérience des anneaux de stockage lorsque la structure rotationnelle de la molécule est pris en compte.
Abstract
Electron-impact collisions of molecules are present in cold ionized media such as interstellar clouds, planetary atmospheres and cold plasma. With enough energy to move about and escape from capture, electrons collide and react with other species in their environment forming precursors of more complex molecules and destroying species, allowing for redistribution of energy and material. Experimental and theoretical researchers are working hand-in-hand to continuously improve their respective ability to probe and to describe the kinetic of such media. Experimental devices such as storage-rings (e.g. CSR) are now able to produce measurements with state-to-state resolution. On the other hand, theoretical studies are not restricted by physical (e.g. finance) or chemical (e.g. toxicity) limitations while still being time-consuming. This work is about two theoretical approaches and their applications to investigate different processes for three diatomic molecular cations. Firstly, we extend our group previous dissociative recombination study of SH+ by accounting for more dissociative states (coming from the 4Π neutral symmetry), by producing branching ratios and by calculating vibrational excitation cross sections and rate coefficients (using the SW-MQDT approach). While the rotational structure of the molecule is neglected and should be investigated in a future work, good agreement is found with the storage-ring measurements for the yields from the dissociative recombination process. Secondly, we also extend our group previous low energy study BeH+ to high energy including the dissociative excitation process through discretized ionization continua and by accounting for higher-lying dissociative states, allowing the production of cross sections and rate coefficients for the dissociative recombination, dissociative excitation and vibrational transitions (using the SW-MQDT approach). Finally, we investigate the dissociative recombination of CF+ using a different approach called RMT-MQDT, where electronic couplings and neutral dissociative states do not need to be explicitly calculated, based on R-matrix theory to calculate the electronic fixed-geometry scattering matrix and based also on MQDT theory --- for the treatment of the nuclear motion (frame transformation) and accounting for the Rydberg series of states (quantum defect with CCEP). Good agreement is found with the storage-ring experiment when accounting for the rotational structure of the molecule.
Cοmpréhensiοn des mécanismes réactiοnels pοur la décοmpοsitiοn catalytique du prοtοxyde d'azοte (Ν20) appliquée aux unités de prοductiοn d'acide nitrique
Doctorant·e
LALUC Mathias
Direction de thèse
DATURI Marco (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
15/11/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Salle des thèses
Rapporteurs de la thèse
CAN FABIEN Maître de conférences Université Poitiers
FERRI DAVIDE Institut Paul Scherrer PSI
Membres du jurys
AL LAKISS LOUWANDA,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
CAN FABIEN,
,
Université Poitiers
DATURI Marco,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
FERRI DAVIDE,
,
Institut Paul Scherrer PSI
FINOCCHIO ELISABETTA,
,
Université de GENES
Résumé
La décomposition catalytique du protoxyde d'azote (N₂O) est un processus clé dans la réduction des émissions de gaz à effet de serre des usines de production d'acide nitrique.
Malgré des recherches approfondies, une compréhension détaillée des mécanismes de réaction impliqués reste essentielle pour optimiser les performances des catalyseurs et développer des procédés plus efficaces. Cette thèse étudie les voies réactionnelles fondamentales et les mécanismes catalytiques pour la décomposition du N₂O sur des catalyseurs à base de Fe-zéolithes. À l'aide d'une combinaison de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) in situ et de spectroscopie FTIR operando, les espèces de
surface, les réactions intermédiaires et les sites actifs responsables de la décomposition du N₂O ont été systématiquement explorés.
L'étude fournit des informations sur l'activation et la dissociation du N₂O sur les catalyseurs à base de zéolithes de Fe, en identifiant les facteurs clés qui influencent l'efficacité catalytique, tels que les états d'oxydation du Fe, les propriétés de texture et les propriétés de structure. Ces résultats contribuent à une compréhension plus complète du comportement catalytique dans des conditions industrielles et proposent des stratégies pour améliorer la conception des catalyseurs, visant à réduire les émissions de N₂O dans les processus de production d'acide nitrique.
Abstract
The catalytic decomposition of nitrous oxide (N₂O) is a key process in reducing greenhouse gas emissions from nitric acid production plants. Despite extensive research, a detailed
understanding of the reaction mechanisms involved remains essential to optimize catalyst performance and develop more efficient processes. This thesis investigates the fundamental
reaction pathways and catalytic mechanisms for the decomposition of N₂O over Fe-zeolites based catalysts. Using a combination of in situ Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy, and operando FTIR spectroscopy, the surface species, intermediate reactions, and active sites responsible for N₂O decomposition were systematically explored.
The study provides insights into the activation, and dissociation of N₂O on Fe-zeolites based catalysts, identifying the key factors that influence catalytic efficiency, such as Fe oxidation
states, textural properties and structure properties. These findings contribute to a more comprehensive understanding of the catalytic behavior in industrial conditions and offer
strategies for improving catalyst design, aiming at reducing N₂O emissions in nitric acid production processes.
Cοnceptiοn des systèmes mécaniques à absοrbeurs de vibratiοns nοn-linéaire en présence d'incertitudes
Doctorant·e
SANTANA REYES PATRICIA
Direction de thèse
PAGNACCO Emmanuel (Directeur·trice de thèse)
SAMPAIO RUBENS (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
14/11/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
MA J R1 01
Rapporteurs de la thèse
ACOSTA-HUMANEZ PRIMITIVO Universidad Autónoma de Santo Domingo (UASD)
RODRIGUES MACHADO MARCELA Universidade de Brasília
Membres du jurys
ACOSTA-HUMANEZ PRIMITIVO,
,
Universidad Autónoma de Santo Domingo (UASD)
JACQUELIN ERIC,
,
Université Claude Bernard Lyon 1
PAGNACCO Emmanuel,
,
INSA de Rouen Normandie
RODRIGUES MACHADO MARCELA,
,
Universidade de Brasília
SAMPAIO RUBENS,
,
PUC-Rio, Bresil
Résumé
Ce travail de thèse explore le comportement des absorbeurs d’énergie non linéaires (NES) dans les systèmes mécaniques, en mettant l’accent sur leur dynamique et l’impact des incertitudes associées aux paramètres de ces systèmes.
L’évaluation des performances vibratoires des systèmes est d’abord réalisée dans un cadre déterministe à l’aide de la méthode de l’équilibre harmonique (HBM), permettant de déterminer l’évolution des fréquences modales en fonction de l’énergie, via des graphes FEP, ainsi que les modes normaux non linéaires (NNM). Cela permet de mieux comprendre l’influence des NES dans des systèmes types, tels que les oscillateurs masse-ressort-amortisseur et les poutres d’Euler-Bernoulli, en analysant les mécanismes de transfert d’énergie et de dissipation dans ces systèmes équipés de NES.
L’étude aborde ensuite la prise en compte des incertitudes via un modèle de réponse stochastique. Pour gérer la complexité de la dynamique non linéaire, une approche basée sur la décomposition orthogonale propre (POD) et l’expansion sur une base de chaos polynomial multi-élément (MPCE) est utilisée. Cette méthode permet de réduire la dimensionnalité du problème tout en représentant la dynamique du système sous incertitude. L’efficacité de cette stratégie est évaluée à travers des applications aux oscillateurs masse-ressort-amortisseur, aux poutres d’Euler-Bernoulli et aux rotors, en partant d’un niveau d’énergie initial fixé pour chaque configuration afin de déterminer les réponses temporelles stochastiques.
Ce travail de recherche apporte une contribution significative aux domaines du contrôle passif des vibrations et de la quantification des incertitudes, en approfondissant l’étude du comportement des NES et en proposant des méthodologies avancées pour la propagation des incertitudes dans des systèmes dynamiques complexes.
Abstract
This thesis explores the behavior of Nonlinear Energy Sinks (NES) in mechanical systems, focusing on their dynamics and the impact of uncertainties associated with system parameters.
The evaluation of the vibrational performance of the systems is first carried out in a deterministic framework using the Harmonic Balance Method (HBM), which allows for determining the evolution of modal frequencies as a function of energy, through Frequency Energy Plots (FEP), as well as the Nonlinear Normal Modes (NNM). This helps to better understand the influence of NES in typical systems such as mass-spring-damper oscillators and Euler-Bernoulli beams, by analyzing the energy transfer and dissipation mechanisms in these NES-equipped systems.
The study then addresses the incorporation of uncertainties via a stochastic response model. To handle the complexity of the nonlinear dynamics, an approach based on Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Multi-Element Polynomial Chaos Expansion (MPCE) is used. This method reduces the dimensionality of the problem while representing the dynamic response of the system under uncertainty. The efficiency of this strategy is evaluated through applications to mass-spring-damper oscillators, Euler-Bernoulli beams, and rotors, starting from a fixed initial energy level for each configuration to determine the stochastic temporal responses.
This research makes a significant contribution to the fields of passive vibration control and uncertainty quantification, by deepening the understanding of NES behavior and proposing advanced methodologies for the propagation of uncertainties in complex dynamic systems.
Brοadband emitting materials dοped with thulium and hοlmium iοns fοr sοlid-state lasers at 2 μm and beyοnd
Doctorant·e
EREMEEV Kirill
Direction de thèse
BRAUD Alain (Directeur·trice de thèse)
LOIKO PAVEL (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
13/11/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Salle des thèses, S3-102, Bâtiment Sciences 3, Campus 2, Caen
Rapporteurs de la thèse
PETIT YANNICK Maître de conférences HDR Universite de Bordeaux
POTDEVIN AUDREY Maître de conférences HDR UNIVERSITE CLERMONT FERRAND 1 AUVERGNE
Membres du jurys
BRAUD Alain,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
DHOLLANDE ANNE,
Directeur de recherche,
Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL)
LE COQ DAVID,
,
Université de Rennes
LE GOUËT JULIEN,
,
Office National d'Etudes&recherches Aéro
LOIKO PAVEL,
,
ENSICAEN
PETIT YANNICK,
Maître de conférences HDR,
Universite de Bordeaux
PORTIER Xavier,
,
ENSICAEN
POTDEVIN AUDREY,
Maître de conférences HDR,
UNIVERSITE CLERMONT FERRAND 1 AUVERGNE
Résumé
De nouveaux matériaux inorganiques actifs au laser, dopés avec des ions de thulium et d'holmium, ont été étudiés pour leur potentiel dans les lasers à accord large et ultrarapides fonctionnant dans la gamme spectrale infrarouge à ondes courtes de 2 à 3 μm. Les lasers émettant dans cette gamme spectrale trouvent de nombreuses applications, notamment dans les systèmes de télédétection par laser, la détection de gaz et la médecine. Ils sont utilisés comme systèmes amplificateurs pour la génération d’harmoniques d’ordre élevé, la génération de térahertz, et la conversion ultérieure de fréquence dans la région infrarouge moyen.
La présente thèse de doctorat établit des relations entre les propriétés structurelles des matériaux cristallins d'oxydes et de fluorures, sous forme de monocristaux et de céramiques transparentes, et les propriétés spectroscopiques des ions dopants de thulium et d'holmium, ainsi que leurs caractéristiques laser, qui sont essentielles pour le développement des lasers. De plus, les processus physiques sous-jacents à un comportement laser inattendu sont révélés. Cette étude systématique des matériaux laser permet d'identifier les compositions les plus prometteuses pour le développement de lasers à large accordabilité et à impulsions ultracourtes.
Cette étude se concentre principalement sur des matériaux présentant un élargissement spectral inhomogène significatif, se traduisant par des spectres d'absorption et d'émission larges et sans structure des ions dopants. Afin de promouvoir cet effet, plusieurs stratégies ont été envisagées, notamment l'agrégation d'ions de terres rares, le désordre de la structure locale, le désordre de composition dans les composés à solution solide et les bandes latérales de phonons résultant des interactions électron-phonon.
La formation d'agrégats de thulium et d'holmium dans des cristaux de fluorure de calcium permet une opération laser efficace et à accord large autour de 2,1 μm. Une étude spectroscopique polarisée des propriétés d'émission des ions d'holmium dans des cristaux désordonnés d'aluminate de terres rares met en lumière ses propriétés spectrales à large bande et le rôle de l'émission assistée par multiphonons, qui se produit au-delà des transitions électroniques, dans les émissions laser inattendues observées dans les lasers à verrouillage de modes. Dans les céramiques à solution solide sesquioxyde du système ternaire yttria-lutécia-scandia dopées avec des ions de thulium, il existe une variation forte et presque linéaire de la force du champ cristallin avec la taille moyenne du cation formant l'hôte. Cette relation permet de personnaliser à la fois la position et la largeur de la bande d'émission au-delà de 2 μm en ajustant de manière appropriée la composition de l'hôte. Des opérations laser très efficaces des sesquioxydes dopés au thulium et à l'holmium autour de 2,1 μm et 2,3 μm ont été démontrées.
Abstract
Novel laser-active inorganic materials doped with thulium and holmium ions have been investigated for their potential in broadly tunable and ultrafast lasers operating in the short-wave infrared spectral range of 2 to 3 μm. Lasers emitting within this spectral range find numerous applications, including light detection and ranging systems, gas sensing, medicine. They are used as amplifying systems for high harmonic generation and terahertz generation, and further frequency conversion into the mid-infrared region.
The present PhD thesis establishes relationships between the structural properties of oxide and fluoride crystalline materials, in the form of single crystals and transparent ceramics, and the spectroscopic properties of thulium and holmium dopant ions, along with their laser characteristics, which are essential for laser development. Moreover, the physical processes underlying unexpected laser behaviour are revealed. This systematic study of laser materials allows for the identification of the most promising compositions for the development of broadly tunable and ultrashort pulse lasers.
This study mainly focuses on materials that exhibit significant inhomogeneous spectral line broadening, resulting in broad and structureless absorption and emission spectra of the dopant ions. In order to promote this effect, several strategies have been considered, including rare-earth ion clustering, local structure disorder, compositional disorder in solid-solution compounds, and phonon-sidebands arising from electron-phonon interactions.
The formation of thulium and holmium clusters in calcium fluoride crystals enables efficient and broadly tunable laser operation around 2.1 μm. A polarized spectroscopic study of the emission properties of holmium ions in disordered calcium rare-earth aluminate crystals sheds light on its broadband spectral properties and on the role of multiphonon assisted emission, which occurs beyond electronic transitions, in unexpected laser emissions observed in mode-locked lasers. In solid-solution sesquioxide ceramics of the yttria-lutetia-scandia ternary system doped with thulium ions, there is a strong and nearly linear variation of the crystal-field strength with the mean size of the host-forming cation. This relationship allows for the customization of both the position and width of the emission band above 2 μm by appropriately adjusting the host composition. Highly efficient laser operations of thulium- and holmium-doped sesquioxides around 2.1 μm and 2.3 μm have been demonstrated.
Etude du cοmpοrtement hygrοthermique et durabilité de matériaux de cοnstructiοn incοrpοrant des biοmasses
Doctorant·e
AFFAN Houssam
Direction de thèse
KHADRAOUI-MEHIR FOUZIA (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
08/11/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
Builders Ecole d'ingénieurs
Rapporteurs de la thèse
BELAYACHI NAIMA Université d'Orléans
MAHERZI WALID Maître de conférences HDR IMT Lille Douai - Ecole Nationale Supérieure des Mines-Télécom Lille Douai
Membres du jurys
AJOUGUIM SOUKAINA,
,
Universite Artois
BELAYACHI NAIMA,
,
Université d'Orléans
BOUTOUIL MOHAMED,
Directeur de recherche,
BUILDERS ECOLE D'INGENIEURS CAEN
EL HADDAJI BADREDDINE,
,
ESTP PARIS
KHADRAOUI-MEHIR FOUZIA,
Chercheur HDR,
BUILDERS ECOLE D'INGENIEURS CAEN
LAFHAJ ZOUBEIR,
,
ECOLE CENTRALE LILLE
MAHERZI WALID,
Maître de conférences HDR,
IMT Lille Douai - Ecole Nationale Supérieure des Mines-Télécom Lille Douai
SENOUCI AHMED,
,
Université de Houston - Texas
Résumé
Face à une urbanisation et une industrialisation croissante, le secteur de la construction consomme énormément d'énergie et de ressources naturelles, contribuant ainsi à la pollution et à l'augmentation de l'empreinte carbone. Ce contexte est aggravé par la pénurie d'énergies primaires et le réchauffement climatique. L'utilisation de matériaux écologiques tels que les liant bas carbone et les déchets biosourcés apparaissent comme une solution prometteuse, permettant de réduire la consommation d'énergie et les émissions de gaz à effet de serre. En Europe, des réglementations comme la RT2012 et la RE2020 ont été mises en place pour atténuer l'impact environnemental du secteur du bâtiment.
L'objectif de cette étude est de développer des matériaux isolants ou structurels en associant différentes biomasses à des liants bas carbone. Cinq biomasses sont utilisées : chènevotte, anas de lin, anas de miscanthus, fibres d'algues et paille de lin, et 2 types de liant : ciment prompt naturel et chaux aérienne. L'ajout de biomasse peut altérer la cohésion au sein du matériau et perturber le processus d'hydratation, affectant ainsi les propriétés physiques, mécaniques, thermiques, hydriques et hygroscopiques. Ce travail de thèse présente une analyse comparative du comportement hygrothermique des différents matériaux élaborés.
Après la caractérisation des constituants de base, les matériaux de l’étude sont décrits et élaborés. Dans un premier temps, l'intégration des fibres d'algues (1, 2,5 et 4%) et de la paille de lin (2,5%) dans la bauge est étudiée. Les algues améliorent les propriétés thermiques du mélange en augmentant l'isolation grâce à la porosité. Cette approche pourrait améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments et promouvoir des pratiques de construction écologiques.
L'ajout de chènevotte, anas de lin et anas de miscanthus (50% de la masse de liant) est ensuite étudié et les propriétés hygrothermiques sont analysées.
Enfin, l'étude de la durabilité examine l'impact des cycles de gel/dégel sur les matériaux. Un équilibre de miscanthus avec ciment et chaux semble prometteur pour maintenir une bonne résistance post-exposition. Des ajustements sont nécessaires pour les matériaux à forte absorption d'eau comme la chènevotte et l'anas de lin. Une recherche continue est nécessaire pour optimiser les formulations et les processus de fabrication, en particulier pour les mélanges cimentaires et les liants mixtes ciment/chaux, afin de minimiser la perte de masse et préserver la résistance à la compression.
Abstract
Facing growing urbanization and industrialization, the construction sector consumes vast amounts of energy and natural resources, thus contributing to pollution and the increase of carbon footprints. This situation is exacerbated by the shortage of primary energy sources and global warming. The use of eco-friendly materials, such as low-carbon binders and bio-based waste, appears as a promising solution, helping to reduce energy consumption and greenhouse gas emissions. In Europe, regulations such as RT2012 and RE2020 have been implemented to mitigate the environmental impact of the building sector.
The aim of this study is to develop insulating or structural materials by combining different biomasses with low-carbon binders. Five types of biomass are used: hemp hurds, flax shives, miscanthus shives, algae fibers, and flax straw, along with two types of binders: natural prompt cement and aerial lime. The addition of biomass can alter the cohesion within the material and disrupt the hydration process, thereby affecting the physical, mechanical, thermal, water, and hygroscopic properties. This thesis presents a comparative analysis of the hygrothermal behavior of the various materials developed.
After the characterization of the basic components, the materials under study are described and developed. First, the integration of algae fibers (1%, 2.5%, and 4%) and flax straw (2.5%) into cob is studied. Algae improve the thermal properties of the mixture by increasing insulation through porosity. This approach could enhance the energy efficiency of buildings and promote eco-friendly construction practices. Next, the addition of hemp hurds, flax shives, and miscanthus shives (50% of the binder mass) is studied, and their hygrothermal properties are analyzed.
Finally, the durability study examines the impact of freeze/thaw cycles on the materials. A combination of miscanthus with cement and lime seems promising for maintaining good post-exposure strength. Adjustments are necessary for materials with high water absorption, such as hemp hurds and flax shives. Further research is needed to optimize formulations and manufacturing processes, particularly for cement-based mixtures and mixed cement/lime binders, to minimize mass loss and preserve compressive strength.
Electrοn crystallοgraphy οf nanοparticles
Doctorant·e
CORDERO OYONARTE Erica
Direction de thèse
BOULLAY Philippe (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
07/11/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
CRISMAT - ENSICAEN Batiment G
Rapporteurs de la thèse
CALDÈS MARIA TERESA Institut des matériaux Jean Rouxel
ROUSSEL PASCAL ECOLE NATIONALE SUPERIEURE de CHIMIE
Membres du jurys
BOULLAY Philippe,
,
ENSICAEN
CALDÈS MARIA TERESA,
,
Institut des matériaux Jean Rouxel
GONZALEZ CALATAYUD DAVID,
Maître de conférences,
Universidad Autonoma de MADRID
PRALONG Valerie,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
ROUSSEL PASCAL,
,
ECOLE NATIONALE SUPERIEURE de CHIMIE
Résumé
Les nanoparticules (NPs) suscitent un grand intérêt en raison de leurs propriétés uniques, ce qui les rend utiles dans différents domaines scientifiques. Comprendre la structure cristallographique des NPs est crucial pour découvrir leurs caractéristiques distinctes et concevoir de nouveaux matériaux. La diffraction des rayons X sur monocristal est utilisée pour la détermination précise de la structure cristalline ; cependant, elle est limitée par la petite taille des NPs. La diffraction des rayons X sur poudre (PXRD) constitue une alternative pour l'identification de phases et la taille moyenne des particules, mais elle présente des limitations en matière d'affinement de structure en raison de l'élargissement et du chevauchement des pics. La diffraction des électrons (ED) apparaît comme une méthode précieuse pour étudier des nanoparticules individuelles, car les électrons interagissent plus fortement avec la matière que les rayons X. En particulier, les techniques de diffraction des électrons en 3D (3D ED) ont révolutionné ce domaine, permettant une analyse structurelle détaillée de très petits cristaux. Ce travail vise à tester les limites de la 3D ED pour analyser la structure de nanoparticules inorganiques aussi petites que 10 nm en utilisant différents protocoles, tels que la 3D ED assistée par précession, la 3D ED en rotation continue ou la ED sérielle. Il explore également le potentiel de la 3D ED par rapport à la PXRD et son application à divers défis de caractérisation structurelle des nanoparticules. Ceux-ci incluent, par exemple, la détection d'atomes légers, l'affinement des occupations mixtes ou la résolution de structures complexes inconnues.
Abstract
Nanoparticles (NPs) are of great interest due to their unique properties, making them useful in different scientific fields. Understanding the crystallographic structure of NPs is crucial for uncovering their distinct characteristics and designing new materials. Single Crystal X-ray Diffraction is employed for accurate crystal structure determination; however, it is limited by the small size of NPs. Powder X-ray Diffraction (PXRD serves as an alternative for phase identification and average particle size, but it has limitations in structure refinement due to peak broadening and overlapping. In particular, 3D Electron Diffraction (3D ED) techniques have revolutionized the field, enabling detailed structural analysis of very small crystals. This work aims to test the limits of 3D ED for analyzing the structure of inorganic nanoparticles as small as 10 nm using various protocols, such as precession-assisted 3D ED, continuous rotation 3D ED, and serial ED. It also explores the potential of 3D ED compared to PXRD and its application to various structural characterization challenges in NPs, including the detection of light atoms, refinement of mixed occupancies, and solving complex unknown structures
Applicatiοn de l'hοlοgraphie numérique deux cοuleurs à la caractérisatiοn 3D de gοuttelettes micrοmétriques prοduites par la rupture d'un filament viscοélastique
Doctorant·e
NOURY Robin
Direction de thèse
LEBRUN DENIS (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
07/11/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
CORIA UMR6614
Rapporteurs de la thèse
PLANCHETTE CAROLE Université de Graz (Autriche)
SLANGEN PIERRE Université de Montpellier
Membres du jurys
LEBRUN DENIS,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
LEGENDRE DOMINIQUE,
,
Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
PICART PASCAL,
,
UNIVERSITE LE MANS
PLANCHETTE CAROLE,
,
Université de Graz (Autriche)
RENOULT MARIE-CHARLOTTE,
,
INSA de Rouen Normandie
SLANGEN PIERRE,
,
Université de Montpellier
Résumé
Cette thèse explore les propriétés et le comportement sous contraintes d’une classe de fluides non newtoniens : les
fluides viscoélastiques. Ces fluides sont composés de molécules de masse molaire élevée, ce qui leur confère des
propriétés à la fois visqueuses et élastiques. Leur déformation extensionnelle révèle des dynamiques complexes
telles que la formation de la structure de perles sur ficelle.
Une application spécifique de cette étude concerne les multiples interactions entre les événements expiratoires et les
particules de salive dans une cavité buccale humaine. Ces interactions peuvent entraîner la formation de structures
de perles sur ficelle et conduire à l’éjection de particules viscoélastiques, sous différentes formes, hors de la cavité
orale.
Pour modéliser et étudier ces interactions, un dispositif expérimental a été élaboré. Ce dispositif permet de simuler
le double étirage de fluides viscoélastiques préparés à base de polyéthylène oxyde dans un environnement contrôlé.
Il offre ainsi la possibilité de réaliser des études statistiques sur les propriétés extensionnelles du fluide, mais
également d’explorer la perturbation de particules de fluide viscoélastique par un flux d’air. La haute répétabilité
de l’expérience a permis d’accéder aux déplacements des particules avec une haute résolution temporelle.
Par ailleurs, la nature des déformations des particules de fluide nécessite de recourir à des méthodes d’imagerie
tridimensionnelle. À cet effet, un banc d’holographie numérique a été développé et étalonné. Une attention particulière
a été portée à la caractérisation du banc d’holographie afin d’éviter les biais de mesure lors de la localisation et
de la description des objets. De plus, une méthode innovante de détection du plan de mise au point a été développée.
Basée sur la distribution de la phase de l’amplitude complexe, elle permet d’améliorer la précision relative à la
localisation 3D des objets.
Abstract
This thesis investigates the properties and behavior under stress of a class of non-Newtonian fluids known as
viscoelastic fluids. These fluids are composed of high-molar-mass molecules, giving them both viscous and elastic
characteristics. Their extensional deformation reveals complex dynamics, such as the formation of the "beads-ona-
string" structure.
A specific application of this study focuses on the multiple interactions between expiratory events and saliva
particles within a human oral cavity. These interactions can lead to the formation of bead-on-string structures and
result in the ejection of viscoelastic particles, in various forms, out of the oral cavity.
To model and study these interactions, an experimental setup was designed. This setup simulates the double
stretching of viscoelastic fluids prepared from polyethylene oxide in a controlled environment. It allows for statistical
studies on the extensional properties of the fluid, as well as the exploration of the disruption of viscoelastic fluid
particles by an air flow. The high repeatability of the experiment enabled tracking of particle movements with high
temporal resolution.
Furthermore, the nature of the fluid particle deformations necessitates the use of three-dimensional imaging
methods. To this end, a digital holography setup was developed and calibrated. Particular attention was paid to
characterizing the holography system to avoid measurement biases during the localization and description of objects.
Additionally, an innovative method for detecting the focal plane was developed. Based on the phase distribution of
the complex amplitude, this method enhances the accuracy of 3D object localization.
Τurbulence cοntrοl in a diverging pipe flοw: Stabilizing Edge States and Reducing Energy Dissipatiοn
Doctorant·e
LATRECH Oussama
Direction de thèse
MUTABAZI INNOCENT (Directeur·trice de thèse)
LEMOULT GREGOIRE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
06/11/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
LOMC
Rapporteurs de la thèse
ROBINET JEAN-CHRISTOPHE Ecole nationale supérieure d'arts et métiers (DG)
TUCKERMAN LAURETTE ESPCI PARIS
Membres du jurys
DUGUET YOHANN,
,
UNIVERSITE PARIS-SACLAY
LEMOULT GREGOIRE,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
MUTABAZI INNOCENT,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
PEIXINHO JORGE,
,
Ecole nationale supérieure d'arts et métiers (DG)
ROBINET JEAN-CHRISTOPHE,
,
Ecole nationale supérieure d'arts et métiers (DG)
TUCKERMAN LAURETTE,
,
ESPCI PARIS
Résumé
Lors de l’écoulement de fluides dans des conduites, les pertes par frottement liées à la turbulence sont responsables de la majeure partie de l’énergie consommée, représentant près de 10% de la consommation mondiale d’électricité. Afin de réduire notre empreinte énergétique, il est essentiel de développer des méthodes novatrices pour pomper les fluides de manière plus efficiente.
Il est désormais bien établi que la turbulence s’organise autour d’un ensemble de solutions invariantes instables. En mettant en œuvre des stratégies de contrôle adaptées, il est possible de forcer l’écoulement à évoluer vers des régions de l’espace des phases plus favorables énergétiquement.
Cette thèse porte sur la transition sous-critique vers la turbulence dans différentes configurations de conduites divergentes à l’aide de simulations numériques détaillées. Il a été observé que des angles de divergence plus importants réduisent généralement les nombres de Reynolds critiques nécessaires pour le déclenchement de la turbulence, bien que cet effet varie selon les configurations spécifiques, telles que les conduites à expansion brusque. L’influence de l’angle de divergence et du nombre de Reynolds sur la position des puffs turbulents stationnaires et des points de réattachement des zones de recirculation a également été analysée. De manière notable, des angles plus grands et des nombres de Reynolds plus élevés conduisent à une stabilisation des puffs turbulents et des points de réattachement plus proches du point d’expansion, en contraste avec la croissance linéaire des zones de recirculation observée en régime laminaire.
En adoptant une approche de système dynamique, cette thèse explore également la stabilisation de l’état de moindre dissipation, connu sous le nom d’edge state, via des stratégies de contrôle par rétroaction. Bien qu’une stabilisation complète n’ait pas été atteinte, des réductions significatives de la traînée visqueuse et une amélioration de l'efficacité énergétique ont été obtenues. Dans une configuration de conduite divergente présentant une symétrie miroir, ces stratégies ont conduit à des économies d’énergie notables sur une large plage de nombres de Reynolds. À l’inverse, dans des configurations de conduites divergentes sans symétrie, l’efficacité de ces stratégies était plus restreinte et limitée à une gamme étroite de nombres de Reynolds autour du seuil de transition vers la turbulence. En outre, la robustesse et l’efficacité de ces stratégies de contrôle par rétroaction ont été évaluées dans des conditions simulant des scénarios opérationnels réels, démontrant ainsi leur potentiel d’application en milieu expérimental.
Cette thèse analyse également la dynamique des edge states dans les écoulements divergents, en utilisant la méthode classique de bisection dans le cadre de la simulation numérique directe (DNS) via l'outil Nek5000. Ces techniques ont d’abord été appliquées aux conduites droites, validant ainsi les résultats de recherches précédentes et établissant une référence pour des analyses comparatives dans des géométries plus complexes. Par la suite, la méthode a été appliquée à une configuration de conduite à expansion brusque, où le suivi des edge states a révélé des défis majeurs en raison de la tendance de l’écoulement à transitionner vers un régime turbulent en raison d’une potentielle instabilité linéaire. Enfin, l’algorithme a été appliqué à une configuration à expansion graduelle, où des événements de bouffées quasi-périodiques ont été observés, déclenchant un cycle auto-entretenu de turbulence, alimenté par des mécanismes convectifs et une instabilité de la couche de cisaillement.
Abstract
When driving fluids through pipes, the increased friction losses associated with turbulence are responsible for the majority of the energy used, corresponding to nearly 10 % of the global electric energy consumption. If one wants to succeed in reducing our energy footprint, discovering innovative ways to efficiently pump fluids is crucial.
It is now understood that turbulence is organized around a set of unstable invariant solutions. By implementing bespoke control schemes, it is possible to force the flow into a more energetically favorable region of the phase space.
This thesis focuses on the subcritical transition to turbulence in various divergent pipe configurations through detailed numerical simulations. It was found that larger divergence angles generally reduce the critical Reynolds numbers required for the onset of turbulence, though this effect varies with specific pipe configurations such as sudden expansion pipe. The influence of divergence angle and Reynolds number on the positioning of stationary turbulent puffs and the reattachment points of recirculation zones was also investigated. Notably, larger angles and higher Reynolds numbers cause both puffs and reattachment points to stabilize closer to the expansion point in contrast to the linear growth of the recirculation zones observed in laminar flow conditions.
Adopting a dynamical system perspective, the thesis also examines the stabilization of the least dissipative state, known as the edge state, through feedback controls schemes. While complete stabilization was not achieved, significant reductions in viscous drag and enhanced energy efficiency were observed. In a divergent pipe configuration with mirror symmetry, these strategies resulted in substantial energy savings across a broad range of Reynolds numbers. Conversely, in full divergent pipe configurations without symmetry, the effectiveness of these strategies was more limited and restricted to a narrow range around of Reynolds number around the onset of turbulence. Moreover, the robustness and efficiency of these feedback strategies were evaluated under conditions simulating practical operational scenarios, demonstrating their potential applicability in experimental settings.
This thesis also analyses the dynamics of edge states in divergent pipe flows, using classical bisection method within the DNS framework Nek5000. We applied these techniques in straight pipes, validating previous research findings and establishing a baseline for further comparative analysis in more complex geometries. Subsequently, the method was applied to a sudden expansion pipe configuration where edge tracking revealed significant challenges due to the flow’s tendency to quickly revert to turbulence due to a potential linear instability. Finally, the algorithm was applied to a gradual expansion pipe, where quasi-periodic bursting events were observed, initiating a self-sustaining cycle of turbulence driven by convective mechanisms and shear layer instability.
Electrοn crystallοgraphy οf nanοdοmains in functiοnal materials
Doctorant·e
PASSUTI Sara
Direction de thèse
BOULLAY Philippe (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
30/10/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
CRISMAT, salle de conférence
Rapporteurs de la thèse
CIANCIO REGINA AREA Science Park
VÉRON MURIEL PHELMA GRENOBLE
Membres du jurys
BOULLAY Philippe,
,
ENSICAEN
CIANCIO REGINA,
,
AREA Science Park
DAVID Adrian,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
GEMMI MAURO,
,
Istituto Italiano di Tecnologia
GUILMEAU Emmanuel,
,
ENSICAEN
VÉRON MURIEL,
,
PHELMA GRENOBLE
Résumé
L’étude des matériaux fonctionnels se concentre de plus en plus sur des échantillons
caractérisés par des nano-domaines (allant de tailles submicroniques à des dizaines de
nanomètres) en raison de leurs propriétés physiques intéressantes, telles que celles observées
dans les films minces ou les matériaux céramiques. Lorsqu’il faut déterminer des phases inconnues
ou obtenir des informations détaillées sur la structure cristalline de ces matériaux, la
diffraction des rayons X et la microscopie électronique à transmission (MET) se heurtent à des
difficultés. Pour résoudre ce problème, une nouvelle technique de diffraction électronique (ED),
dite « Scanning Precession Electron Tomography » (SPET), a été employée. La SPET combine
la méthode établie d’acquisition de données 3D ED assistée par la précession (également connue
sous l’acronyme PEDT) avec un balayage du faisceau d’électrons sur une région d’intérêt (ROI)
de l’échantillon et ce à chaque angle d’inclinaison du porte objet. Cette procédure permet de
collecter des données 3D ED à partir de plusieurs ROIs en une seule acquisition, ce qui facilite
la résolution et l’affinement précis de la structure cristalline de plusieurs nano-domaines ou de
zones distinctes à l’intérieur d’un seul domaine. Dans cette thèse, les potentialités de la SPET
sont explorées à la fois sur des films minces d’oxyde et sur des matériaux thermoélectriques
(céramiques) préparés sous forme de lamelles TEM. En outre, une nouvelle méthodologie a été
développée pour analyser efficacement la grande quantité de données collectées. Cette méthode
consiste à trier les diagrammes de diffraction en fonction de leur région d’origine, à reconstruire
la série 3D ED selon les différentes ROIs et à traiter automatiquement ces données pour la résolution
et l’obtention d’affinements précis de la structure. Ce travail démontre le potentiel de la
SPET pour la caractérisation cristallographique fine de matériaux nano-structurés complexes.
Cette approche est complémentaire de ce qui peut être fait en imagerie ou en spectroscopie par
(S)TEM ou, en diffraction, par les approches dites 4D-STEM et ACOM.
Abstract
The investigation of functional materials has increasingly focused on samples
characterized by nanodomains (ranging from submicron sizes to tens of nanometers) due to
their interesting physical properties, such as those observed in thin films and ceramic materials.
When unknown phases need to be determined or detailed information on the crystalline
structure of these materials is required, this presents challenges for both X-ray diffraction and
transmission electron microscopy (TEM). To address this, a novel electron diffraction (ED) technique,
Scanning Precession Electron Tomography (SPET), has been employed. SPET combines
the established precession-assisted 3D ED data acquisition method (a.k.a. Precession Electron
Diffraction Tomography – PEDT) with a scan of the electron beam on a region of interest (ROI)
of the specimen at each tilt step. This procedure allows to collect 3D ED data from multiple
ROIs with a single acquisition, facilitating structure solution and accurate structure refinements
of multiple nanodomains or distinct areas within a single domain, at once. In this thesis, the
potentialities of SPET are explored on both oxide thin films and ceramic thermoelectric materials
prepared as TEM lamellae. Additionally, a novel methodology was developed to efficiently
analyze the large amount of data collected. This method involves sorting the diffraction patterns
according to their region of origin, reconstructing the diffraction tilt series of the ROI, and
automatically processing the obtained tilt series for structure solution and accurate refinements.
This work demonstrates the potential of SPET for the fine crystallographic characterization of
complex nanostructured materials. This approach appears to be complementary to what can be
done in imaging or spectroscopy by (S)TEM or, in diffraction, by the so-called 4D-STEM and
ACOM approaches.
Cοntributiοn à la manipulatiοn de cοlis sοus cοntraintes par un tοrse humanοïde; applicatiοn à la dépaléttisatiοn autοnοme dans les entrepôts lοgistiques
Doctorant·e
YESUDASU Santheep
Direction de thèse
BRETHE JEAN-FRANCOIS (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
25/10/2024 à 15:00
Lieu de la soutenance
Université Le Havre Normandie - ISEL - PIL, 11 quai Frissard, 76600 LE HAVRE
Rapporteurs de la thèse
BLAZEVIC PIERRE UNIVERSITE DE VERSAILLES SAINT QUENTIN
MERKOUZI ROCHDI Universite de Lille
Membres du jurys
BLAZEVIC PIERRE,
,
UNIVERSITE DE VERSAILLES SAINT QUENTIN
BONNIN PATRICK,
,
UNIVERSITE DE VERSAILLES SAINT QUENTIN
BRETHE JEAN-FRANCOIS,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
MERKOUZI ROCHDI,
,
Universite de Lille
SANTANAMAIA DEISE,
,
Universite de Lille
SEBBATA WAFAE,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
Résumé
Cette thèse de doctorat explore le développement et l'implémentation d'URNik-AI, un système de dépalettisation automatisé basé sur l'intelligence artificielle (IA), conçu pour manipuler des boîtes en carton de tailles et de poids variés à l'aide d'un torse humanoïde à double bras. L'objectif principal est d'améliorer l'efficacité, la précision et la fiabilité des tâches de dépalettisation industrielle grâce à l'intégration de la robotique avancée, de la vision par ordinateur et des techniques d'apprentissage profond.
Le système URNik-AI est composé de deux bras robotiques UR10 équipés de capteurs de force/torque à six axes et d'outils de préhension. Une caméra RGB-D ASUS Xtion est montée sur des servomoteurs pan-tilt Dynamixel Pro H42 pour obtenir des images haute résolution et des données de profondeur. Le cadre logiciel comprend ROS Noetic, ROS 2 et le framework MoveIt, permettant une communication fluide et une coordination des mouvements complexes. Ce système assure une haute précision dans la détection, la saisie et la manipulation d'objets dans divers environnements industriels.
Une contribution importante de cette recherche est l'implémentation de modèles d'apprentissage profond, tels que YOLOv3 et YOLOv8, pour améliorer les capacités de détection et d'estimation de pose des objets. YOLOv3, entraîné sur un ensemble de données de 807 images, a atteint des scores F1 de 0,81 et 0,90 pour les boîtes à une et plusieurs faces, respectivement. Le modèle YOLOv8 a encore amélioré les performances du système en fournissant des capacités de détection de points clés et de squelettes, essentielles pour la manipulation précise des objets. L'intégration des données de nuage de points pour l'estimation de la pose a assuré une localisation et une orientation précises des boîtes.
Les résultats des tests ont démontré la robustesse du système, avec des métriques élevées de précision, rappel et précision moyenne (mAP), confirmant son efficacité. Cette thèse apporte plusieurs contributions significatives au domaine de la robotique et de l'automatisation, notamment l'intégration réussie des technologies robotiques avancées et de l'IA, le développement de techniques innovantes de détection et d'estimation de pose, ainsi que la conception d'une architecture de système polyvalente et adaptable.
Abstract
This PhD thesis explores the development and implementation of URNik-AI, an AI-powered automated depalletizing system designed to handle cardboard boxes of varying sizes and weights using a dual-arm humanoid torso. The primary objective is to enhance the efficiency, accuracy, and reliability of industrial depalletizing tasks through the integration of advanced robotics, computer vision, and deep learning techniques.
The URNik-AI system consists of two UR10 robotic arms equipped with six-axis force/torque sensors and gripper tool sets. An ASUS Xtion RGB-D camera is mounted on Dynamixel Pro H42 pan-tilt servos to capture high-resolution images and depth data. The software framework includes ROS Noetic, ROS 2, and the MoveIt framework, enabling seamless communication and coordination of complex movements. This system ensures high precision in detecting, grasping, and handling objects in diverse industrial environments.
A significant contribution of this research is the implementation of deep learning models, such as YOLOv3 and YOLOv8, to enhance object detection and pose estimation capabilities. YOLOv3, trained on a dataset of 807 images, achieved F1-scores of 0.81 and 0.90 for single and multi-face boxes, respectively. The YOLOv8 model further advanced the system's performance by providing keypoint and skeleton detection capabilities, which are essential for accurate grasping and manipulation. The integration of point cloud data for pose estimation ensured precise localization and orientation of boxes.
Comprehensive testing demonstrated the system's robustness, with high precision, recall, and mean average precision (mAP) metrics confirming its effectiveness. This thesis makes several significant contributions to the field of robotics and automation, including the successful integration of advanced robotics and AI technologies, the development of innovative object detection and pose estimation techniques, and the design of a versatile and adaptable system architecture.
Search fοr a Νeutrοn Dark Decay in 6Ηe
Doctorant·e
LE JOUBIOUX Marius
Direction de thèse
SAVAJOLS HERVÉ (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
22/10/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
GANIL
Rapporteurs de la thèse
PFÜTZNER MAREK Université de VARSOVIE
ROCCIA STÉPHANIE Maître de conférences Universite Grenoble Alpes
Membres du jurys
BLANK BERTRAM,
,
UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
GULMINELLI Francesca,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
MCKEEN DAVID,
Chercheur,
TRIUMF, MOB 231
PFÜTZNER MAREK,
,
Université de VARSOVIE
ROCCIA STÉPHANIE,
Maître de conférences,
Universite Grenoble Alpes
SAVAJOLS HERVÉ,
,
14 GANIL de CAEN
Résumé
L’écart entre les expériences dites du faisceau et de la bouteille mesurant la durée de vie
du neutron libre pourrait être expliqué en considérant une nouvelle voie de désintégration
du neutron en matière noire. Une telle décroissance pourrait être mis en lumière dans une
sélection de noyaux radioactifs dans lesquels certains neutrons sont très faiblement liés
au reste de la structure nucléaire. Dans le cas du noyau borroméen 6He, une décroissance
en matière noire d’un des deux neutrons du halo produirait nécessairement les particules
suivantes : 4He n . Observer une émission de neutron corrélée à la décroissance de
l’hélium 6 fournirait ainsi une signature claire et unique de création de matière noire. Un
faisceau intense 6He produit au Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL)
couplé au détecteur de neutron TETRA a permis d’établir une limite supérieure à l’existence
de cette décroissance en matière noire dans l’hélium 6 à Br ¤ 4:0 1010 avec un
degré de confiance de 95%. Cette limite expérimentale a également été traduite en une
contrainte de l’ordre de Op105q pour la probabilité de décroissance en matière noire du
neutron libre.
Abstract
Neutron dark decays have been suggested as a solution to the discrepancy between bottle
and beam experiments, providing a dark matter candidate that can be searched for in
halo nuclei. The free neutron in the final state following the decay of 6He into 4Hen
provides an exceptionally clean detection signature when combined with a high-efficiency
neutron detector. Using a high-intensity 6He beam at the Grand Accélérateur National
d’Ions Lourds (GANIL), a search for a coincident neutron signal resulted in an upper limit
on a dark decay branching ratio of Br ¤ 4:0 1010 with a 95% confidence level. Using
the dark neutron decay model proposed originally by Fornal and Grinstein, we translate
this into an upper bound on a dark neutron branching ratio of Op105q, improving over
global constraints by one to several orders of magnitude depending on m .
Appοrt de la spectrοscοpie à relaxatiοn diélectrique sοus pressiοn pοur investiguer la mοbilité mοléculaire dans les pοlymères thermοplastiques amοrphes
Doctorant·e
TRUBERT Jules
Direction de thèse
DELBREILH LAURENT (Directeur·trice de thèse)
SAITER-FOURCIN ALLISSON (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
22/10/2024 à 09:30
Lieu de la soutenance
UFR ST - Batiment U1 - Salle 2.26, Avenue de l'université, 76801, Saint-Étienne-du-Rouvray cedex
Rapporteurs de la thèse
NAPOLITANO SIMONE Universite Libre de Bruxelles
SERGHEI ANATOLI Université Claude Bernard - Lyon 1
Membres du jurys
AFFOUARD FREDERIC,
,
UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
ALBA-SIMIONESCO CHRISTIANE,
,
UNIVERSITE PARIS-SACLAY
DELBREILH LAURENT,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
NAPOLITANO SIMONE,
,
Universite Libre de Bruxelles
SAITER-FOURCIN ALLISSON,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
SERGHEI ANATOLI,
,
Université Claude Bernard - Lyon 1
Résumé
La relation entre la température de transition vitreuse, la fragilité isobare et la taille caractéristique des régions de réarrangement coopératif (CRR) pour les liquides vitreux est clarifiée en tenant compte des contributions volumétriques et thermiques de la relaxation structurelle. Ces contributions sont habituellement estimées en considérant certaines hypothèses à la pression atmosphérique, alors qu'elles nécessitent de mesurer des variations de grandeurs physiques sous pression. L'utilisation de la spectroscopie à relaxation diélectrique sous pression offre une nouvelle perspective pour déterminer expérimentalement les contributions de la fragilité isobare.
D'une part, ces mesures sont effectuées pour trois polymères thermoplastiques amorphes : le polylactide (PLA), le polyéthylène glycol téréphtalate (PETg) et le polyvinyle acétate (PVAc). Ces polymères présentent une forte corrélation entre le volume d'activation, qui conduit à la contribution volumétrique de la fragilité isobare, et le volume CRR. La contribution thermique est déterminée par deux méthodes et évolue de manière opposée à la contribution volumétrique en fonction de la pression. Les contributions expliquent le comportement de fragilité isobare à la pression atmosphérique. D'autre part, la série de copolymères poly(éthylène-co-vinyle acétate) (EVA), présente un rapport différent de groupes latéraux polaires avec une chaîne principale inchangée, est analysée en termes d'interactions intermoléculaires à partir de la forme de relaxation diélectrique. Dans cette série, les groupes latéraux polaires jouent un rôle crucial dans les contributions volumétriques et thermiques de la fragilité isobare, qui sont également liées aux interactions inter et intramoléculaires.
En combinant ces différents résultats, il est possible d'établir une relation entre la structure chimique et l'influence de la pression/température sur la mobilité moléculaire. Les effets des paramètres structurels, tels que la rigidité de la chaine principale et des groupes latéraux ou la packing efficiency, sont mis en évidence et expliquent comment ils affectent la fragilité isobare.
Abstract
The ambiguity surrounding the relationship between the glass transition temperature, isobaric fragility, and the characteristic size of the Cooperative Rearranging Regions (CRR) for glass-forming liquids has been resolved by considering the volumetric and thermal contributions of the structural relaxation. These contributions have traditionally been estimated by considering assumptions at atmospheric pressure, whereas they require pressure variations to be measured. The use of broadband dielectric spectroscopy under pressure offers a new perspective to experimentally determine the contributions of isobaric fragility.
On the one hand, the measurement is performed for three amorphous thermoplastic polymers: Polylactic acid (PLA), polyethylene glycol terephthalate (PETg) and polyvinyl acetate (PVAc). These polymers show a strong correlation between the activation volume, which leads to the volumetric contribution of isobaric fragility, and the CRR volume. The thermal contribution is determined by two methods and evolves in an opposite manner to the volumetric contribution as function of pressure. The contributions explain the isobaric fragility behavior at atmospheric pressure. On the other hand, the poly(ethylene-co-vinyl acetate) (EVA) copolymer series, which presents a different ratio of polar side groups with an unchanged backbone chain, is analyzed in terms of intermolecular interactions from the dielectric relaxation shape. In this series, the polar side groups play a crucial role in the volumetric and thermal contributions of the isobaric fragility, which are also related to inter and intramolecular interactions.
By combining these different results, a relationship between chemical structure and the influence of pressure/temperature on molecular mobility can be established. The effects of structural parameters, such as backbone and side group stiffness or packing efficiency, are highlighted and explain how isobaric fragility is affected.
Effet de la micrοstructure οbtenue par fabricatiοn additive sur le vieillissement sοus irradiatiοn d'alliages ΝΙ-20CR
Doctorant·e
DUJARRIER Alexis
Direction de thèse
MONNET Isabelle (Directeur·trice de thèse)
SALL MAMOUR (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
21/10/2024 à 14:30
Lieu de la soutenance
Caen
Rapporteurs de la thèse
DIRRAS GUY UNIVERSITE PARIS 13 PARIS-NORD
ONIMUS FABIEN Université Paris Saclay
Membres du jurys
DIRRAS GUY,
,
UNIVERSITE PARIS 13 PARIS-NORD
HUG Eric,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
JOBLOT-LECLERC STÉPHANIE,
,
Labo. de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
MONNET ISABELLE,
Directeur de recherche,
CEA
ONIMUS FABIEN,
,
Université Paris Saclay
SALL MAMOUR,
Chercheur,
ENSICAEN
Résumé
La fabrication additive (FA) des métaux est une technologie de pointe qui permet une mise en œuvre rapide et l’optimisation de la conception de pièces complexes. Elle est désormais utilisée dans de nombreux secteurs industriels, dont le nucléaire. L’un des processus de fabrication les plus courants est la fusion laser sur lit de poudre, qui est à l’origine d’une microstructure particulière qui pourrait influer sur la réponse du matériau à l’irradiation.
L’objectif de ce travail de thèse a donc été d’étudier l’effet de l’irradiation aux ions lourds sur la microstructure du Ni-20Cr FA par Microscopie Électronique en Transmission (MET), ainsi que son impact sur ses propriétés mécaniques, afin de déterminer si l’usage de la FA pourrait s’appliquer au domaine nucléaire. Pour cela, trois stratégies de fabrication additive ainsi que l’effet d’un recuit ont été étudiés et ont été comparés à un matériau de référence. Différentes expériences d’irradiation aux ions lourds ont été réalisées, sur des échantillons massifs mais aussi sur des lames minces observées par MET in situ. Les expériences in situ permettent notamment de mesurer la cinétique de croissance des défauts à faible dose et de suivre l’évolution de certaines caractéristiques.
Il est ainsi mis en évidence que dans tous les échantillons, l’irradiation induit la formation de boucles de Frank et de boucles parfaites. La stratégie de fabrication n’a pas d’influence sur l’évolution microstructurale des échantillons FA. Cependant, les cellules dendritiques, caractéristiques de la FA, sont dissoutes par irradiation. De plus, une densité plus faible de boucles de dislocation est mesurée dans le cas des échantillons FA que pour les échantillons recuits et de référence, qui présentent eux une évolution similaire. Cela est expliqué par une densité de puits de défauts plus importante dans le matériau FA brut. L’évolution microstructurale observée est reliée aux propriétés mécaniques, qui sont mesurées par compression micro-pilier. Il est démontré que les matériaux recuits et de référence voient leur cission critique résolue augmenter à cause de la création des boucles de dislocation, alors que le matériau FA voit une diminution suite à la dissolution des cellules de dislocation, plus important que la composante durcissante. Ces évolutions sont confirmées par l’application du modèle de durcissement par barrières dispersées.
Abstract
Additive Manufacturing (AM) of metals is an advanced technology that enables rapid implementation and design optimization of complex parts. It is now used in many industrial sectors, including nuclear. One of the most common processes in AM is Laser Powder Bed Fusion, which results in a particular microstructure that could influence the material's response to irradiation.
The objective of this thesis was to study the effect of heavy ion irradiation on the microstructure of AM Ni-20Cr using Transmission Electron Microscopy (TEM), as well as its impact on its mechanical properties, to determine whether AM could be used for nuclear applications. For this purpose, three additive manufacturing strategies and the effect of annealing were studied and compared to a reference material. Various heavy ion irradiation experiments were conducted, on bulk samples as well as on thin foils observed via in situ TEM. In situ experiments allow measuring the defect growth kinetics at low doses and tracking the evolution of certain characteristics.
It is thus demonstrated that in all samples, irradiation induces the formation of Frank loops and perfect loops. The manufacturing strategy does not influence the microstructure evolution of AM samples. However, the dendritic cells, characteristic of AM, are dissolved under irradiation. Additionally, a lower density of dislocation loops is measured in the AM samples compared to the annealed and reference samples that show a similar evolution. This is explained by a higher density of defect sinks in the as built AM material. The observed microstructural evolution is linked to the mechanical properties, which are measured by micropillar compression. It is shown that the annealed and reference materials experience an increase in their critical resolved shear stress due to the creation of dislocation loops, whereas the AM material show a decrease due to the dissolution of dislocation cells, superior to the hardening component. These changes are confirmed by the application of the dispersed barrier-hardening model.
Ιnvestigatiοn οf the influence οf the prοcess parameters οn the micrοstructure and fracture behaviοr οf a Νi20wt.%Cr allοy prοduced by Laser Ροwder Bed Fusiοn
Doctorant·e
BENMABROUK SELIA
Direction de thèse
VIEILLE BENOIT (Directeur·trice de thèse)
HUG Eric (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
18/10/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
Locaux laboratoire GPM (Saint-Etienne du Rouvray)
Rapporteurs de la thèse
CORMIER JONATHAN ENSMA
GOURGUES-LORENZON ANNE-FRANÇOISE Ecole nationale supérieure des mines de Paris - PSL
Membres du jurys
CHARKALUK ERIC,
,
Ecole Polytechnique, Palaiseau
CHOISEZ LAURINE,
,
Université catholique de Louvain, Belgique
CORMIER JONATHAN,
,
ENSMA
GOURGUES-LORENZON ANNE-FRANÇOISE,
,
Ecole nationale supérieure des mines de Paris - PSL
HUG Eric,
,
Université de Caen Normandie
KELLER CLEMENT,
,
Université de Technologie de Tarbes
VIEILLE BENOIT,
,
INSA de Rouen Normandie
Résumé
Le comportement à rupture d’alliages base-nickel conventionnels (coulés, forgés…) est depuis longtemps étudié dans le cadre du dimensionnement des structures. Cependant, les microstructures complexes issues des procédés de fabrication additive métallique induisent des comportement mécaniques différents, compliquant la transposition des savoir-faire. Afin de contribuer à mieux comprendre les mécanismes de rupture issus de ces procédés, ces travaux de thèse s’intéressent au comportement à rupture de l’alliage Ni20wt.%Cr produit par Fusion Laser sur Lit de Poudre. L’influence de trois paramètres de fabrication est étudiée : l’orientation de fabrication (horizontale ou verticale), l’angle entre les couches de lasage (67° ou 90°), et la densité d’énergie volumique (60 J/mm3 ou 90 J/mm3). Des essais de propagation de fissure sont réalisés afin de déterminer et comparer les propriétés à rupture (ténacité et module de déchirure) de chaque stratégie de fabrication. Les microstructures initiale et post-mortem sont analysées pour identifier les mécanismes à rupture. Les résultats indiquent que la propagation de fissure est majoritairement pilotée à l’échelle microscopique, avec un rôle important de l’orientation, la morphologie et la taille des grains. La ductilité devient également un paramètre fondamental lorsque les caractéristiques microstructurales sont similaires entre deux configurations de fabrication.
Abstract
The fracture behavior of conventional nickel-based alloys (cast, wrought…) has been studied for decades for structural design purposes. However, the complex microstructure induced by metallic additive manufacturing processes results in different mechanical behaviors, which hinders the use of existing knowledge. To better understand the fracture mechanisms associated with these processes, this PhD research investigates the fracture behavior of a Ni20wt.%Cr alloy produced by Laser Powder Bed Fusion. The influence of three manufacturing parameters is studied: the building orientation (horizontal or vertical), the rotation angle between layers (67° or 90°), and the volumetric energy density (60 J/mm3 or 90 J/mm3). Crack propagation tests are conducted to determine and compare the fracture properties (fracture toughness and tearing modulus) of each printing strategy. Initial and post-mortem microstructures are analyzed to identify the fracture mechanisms. Results demonstrate that the crack propagation is mainly governed at the microscale, with a strong influence from the grain’s orientation, morphology, and size. Ductility also becomes a key parameter when few differences are noted between the microstructural features of two given printing strategies.
φpuratiοn des eaux de ruissellement par des cο-prοduits de l’industrie linière : applicatiοn aux métaux lοurds et aux hydrοcarbures arοmatiques pοlycycliques
Doctorant·e
VIEVARD Juliette
Direction de thèse
PANTET ANNE (Directeur·trice de thèse)
ALEM ABDELLAH (Co-directeur·trice de thèse)
MIGNOT MELANIE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
17/10/2024 à 13:30
Lieu de la soutenance
Laboratoire LOMC - 53 Rue de Prony, 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse
GROMAIRE MARIE-CHRISTINE ENPC PARIS
NET DAVID BUYTAERT SOPHEAK Universite de Lille
Membres du jurys
ALEM ABDELLAH,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
GAUTHIER ARNAUD,
,
Universite de Lille
GROMAIRE MARIE-CHRISTINE,
,
ENPC PARIS
MIGNOT MELANIE,
,
INSA de Rouen Normandie
NET DAVID BUYTAERT SOPHEAK,
,
Universite de Lille
PANTET ANNE,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
Résumé
La forte imperméabilisation des sols due à l’urbanisation ralentit l'infiltration naturelle des eaux de pluie, entraînant une augmentation du ruissellement de surface. En ruisselant, l'eau se charge de micropolluants accumulés sur les surfaces urbaines. Cette pollution devient problématique lors d'événements pluvieux importants, durant lesquels les volumes d'eau sont trop importants pour être traités dans les stations d'épuration et doivent être dirigés vers des techniques alternatives. Dans ces systèmes, l'eau n'est pas traitée avant d'être rejetée dans la nature. L'objectif final de ce projet est de développer un système de filtration combinant du sable, des fibres de lin et du charbon actif produit à partir d’anas de lin. Ce système serait placé à l'entrée des bassins de rétention pour nettoyer l'eau avant son rejet. Cette thèse se concentre sur l'étude de la capacité d'adsorption des fibres de lin pour six métaux lourds et du charbon actif pour trois HAPs. L’utilisation de modèles cinétiques et d’isothermes a permis une caractérisation de l’adsorption des polluants. Les phénomènes de compétition ont été étudiés ainsi que l’efficacité des adsorbants sur des eaux reconstituées et des eaux de ruissellement prélevées en Normandie.
Abstract
The impermeabilization of soil due to urbanization significantly slows down the natural infiltration of rainwater into the ground, leading to increased surface runoff. As this runoff occurs, the water collects micropollutants that have accumulated on urban surfaces. This pollution becomes problematic during heavy rainfall events when the volume of water is too great to be treated at wastewater treatment plants and must be directed towards alternative techniques. Within these systems, the water is not treated before being released into nature. The ultimate goal of this project is to develop a filtering system that combines sand, flax fibers, and activated carbon produced from flax shives. This system would be placed at the entrance of retention basins to purify the water before it is released. This thesis focuses on studying the adsorption capacity of flax fibers for six metals and the activated carbon for three PAHs. The use of kinetic models and isotherms enabled the characterization of pollutant adsorption. Adsorption competition was studied, as well as the effectiveness of adsorbents on reconstituted water and runoff water collected in Normandy.
Caractérisatiοn ultrasοnοre haute résοlutiοn d’un film adhésif dans un assemblage aérοnautique
Doctorant·e
EZZIANI Youness
Direction de thèse
ECH-CHERIF EL KETTANI MOUNSIF (Directeur·trice de thèse)
LEDUC DAMIEN (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
16/10/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance
Amphi Prony, LOMC UMR 6294, 53 Rue de Prony, 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse
DESPAUX GILLES UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
MEZIANE ANISSA UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
Membres du jurys
DESPAUX GILLES,
,
UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
DUCOUSSO MATHIEU,
,
ENSAM CER PARIS
ECH-CHERIF EL KETTANI MOUNSIF,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
LATRY OLIVIER,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
LEDUC DAMIEN,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
LETHIECQ MARC,
,
INSA Centre Val de Loire
MARECHAL PIERRE,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
MEZIANE ANISSA,
,
UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
Résumé
Cette thèse s'intéresse à la caractérisation des propriétés d'un film adhésif dans un assemblage aéronautique tricouche de type Titane-Adhésif-Composite, représentatif de l’aube de fan du moteur LEAP. L'objectif principal est de déterminer avec précision l'épaisseur du film adhésif, ses propriétés mécaniques, ainsi que la qualité d’adhésion qu’il assure entre le titane et le composite, en utilisant des méthodes ultrasonores non destructives à haute fréquence, et donc à haute résolution. Cependant, cette détermination fine de l'épaisseur du joint adhésif et de ses propriétés mécaniques, des indicateurs clés de la qualité de l'adhésion, reste un verrou technologique non encore résolu dans l'industrie aéronautique en raison du contraste d'impédance très marqué dans ce type de structure : fort entre le titane et l’adhésif, et faible entre l’adhésif et le composite. L’enjeu de cette thèse est donc de relever le défi de la détection de l’écho de fond à l’interface Adhésif-Composite à haute fréquence. Ce défi est d'autant plus difficile que les hautes fréquences s'accompagnent d'une atténuation importante. Il est donc essentiel de trouver un compromis optimal entre une fréquence suffisamment élevée pour adapter la longueur d'onde à l'épaisseur de l'adhésif, mais pas trop élevée pour détecter les échos de fond, notamment l’écho de fond à l’interface Adhésif-Composite, avec une amplitude suffisamment exploitable. Dans un premier temps, une étude qualitative a été menée sur six échantillons tricouches (TA6V-Epoxy-Composite, fournis par Safran) à l’aide du microscope acoustique à balayage (SAM) PVA TEPLA 301, permettant la mesure précise de l’épaisseur du film adhésif époxy et l’évaluation de la qualité d’adhésion, en analysant l’écho de fond du film d’époxy, et en examinant la quantité d’énergie transmise à la couche composite en exploitant l’imagerie X-scan. Différents niveaux d'adhésion ont été identifiés : fort, moyen et faible. Par la suite, une étude quantitative a été réalisée à l’aide d’un modèle aux interphases, résolu par la méthode des séries de Debye, qui a permis de quantifier les niveaux d’adhésion de ces échantillons : un fort niveau d’adhésion pour l’échantillon 2 avec des coefficients d’adhésion (α = 1 et β = 1), un faible niveau d’adhésion pour l’échantillon 1 avec (α = 1 et β = 10⁻³), et un niveau d’adhésion moyen pour les échantillons 3, 4, 5 et 6 avec α = 1 et des valeurs de β intermédiaires.
Abstract
This thesis focuses on the characterization of the properties of an adhesive film in a three-layer aeronautical assembly of the Titanium-Adhesive-Composite type, representative of the fan blade in the LEAP engine. The main objective is to accurately determine the thickness of the adhesive film, its mechanical properties, and the quality of adhesion it provides between the titanium and the composite, using high-frequency, and therefore high-resolution, non-destructive ultrasonic methods. However, this precise determination of the thickness of the bonded joint and its mechanical properties, which are key indicators of the quality of the bond, remains an unresolved technological challenge in the aeronautical industry due to the significant impedance contrast in this type of structure : high between the titanium and the adhesive, and low between the adhesive and the composite. Therefore, the challenge of this thesis is to address the detection of the background echo at the Adhesive-Composite interface at high frequency. This challenge is further complicated by the significant attenuation associated with high frequencies. It is essential to find an optimal compromise between a frequency high enough to match the wavelength to the thickness of the adhesive, but not too high, in order to detect the background echoes, particularly the background echo at the Adhesive-Composite interface, with a sufficiently exploitable amplitude. Initially, a qualitative study was conducted on six three-layer samples (TA6V-Epoxy-Composite, provided by Safran) using the PVA TEPLA 301 scanning acoustic microscope (SAM), which allows the precise measurement of the epoxy adhesive film's thickness and the assessment of the quality of the adhesion by analyzing the background echo of the epoxy film and examining the amount of energy transmitted to the composite layer using X-scan imaging. Different levels of adhesion were identified : strong, medium, and weak. A quantitative study was then carried out using an interphase model solved by the Debye series method, which allowed for the quantification of the adhesion levels in these samples: a strong adhesion level for sample 2 with adhesion coefficients (α = 1 and β = 1), a weak adhesion level for sample 1 with (α = 1 and β = 10⁻³), and a medium adhesion level for samples 3, 4, 5 and 6 with α = 1 and intermediate β values.
Simulatiοn exaflοpique de la cοmbustiοn de sprays
Doctorant·e
STOCK ANTOINE
Direction de thèse
MOUREAU VINCENT (Directeur·trice de thèse)
LARTIGUE GHISLAIN (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
15/10/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
Salle de conférence du CORIA
Rapporteurs de la thèse
FIORINA BENOIT Centralesupelec
MIRA DANIEL Barcelona Supercomputing Center
Membres du jurys
FIORINA BENOIT,
,
Centralesupelec
LARTIGUE GHISLAIN,
,
CORIA
MEHL CÉDRIC,
,
IFPEN
MERCIER RENAUD,
,
Safran Tech
MIRA DANIEL,
,
Barcelona Supercomputing Center
MOUREAU VINCENT,
,
INSA de Rouen Normandie
PARENTE ALESSANDRO,
,
Université Libre de Bruxelles
RENOU BRUNO,
,
INSA de Rouen Normandie
Résumé
La simulation numérique des grandes échelles (LES, pour Large Eddy Simulation) s'est imposée comme un outil numérique puissant pour la conception et l'analyse des brûleurs de sprays, permettant de capturer avec une grande précision les interactions complexes entre l'écoulement turbulent, la combustion et la dynamique des sprays. Cependant, cette précision accrue de la LES s'accompagne d'un coût CPU élevé. Ces simulations nécessitent souvent l'utilisation de maillages de grande taille afin de résoudre les turbulences à petite échelle et les fronts de flamme nets, ainsi que la gestion de nombreuses espèces chimiques et réactions. Ces exigences posent des défis importants en termes de ressources informatiques et de temps de calcul, ce qui peut freiner l'application pratique de la LES dans les processus de conception industrielle. Cette thèse s'attaque aux défis numériques associés à la LES des brûleurs de sprays en explorant et développant des approches numériques visant à réduire coût de calcul sans compromettre la précision des simulations. Trois stratégies principales sont étudiées : l'équilibrage de charge Euler-Lagrange, l'adaptation dynamique de maillage, et le clustering dynamique des termes source.
Abstract
Large Eddy Simulation (LES) has emerged as a powerful computational tool for the design and analysis of spray burners, offering the ability to capture the complex interactions between turbulent flow, combustion, and spray dynamics with high fidelity. However, the high accuracy of LES comes at a significant computational cost. The simulation of these systems often requires the use of large meshes in order to resolve fine-scale turbulence and sharp flame front as well as the handling of numerous species and chemical reactions. These demands pose substantial challenges in terms of the required computational resources and the time required for the simulation process, which can hinder the practical application of LES in industrial design processes. This thesis addresses the computational challenges associated with LES of spray burners by exploring and developing numerical approaches aimed at reducing the computational burden without compromising the accuracy of the simulations. Three primary strategies are investigated: Euler-Lagrange load balancing, Adaptive Mesh Refinement, and Dynamic Cell Clustering.
Etude théοrique et numérique de l'instabilité interfaciale de ballοttement dans une batterie à métaux liquides
Doctorant·e
SIMON ANTOINE
Direction de thèse
DUMOUCHEL CHRISTOPHE (Directeur·trice de thèse)
RENOULT MARIE-CHARLOTTE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
09/10/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
CORIA
Rapporteurs de la thèse
NORE CAROLINE Université Paris-Saclay
RUYER-QUIL CHRISTIAN Polytech Annecy Chambéry
Membres du jurys
BRANDLE DE MOTTA JORGE CESAR,
,
CORIA
DUMOUCHEL CHRISTOPHE,
,
CORIA
GREA BENOÎST-JOSEPH,
,
CEA Marcoule
MIRALLES SOPHIE,
,
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
MUTABAZI INNOCENT,
,
Université Le Havre Normandie
NORE CAROLINE,
,
Université Paris-Saclay
RENOULT MARIE-CHARLOTTE,
,
INSA de Rouen Normandie
RUYER-QUIL CHRISTIAN,
,
Polytech Annecy Chambéry
Résumé
Les batteries à métaux liquides représentent une solution prometteuse pour le stockage d'énergie stationnaire, notamment dans le contexte de la transition énergétique. Leur composition entièrement liquide et soumise à un fort courant électrique et à une température élevée nécessite une étude approfondie des écoulements internes pour prévenir les risques de court-circuit dus à des instabilités hydrodynamiques. Cette thèse se concentre sur les instabilités interfaciales causées par la redistribution du courant électrique dans des milieux de conductivité électrique différente, pouvant se manifester sous forme d'ondes progressives ou stationnaires. Le défi technique associé à l'étude théorique de ces phénomènes est la complexité des calculs liée à la prise en compte des trois couches fluides, de la viscosité, des effets électromagnétiques et des effets de bords.
Dans un premier temps, une analyse linéaire de stabilité a été effectuée pour étudier l'effet de la viscosité et, dans une moindre mesure, de la tension de surface dans un système à trois couches fluides infini soumis au seul champ de gravité. Ce champ de gravité est le moteur de l'instabilité de Rayleigh-Taylor. Cette instabilité ne s'observe pas dans les batteries à métaux liquides qui sont stables gravitationnellement. Cette première étude permet de caractériser le couplage entre les interfaces afin de mieux comprendre des expériences réalisées précédemment. Les résultats montrent que le comportement des interfaces dépend d'un paramètre de couplage : l'épaisseur de la couche du milieu adimensionnée par le nombre d'onde de la perturbation. Des simulations numériques directes réalisées avec le code Archer ont validé la théorie jusqu'à ce que les effets non-linéaires soient significatifs et ont permis d'identifier trois régimes selon la valeur croissante du paramètre de couplage pour un système où l'interface du haut est gravitationnellement stable et l'interface du bas est gravitationnellement instable : la succession de deux régimes couplés, l'un dominé par le comportement d'une onde de gravité, l'autre dominé par le comportement d'une instabilité de Rayleigh-Taylor et d'un régime découplé.
Dans un deuxième temps, l'effet du champ magnétique sur les instabilités interfaciales dans un système à trois couches fluides infini a été étudié. L'analyse linéaire de stabilité, étendue pour inclure les trois premières complexités, a permis de cartographier la stabilité du système en fonction d'un champ magnétique adimensionné, prenant en compte le champ magnétique induit par le courant électrique à l'intérieur de la batterie ainsi qu'un éventuel champ magnétique extérieur, et du paramètre de couplage. Un champ magnétique critique a été identifié, dont la valeur dépend des masses volumiques des trois fluides et des tensions de surface des deux interfaces. La viscosité n'a pas d'effet sur cette carte ; elle ralentit les perturbations sans affecter directement la condition de stabilité comme on pouvait s'y attendre.
Enfin, dans un troisième temps, les effets de bord et l'influence du champ magnétique dans un système à deux couches fluides ont été étudiés en utilisant une méthode énergétique. Les résultats confirment le critère de stabilité obtenu par Sele pour les cellules de réduction de l'aluminium et posent les bases d'un critère généralisé au cas d'un système fluide à trois couches incluant la viscosité et la tension de surface. De nouvelles simulations numériques directes avec Archer ont montré que le système reste stable lorsque le critère de Sele est respecté, bien que certains comportements des interfaces ne soient pas totalement prédits par la théorie existante, indiquant la nécessité d'approfondir ces recherches.
Abstract
Liquid metal batteries represent a promising solution for stationary energy storage, particularly in the context of the energy transition. Their entirely liquid composition subjected to a strong electric current and high temperature requires a thorough study of internal flows to prevent short-circuit risks due to hydrodynamic instabilities. This thesis focuses on interfacial instabilities caused by the redistribution of electric current in media with different electric conductivity, which can manifest themselves as traveling or standing waves. The technical challenge associated with the theoretical study of these phenomena is the complexity of the calculations related to the consideration of the three fluid layers, viscosity, electromagnetic effects and edge effects.
First, a linear stability analysis was performed to study the effect of viscosity and to a lesser extent of surface tension in an infinite three-layer fluid system subjected to the gravity field alone. This gravity field is the driving force of the so-called Rayleigh-Taylor instability, unlike what happens in liquid metal batteries which are gravitationally stable. This first study allows to characterize the coupling of the interfaces to better understand previously carried out experiments. The results show that the behaviour of the interfaces depends on the coupling parameter: the thickness of the medium layer adimensionalized by the wave number of the perturbation. Direct numerical simulations carried out with the Archer code validated the theory until the non-linear effects were significant and allowed to identify three regimes according to the increasing value of the coupling parameter for a system where the upper interface is gravitationally stable and the lower interface is gravitationally unstable: the succession of two coupled regimes, one dominated by the behaviour of a gravity wave, the other dominated by the behaviour of a Rayleigh-Taylor instability, and a decoupled regime.
Secondly, the effect of the magnetic field on interfacial instabilities in an infinite three-layer fluid system was studied. The linear stability analysis, extended to include the first three complexities, allowed to map the stability of the system as a function of a dimensionless magnetic field, taking into account both the magnetic field induced by the electric current inside the battery and an external magnetic field, and the coupling parameter. A critical magnetic field was identified, whose value depends on the densities of the three fluids and the surface tensions of the two interfaces. Viscosity has no effect on this map; it slows down the perturbations without directly affecting the stability condition as expected.
Finally, the edge effects and the influence of the magnetic field in a two-layer fluid system were studied using an energetic method. The results confirm the stability criterion obtained by Sele for aluminum reduction cells and lay the foundations for a generalized criterion for the three-layer viscous case including surface tension. New direct numerical simulations with Archer showed that the system remains stable when the Sele criterion is respected, although some behaviours of the interfaces are not fully predicted by existing theory, indicating the need for further research.
Dévelοppement et οptimisatiοn d'un prοcédé de prοductiοn de mοlécules d'intérêt par hydrοgénatiοn du CΟ2 à partir d'hydrοgène renοuvelable
BILLET ANNE-MARIE,
,
INP ENSIACET, Toulouse
COMMENGE JEAN-MARC,
,
Université de Lorraine
LEDOUX ALAIN,
,
INSA de Rouen Normandie
MONNIER HUBERT,
,
INRS, Vandoeuvre lès Nancy
PITAULT ISABELLE,
,
Université Claude Bernard Lyon 1
POLAERT ISABELLE,
,
INSA de Rouen Normandie
Résumé
La transition des combustibles fossiles vers les sources d’énergie renouvelables est de plus en plus urgente en raison de leur contribution significative au changement climatique mondial. L'augmentation des niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère souligne le besoin critique d'alternatives durables. La conversion du CO₂ en molécules à valeur ajoutée (vecteurs énergétiques) offre une solution prometteuse pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles.
Cette thèse explore le potentiel de l'hydrogénation catalytique du CO2 pour produire des produits chimiques à valeur ajoutée tels que le méthane, le méthanol et le di-méthyl éther (DME). Ces procédés offrent non seulement un moyen de réduire les émissions de CO₂, mais également une voie vers une production de carburant durable. La recherche explore divers processus catalytiques, en mettant particulièrement l'accent sur la catalyse thermique en raison de son efficacité supérieure et de sa pertinence pour une mise en œuvre industrielle.
L'hydrogénation du CO₂ en une seule étape pour produire du DME est le cas étudié. Des expériences préliminaires ont été menées dans un réacteur à lit fixe de laboratoire pour mieux comprendre la performance des catalyseurs. Différents catalyseurs ont été testés pour la synthèse du DME. Étant donné que les réactions impliquées dans l'hydrogénation du CO₂ pour produire du DME comprennent la synthèse du méthanol à partir de CO₂ suivie de la déshydratation du méthanol, un mélange de catalyseurs a été réalisé pour la synthèse directe du DME. Pour le mélange de poudres, deux catalyseurs CuO/ZnO/Al₂O₃ (CZA), l'un commercial et l'autre développé, ont été testés pour la synthèse du méthanol, et deux zéolites CZA (HY et HZSM-5) ont été testées pour la déshydratation du méthanol. Le mélange physique de CZA-C avec HZSM-5 a été choisi pour une analyse plus approfondie. L'effet de la température, de la pression, du rapport molaire d'alimentation (H₂/CO₂) et de la vitesse spatiale horaire des gaz (GHSV) ont été évalués pour le développement de la cinétique de la synthèse du DME. Un modèle cinétique de Langmuir-Hinshelwood pour la synthèse du méthanol a été proposé, ainsi qu'une nouvelle relation pour la déshydratation du méthanol en DME, car la réaction n'est pas à l'équilibre.
Un réacteur à Profil Optimal de Température (POT) intégrant le modèle cinétique développé a été étudié pour un contrôle précis de la température afin de maximiser la conversion du CO₂. Les simulations et optimisations ont confirmé que des temps de séjour plus longs, en ajustant la masse des catalyseurs, sont plus efficaces pour une conversion plus élevée du CO₂. Un avantage minimal (<1%) a été identifié en termes de conversion du CO₂ pour le réacteur POT par rapport à un réacteur isotherme. Cependant, la productivité combinée de DME et de méthanol a montré une meilleure performance (>4,4%) par rapport au réacteur isotherme. Un réacteur multitubulaire POT avec température de refroidissement variable, comprenant 958 tubes, a atteint une conversion du CO₂ de 34,18 % et un taux de production combiné de méthanol et de DME de 30,84 mol.h⁻¹ par tube, approchant l'équilibre thermodynamique sans recirculation.
Abstract
The transition from fossil fuels to renewable energy sources is becoming increasingly urgent due to their significant contribution to global climate change. The rising levels of carbon dioxide in the atmosphere highlight the critical need for sustainable alternatives. Converting CO2 into value-added molecules (energy carriers) offers a promising solution to reduce reliance on fossil fuels.
This thesis explores the potential of the catalytic hydrogenation of CO2 to produce value-added chemicals such as methane, methanol, and dimethyl ether (DME). These processes not only offer a means to reduce CO₂ emissions but also provide a path toward sustainable fuel production. The research explores various catalytic processes, with a particular emphasis on thermal catalysis due to its higher efficiency and suitability for industrial implementation.
The one-step CO2 hydrogenation to DME is the case of study. Preliminary experiments were conducted into a laboratory fixed bed reactor to better understand catalyst performance. Different catalysts were tested for DME synthesis. Since the reactions that take place into CO2 hydrogenation to DME comprise the methanol synthesis from CO2 followed by methanol dehydration, a mixture of catalysts was done for the direct DME synthesis. For the powder mixture, two different CuO/ZnO/Al2O3 (CZA) catalysts, one commercial and one developed, were tested for methanol synthesis and two CZA zeolites (HY and HZSM-5) were tested for methanol dehydration. The physical mixture of CZA-C plus HZSM-5 was chosen for further analysis. The effect of temperature, pressure, feed molar ratio (H2/CO2) and gas hourly space velocity (GHSV) were assessed for the development of the kinetics of DME synthesis. A Langmuir–Hinshelwood kinetic model for methanol synthesis was proposed, along with a novel relationship for methanol dehydration to DME, since the reaction is not at equilibrium.
An Optimal Temperature Profile (OTP) reactor integrating the kinetic model developed was studied for precise temperature control to maximise CO₂ conversion. Simulations and optimisations confirmed that longer residence times by adjusting catalysts mass is more effective for higher CO2 conversion. A minimal advantage (<1%) was identified in terms of CO2 conversion for the OTP reactor over an isothermal reactor. However, the combined productivity of DME and methanol had a better performance (>4.4%) over the isothermal reactor. An OTP multi-tubular reactor with variable coolant temperature, comprising 958 tubes, achieved 34.18% CO₂ conversion and a combined methanol and DME production rate of 30.84 mol.h^(-1) per tube, approaching to thermodynamic equilibrium without recirculation.
Une nοuvelle apprοche pοur la déterminatiοn des fοnctiοnnalités statiques et dynamiques des systèmes d'électrοns fοrtement cοrrélés
Doctorant·e
PHILOXENE Loic
Direction de thèse
FRESARD RAYMOND (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
09/10/2024 à 14:30
Lieu de la soutenance
ENSICAEN - Salle de réunion (2ème étage) du bâtiment H
Rapporteurs de la thèse
KOPP THILO UNIVERSITE DE AUGSBURG - ALLEMAGNE
TREMBLAY ANDRÉ-MARIE SHERBROOKE - UNIVERSITE DE SHERBROOKE
Membres du jurys
DAO Vu Hung,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
FRESARD RAYMOND,
,
ENSICAEN
KOPP THILO,
,
UNIVERSITE DE AUGSBURG - ALLEMAGNE
REINING LUCIA,
Directeur de recherche,
ECOLE POLYTECHNIQUE
TREMBLAY ANDRÉ-MARIE,
,
SHERBROOKE - UNIVERSITE DE SHERBROOKE
Résumé
Dans ce manuscrit, une instance particulière de représentation en bosons esclaves, introduite pour la première fois par Kotliar et Ruckenstein dans le context du modèle de Hubbard, est utilisée dans le but d’analyser les effets des interactions électroniques sur deux classes distinctes de propriétés de systèmes décrits par des modèles de Hubbard étendus.
Dans un premier temps, une extension originale du modèle de Hubbard est introduite. Elle tient compte d’un potentiel à une particule modulé dans l’espace, ainsi que d’interactions entre électrons occupant des sites plus proches voisins. Ses propriétés statiques—comme les différents états fondamentaux en compétition dans son diagramme des phases à température nulle, ou encore la structure des bandes de ses quasiparticules—sont étudiées, dans le cas particulier d’une bande demi-remplie, dans l’approximation de point-selle de l’action associée à la représentation de Kotliar et Ruckenstein. Dans le diagramme des phases, une compétition entre deux phases ordonnées est étudiée. Ces phases, harborant toutes deux une modulation alternée de leur distribution de charges, se distinguent par la présence, ou non, d’un ordre antiferromagnétique de leurs spins. Des transitions fortement discontinues entre ces deux phases sont révélées par l’étude des paramètres d’ordre pertinents a différentes échelles de couplage. De larges régions de coexistence, dans lesquelles l’énergie de l’une des phases est légèrement supérieure à celle de l’autre phase, sont cartographiées. Dans ces régions, les différences notables de valeurs du gap de la structure des bandes entre les deux phases sont mises en évidence, donnant alors lieu à de possibles applications dans le domaine des matériaux fonctionnels.
Dans un second temps, un modèle de Hubbard, étendu d’un potentiel d’intéraction de Coulomb à longue portée entre les électrons, est analysé à l’aide d’une forme alternative
de la représentation de Kotliar et Ruckenstein. Un exemple de propriété dynamique du modèle, son spectre d’excitation de charges à temperature nulle, est calculé sous la forme de la fonction diélectrique dynamique. Plus particulièrement, les fluctuations gaussiennes des champs de bosons esclaves autour de la solution de point-selle paramagnétique sont calculées, permettant ainsi la détermination d’une formule analytique pour la susceptibilité dynamique de charge, et de ce fait pour la fonction diélectrique et la conductivité optique dynamiques. Les spectres, composés d’un continuum d’excitations particule-trou, ainsi que de deux modes collectifs: le plasmon et une signature de la bande de Hubbard supérieure, sont alors comparés avec l’approximation standard de la phase aléatoire, de sorte à mettre en exergue les effets dûs aux fortes corrélations électroniques. Un intérêt particulier est porté à la fréquence plasma, l’energy du mode de plasmon aux grandes longueurs d’ondes, mettant l’accent sur les effets du réseau cristallin et l’importance de la renormalisation de la masse effective inverse due aux interactions entre électrons.
Abstract
In this work, a specific instance of a slave boson representation—originally introduced in the context of the Hubbard model by Kotliar and Ruckenstein—is put to use to
investigate the effect of electronic interactions on two classes of properties of condensed matter systems described by extended Hubbard models.
In the first place, an original extension to the Hubbard model, entailing a spatially modulated single-particle potential along with nearest-neighbour electronic interactions, is introduced. Its static properties, namely the competing ground states in its zero-temperature phase diagram, as well as its quasiparticles band structure, are investigated at half filling by means of a saddle-point approximation to the Kotliar-Ruckenstein representation. A competition between two symmetry broken phases, both featuring a checkerboard charge order, and distinguished by the presence or absence of a Néel ordering of the spins, is evidenced. Strongly discontinuous transitions are revealed by an analysis of the relevant order parameters at all coupling scales. Coexistence between both phases, with one phase slightly higher in energy than the ground state, is found in large regions of the parameter space. The band structure of the phases, and more precisely the sizable difference in their band gap, is analyzed, putting forward possible applications of putative experimental realizations of the model as candidate functional materials.
In the second place, a Hubbard model, extended by long range Coulomb interactions between electrons, is analyzed by means of an alternative form of the Kotliar-Ruckenstein
representation. An instance of dynamical property, namely the model’s zero-temperature charge excitation spectrum, is computed in the form of the electron energy loss function. Specifically, Gaussian fluctuations of the slave boson fields around the paramagnetic saddle-point of the alternative representation are calculated, ultimately allowing for a derivation of an analytical formula for the dynamical charge susceptibility, and thus for the loss function as well as the optical conductivity. The spectrum, generically comprising a particle-hole excitation continuum as well as two collective modes, the plasmon and a signature of the upper Hubbard band, is then compared with standard random phase approximation in order to evidence strong correlation features. Focus is put on the plasma frequency, the energy of the plasmon mode at long wavelengths, emphasizing lattice effects as well as the relevance of the interaction-driven renormalization of the inverse effective mass.
Synergic use οf Linear Free Energy Relatiοnships and ΡC-SAFΤ
Doctorant·e
BACO SINDI
Direction de thèse
HELD CHRISTOPH (Directeur·trice de thèse)
LEVENEUR SEBASTIEN (Directeur·trice de thèse)
LEGROS JULIEN (Co-directeur·trice de thèse)
BORDES CLAIRE,
,
Université C. Bernard Lyon 1
HELD CHRISTOPH,
,
TU Dortmund, Allemagne
LEGROS JULIEN,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
LEVENEUR SEBASTIEN,
,
INSA de Rouen Normandie
LIKOZAR BLAZ,
,
National Institute of Chemistry, Ljubljana Slovenia
MURZIN DMITRY,
,
Abo Akademi, Turku, Finnland
PRIVAT ROMAIN,
,
Université de Lorraine
SALZANO ERNESTO,
,
Université de Bologne, Italie
Résumé
La biomasse lignocellulosique de deuxième génération constitue une alternative prometteuse aux matières premières fossiles, avec des avantages en termes de durabilité, d’accessibilité économique et de faible concurrence avec la chaîne alimentaire. Elle permet de convertir la cellulose, l'hémicellulose et la lignine en produits chimiques de valeur, tels que l’acide lévulinique, capable de générer des produits à haute valeur ajoutée comme les alkyl lévulinates et la γ-valérolactone (GVL). Les alkyl lévulinates (méthyl, éthyl, propyl et butyl lévulinates) sont utilisés comme solvants, additifs alimentaires et pour les carburants, ainsi que dans les parfums. La GVL est reconnue comme un solvant écologique, illustrant la diversité des applications des produits dérivés de l’acide lévulinique.
Malgré ces avantages, l’utilisation de la biomasse lignocellulosique présente des défis, notamment lors de la phase de prétraitement. La biomasse, composée d'un mélange complexe de cellulose, d'hémicellulose et de lignine, est généralement traitée avec un mélange acide d’eau et d’alcool. Ce processus implique plusieurs réactions simultanées, rendant le rôle du solvant déterminant. La relation linéaire d’énergie libre est un outil clé pour l’étude de ces systèmes de réactions, car elle permet de prédire l’équilibre et la réactivité, réduisant ainsi le nombre d’expériences nécessaires, ce qui permet de gagner du temps et de limiter les coûts. Cependant, cette méthode est très dépendante des conditions opératoires, telles que la température et la concentration.
Dans cette étude, l’équation de Kamlet Abboud Taft (KAT) a été utilisée pour analyser l’estérification de l’acide lévulinique avec de l’éthanol dans différents solvants, notamment la GVL, l’eau et un excès d’éthanol, afin d’identifier le solvant le plus efficace selon leurs propriétés. La seconde partie de la recherche s’est concentrée sur l’équation de Taft pour examiner les relations structure-réactivité dans l’estérification de l’acide lévulinique avec divers alcools (méthanol, éthanol, n-propanol, n-butanol et 2-chloroéthanol). L’étude a ré-estimé les paramètres polaires et stériques dans une plage de température allant de 20 à 50°C, car les données disponibles dans la littérature ne concernaient que des valeurs à 25°C, obtenues dans des conditions arbitraires. L’hypothèse émise est que les conditions de réaction, y compris le choix du solvant, pourraient influencer la cinétique ou l’équilibre, ce qui remettrait en question la validité des données antérieures.
Pour assurer la cohérence de l’analyse, les réactions d’estérification avec les alcools alkylés ont été réalisées dans l’eau, choisie comme solvant commun, car elle permet de mener l’estérification en milieu acide et la saponification en milieu basique. L’eau s’est révélée être un solvant approprié pour les deux processus. Les expériences ont été effectuées dans un réacteur en mode batch sous conditions isothermes, et des modèles cinétiques ont été développés via une approche bayésienne. Cette analyse a permis d’établir des valeurs pour la constante de vitesse apparente, l’énergie d'activation, la constante d’équilibre et l’enthalpie de réaction à une température de référence, avec des intervalles de confiance de 95%. Ces données ont ensuite été appliquées à l’équation KAT pour ré-estimer les effets polaires et stériques des groupes substituants.
L’étude a également souligné que l'utilisation des paramètres substituants dérivés de Taft pour prédire le comportement thermodynamique et cinétique ne tient pas compte de certaines conditions de réaction, telles que le solvant, la température et la concentration. Pour pallier cette limitation, l’étude a exploré l’usage des activités thermodynamiques, notamment le modèle PC-SAFT (Théorie Statistique des Fluides Associants en Chaîne Perturbée), pour prédire les effets du solvant. Toutefois, les résultats du modèle PC-SAFT varient selon le groupe R-substituant utilisé dans la réaction.
Abstract
Second-generation lignocellulosic biomass is a promising alternative to fossil raw materials, offering sustainability, economic accessibility, and minimal competition with the food chain. It can convert cellulose, hemicellulose, and lignin into valuable chemicals, with levulinic acid standing out for its potential to produce high-value products such as alkyl levulinates and γ-valerolactone (GVL). Alkyl levulinates—methyl, ethyl, propyl, and butyl levulinates—find applications as solvents, food and fuel additives, and fragrances. GVL is recognized as a green solvent, further highlighting the diverse uses of products derived from levulinic acid.
Despite its advantages, utilizing lignocellulosic biomass poses challenges, particularly in the pre-treatment phase. The biomass consists of a complex mixture of cellulose, hemicellulose, and lignin, typically processed with an acidic water-alcohol mixture. This step involves multiple simultaneous reactions, making the solvent's role crucial. A key tool for studying these reaction systems is the linear free energy relationship, which allows for the prediction of equilibrium and reactivity. This approach can significantly reduce the number of experiments, saving time and cost. However, the method is highly dependent on specific operating conditions, such as temperature and concentration.
This study employed the Kamlet Abboud Taft (KAT) equation to analyze the esterification of levulinic acid with ethanol in different solvents, including GVL, water, and excess ethanol. The aim was to identify the most efficient solvent based on their properties. The second part of the research focused on the Taft equation to investigate the structure-reactivity relationships in the esterification of levulinic acid with various alcohols (methanol, ethanol, n-propanol, n-butanol, and 2-chloroethanol). The study re-estimated the polar and steric parameters for this esterification process in the 20-50°C temperature range. This re-estimation was necessary as previous literature values were only available at 25°C and under arbitrary conditions. The study hypothesized that reaction conditions, including solvent choice, might impact reaction kinetics or equilibrium, thus affecting the validity of earlier data.
To standardize the analysis, esterification reactions with alkyl alcohols were carried out in water as a common solvent. This choice was motivated by the need for consistent conditions in both acidic (for esterification) and basic (for saponification) media. Water proved to be a suitable solvent for both processes. The experiments were conducted in a batch reactor under isothermal conditions, and kinetic models were developed using a Bayesian approach. This analysis yielded values for the apparent rate constant, activation energy, equilibrium constant, and reaction enthalpy at a reference temperature, with associated 95% credible intervals. These data were subsequently employed in the KAT equation to re-estimate the polar and steric effects of the substituent groups.
The study also noted that the use of derived Taft substituent parameters for predicting thermodynamic and kinetic behavior does not account for certain reaction conditions, such as solvent, temperature, and concentration. To address this, the study explored the use of thermodynamic activities, specifically the PC-SAFT (Perturbed Chain Statistical Associating Fluid Theory) model, to predict solvent effects. However, the PC-SAFT model results are not consistent when varying the R-substituent group in the reaction. As a result, the study represents the first attempt to develop activity-based Taft substituent parameters by constructing activity-based models for the esterification of levulinic acid with alkyl alcohols.
Concluding,this study contributes to the broader goal of biomass valorization, which is critical for the development of sustainable and renewable chemical processes.
Etude de la mοbilité mοléculaire de pοlyesters biοsοurcés à structures chimiques cοntrôlées
Doctorant·e
HALLAVANT Kylian
Direction de thèse
SAITER-FOURCIN ALLISSON (Directeur·trice de thèse)
ESPOSITO ANTONELLA (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
03/10/2024 à 09:30
Lieu de la soutenance
UFR Sciences et Techniques, Salle 2.26 au 2ème étage, Avenue de l'Université 76801 Saint-Etienne-du-Rouvray Cedex
Rapporteurs de la thèse
LEROY ERIC Nantes Université
MIJA ALICE UNIVERSITE NICE SOPHIA ANTIPOLIS
Membres du jurys
COLLAS FRANCK,
,
ESPOSITO ANTONELLA,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
LEROY ERIC,
,
Nantes Université
LOURDIN DENIS,
,
Centre Régional de l'Inrae Angers-Nantes Pays de la Loire
MIJA ALICE,
,
UNIVERSITE NICE SOPHIA ANTIPOLIS
SAITER-FOURCIN ALLISSON,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
Résumé
La diminution des ressources fossiles et la prise de conscience collective de l’impact des déchets plastiques sur l’environnement nécessitent la recherche d’alternatives possibles aux polymères issus du pétrole, avec une empreinte carbone et des risques environnementaux réduits. C’est pourquoi les polyesters biosourcés et/ou biodégradables ont attiré l’attention des chercheurs universitaires et des industriels. Cette thèse se concentre sur la caractérisation thermique des copolyesters à base d'acides gras hydroxylés, qui sont extraits des déchets agricoles de tomate, et de poly (alkylene trans-1,4-cyclohexanedicarboxylate) (PCHs), qui sont des matériaux biodégradables et potentiellement biosourcés avec d'intéressantes propriétés barrières. Cette thèse montre que les deux systèmes ont des vitesses de cristallisation élevées et forment des microstructures complexes impliquant plusieurs polymorphes avec une forte densité de petites sphérulites. La microstructure dépend des conditions de traitement (vitesse de refroidissement depuis le fondu, température de cristallisation) et de la nature chimique du matériau (densité de réticulation pour les acides gras hydroxylés et longueur de la chaîne alkyle dans la chaîne principale de l'unité répétitive pour les PCHs). La réticulation réduit la mobilité des chaînes macromoléculaires et inhibe la cristallisation, tandis que la longueur de la chaîne alkyle induit un effet pair-impair avec des conséquences sur les températures de fusion et de cristallisation, sur le couplage entre les phases amorphe et cristalline, sur l'indice de fragilité et sur l'aptitude à former un verre.
Abstract
The decline of fossil resources and the raise of collective awareness about the impact of plastic waste on the environment impose to look for possible alternatives to petroleum-based polymers with reduced carbon footprint and environmental risks. For this reason, bio-sourced and/or biodegradable polyesters have attracted much attention from both academic researchers and industrials. This thesis focuses on the thermal characterization of co-polyesters based on hydroxy-fatty acids, which are extracted from tomato-peel agro-wastes, and poly (alkylene trans-1,4-cyclohexanedicarboxylate) (PCHs), which are biodegradable and potentially biobased materials with interesting barrier properties. This thesis shows that both systems have high crystallization rates and form complex microstructures involving several polymorphs with a high density of small spherulites. The microstructure depends on the processing conditions (cooling rate from the melt, crystallization temperature) and on the chemical nature of the material (crosslinking density for the hydroxy-fatty acids, and alkyl chain length within the main structure of the repeating unit for the PCHs). Crosslinking reduces the mobility of the macromolecular chains and inhibits crystallization, whereas the alkyl chain length induces an odd-even effect with consequences on the melting and crystallization temperatures, on the coupling between the amorphous and crystalline phases, on the fragility index and on the glass-forming ability.
Experimental study and physical mοdelling οf the interactiοn between injectiοn and acοustics in liquid-gas multi-injectiοn οr transcritical real fluid injectiοn cοnditiοns
Doctorant·e
OVANDO CASTRO Michael
Direction de thèse
BAILLOT FRANÇOISE (Directeur·trice de thèse)
BLAISOT JEAN-BERNARD (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
03/10/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
UMR 6614 - CORIA
Rapporteurs de la thèse
DENET BRUNO UNIVERSITE AIX MARSEILLE 1 PROVENCE
SCHULLER THIERRY Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
Membres du jurys
BAILLOT FRANÇOISE,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
BLAISOT JEAN-BERNARD,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
DEMOULIN FRANÇOIS-XAVIER,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
DENET BRUNO,
,
UNIVERSITE AIX MARSEILLE 1 PROVENCE
SCHULLER THIERRY,
,
Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
THERON MARIE,
,
Centre National des Etudes Spatiales
Résumé
Les instabilités thermoacoustiques dans les moteurs-fusées à propergol liquide (LRE) investiguées depuis les années 1930 font toujours l’objet d’études primordiales inscrites dans la stratégie du programme R{\&}D du CNES. Celles-ci se produisent dès lors qu’apparaît une boucle de couplage entre les fluctuations de pression et celles du taux de dégagement de chaleur. Or ce dernier peut être perturbé suite à l’impact des ondes de pression sur des phénomènes physiques qui participent en amont au processus complet de la combustion, comme l’atomisation ou le mélange. Les travaux présentés dans cette thèse de doctorat s’intègrent dans cette dynamique de recherche. Ils se concentrent sur le comportement des écoulements situés dans la zone d’injection lorsqu’ils sont soumis à des champs acoustiques transverses de haute intensité consécutifs à des modes de résonance de chambre contrôlés par forçage. Les fluides sont considérés soit dans leur état sous-critique, soit au voisinage de leur état transcritique/supercritique. Trois actions sont proposées :
(i) le développement d’un modèle théorique de champ acoustique diffracté en présence d'un objet acoustiquement transparent, subissant en retour des effets nonlinéaires de radiation acoustique. La propriété de transmission acoustique à l’interface de l’objet, non nécessaire pour des objets lourds par rapport à leur environnement (cas d’un jet d’eau dans l’air), devient indispensable dès lors que sa masse volumique s’approche de celle de l’environnement (cas d’un jet transcritique dans l’azote gazeux). Cela doit particulièrement être pris en compte dès lors que l’objet est déformable sous l’action des efforts de radiation stationnaires ;
(ii) l’adaptation du banc HP-5L injectant un jet d’éthane dans l’état transcritique dans un environnement d’azote supercritique pressurisé au-delà du point critique de l’éthane, en vue de recevoir un système de forçage acoustique développé spécifiquement dans le cadre de cette étude, capable de supporter ces conditions de pression (50 bar) et de température (323K). Ce système acoustique utilisant des éléments vibrants piézoélectriques a été testé sur le banc acoustique autonome ACoUstic Test bEnch (ACUTE) capable de produire un champ acoustique transverse stationnaire. Intégré au banc HP-5L, le point d’injection peut être placé à discrétion sur un ventre de pression, de vitesse ou d’intensité acoustique ;
(iii) la conception et la mise en place d’un dôme multiple injection d’eau assistée par air s’ajustant sur le banc pressurisé (1 à 5 bar) préexistant MARACA muni d’un système de forçage acoustique comprenant quatre haut-parleurs à dôme de titane et actuateur solénoïde générant un champ acoustique stationnaire transversal de grande amplitude (de l'ordre de 6000 Pa crête-à-crête ou 169,5 dB à $P_{ch} = 1 \ bar$ et 14000 Pa crête-à-crête ou 176,9 dB à $P_{ch} = 5 \ bar$) et de fréquence autour de 1 kHz. Les écoulements coaxiaux caractéristiques du régime Fibre ($Re_l$ = 6600, $We_g$ = 520 ; $Re_l$ = 3200, $We_g$ = 224) et régime Rayleigh Non-Axisymétrique ($Re_l$ = 3000, $We_g$ = 40) sont caractérisés à l’aide de visualisations par rétro-éclairage diffus (DBI) dans deux directions perpendiculaires, capturées par deux caméras synchronisées à grande vitesse (environ 1 kfps). Le nouveau dôme multiple injection a été conçu pour accueillir plusieurs injecteurs, ce qui permet le fonctionnement simultané de 4 ou 5 injecteurs. Malgré la complexité de la visualisation de plusieurs jets qui se superposent, les mesures granulométriques (qui impliquent l'analyse de la distribution de la taille des particules à l'intérieur des jets) peuvent toujours être effectuées efficacement. Lorsque le nombre de Weber est faible, ce qui correspond à des scénarios où les forces de tension superficielle dominent les forces d'inertie, l'influence de l'acoustique sur les jets est plus prononcée. Les ondes acoustiques interagissent fortement avec les jets de liquides, affectant leur comp
Abstract
Thermoacoustic instabilities in liquid rocket engines (LREs) have been investigated since the 1930s, and are still the subject of vital studies as part of the CNES R{\&}D program strategy. These occur as soon as a coupling loop appears between fluctuations in pressure and those in the rate of heat release. The latter can be disrupted by the impact of pressure waves on physical phenomena such as atomization and mixing, which are involved in the entire combustion process upstream. The work presented in this doctoral thesis is part of this research dynamics. It focuses on the behavior of flows located in the injection zone when subjected to high-intensity transverse acoustic fields following forcing-controlled chamber resonance modes. Fluids are considered either in their subcritical state, or in the vicinity of their transcritical/supercritical state. Three actions are proposed:
(i) the development of a theoretical model of the scattered acoustic field in the presence of an acoustically transparent cylindrical object, submitted in turn to nonlinear acoustic radiation effects. The property of acoustic transmission at the object interface, which is not necessary for objects that are heavy relative to their environment (as in the case of a water jet in air), becomes indispensable as soon as its density approaches that of the environment (as in the case of a transcritical jet in nitrogen gas). This must be particularly taken into account when the object is deformable under the action of steady radiation efforts;
(ii) adaptation of the HP-5L bench injecting a jet of ethane in the transcritical state into an environment of supercritical nitrogen pressurized beyond the critical point of ethane, in order to accommodate an acoustic forcing system developed specifically within the framework of this study, capable of withstanding these conditions of pressure (50 bar) and temperature (323K). This acoustic system using piezoelectric vibrating elements was tested on the ACoUstic Test bEnch (ACUTE) stand-alone acoustic bench capable of producing a standing transverse acoustic field. Integrated with the HP-5L bench, the injection point can be positioned at will on a pressure, velocity or acoustic intensity antinodes;
(iii) the design and installation of an air-assisted multiple water injection dome fitting on the pre-existing MARACA pressurized bench (1 to 5 bar) equipped with an acoustic forcing system comprising four titanium dome loudspeakers and solenoid actuator generating a transverse standing acoustic field of large amplitudes (in the order of 6000 Pa peak-to-peak or 169.5 dB at $P_{ch} = 1 \ bar$ and 14000 Pa peak-to-peak or 176.9 dB at $P_{ch} = 5 \ bar$) and frequency around 1 kHz. Coaxial flows characteristic of the Fiber regime ($Re_l$ = 6600, $We_g$ = 520; $Re_l$ = 3200, $We_g$ = 224) and Rayleigh Non-Axisymmetric regime ($Re_l$ = 3000, $We_g$ = 40) are characterized using diffuse backlighting visualizations (DBI) in two perpendicular directions, captured by two synchronized cameras at high speed (around 1 kfps).
The new injection dome has been designed to accommodate multiple injectors, allowing for the simultaneous operation of 4 or 5 injectors. Despite the complexity in visualizing multiple overlapping jets, granulometric measurements (which involve analyzing the size distribution of particles within the jets) can still be performed effectively. At low Weber numbers, which correspond to scenarios where surface tension forces dominate over inertial forces, the influence of acoustics on the jets is more pronounced. The acoustic waves interact strongly with the liquid jets, affecting their breakup behavior. This effect is observed consistently across all multiple injector configurations, indicating that acoustics play a significant role in the dynamics of the jets under these conditions. The impact of acoustic waves on the jets becomes even more significant at a chamber pressure $P_{ch} = 5 \ bar$ due to a decrease of the ampl
Defοrmatiοn and breakup οf drοplets in turbulence.
Doctorant·e
ROA ANTUNEZ Ignacio
Direction de thèse
DUMOUCHEL CHRISTOPHE (Directeur·trice de thèse)
BRANDLE DE MOTTA JORGE CESAR (Co-encadrant·e de thèse)
BRANDLE DE MOTTA JORGE CESAR,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
BRENN GUNTER,
,
Université Technique de Graz (AUT)
DUMOUCHEL CHRISTOPHE,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
HAKANSSON ANDREAS,
,
Université de Lund (SUEDE)
PERRARD STEPHANE,
,
Sorbonne Université
RENOULT MARIE-CHARLOTTE,
,
INSA de Rouen Normandie
RIMBERT NICOLAS,
,
Université de Lorraine
RISSO FRÉDERIC,
,
Inp (Toulouse)
Résumé
Le processus d'atomisation est influencé par la déformation et la rupture des gouttes, qui à leur tour affectent la distribution finale de la taille des gouttes. La turbulence est un phénomène prépondérant lors de l'atomisation secondaire.
Plusieurs auteurs ont établi un lien entre la rupture des gouttes liée à la turbulence et les oscillations libres de celles-ci en montrant que, même pour de faibles niveaux de turbulence, les gouttes se brisent en raison d'un mécanisme de résonance. Ce phénomène est à la base de la présente étude.
Comme point de départ de ce travail, les oscillations linéaires théoriques des gouttes sont examinées d'un point de vue théorique et numérique.
Le mouvement oscillatoire de premier ordre d'une gouttelette initialement déformée, compte tenu des effets dynamiques du fluide environnant, est décrit.
Ensuite, les oscillations et la rupture d'une gouttelette liquide sphérique unique, initialement non perturbée, soumise à un milieu turbulent homogène et isotrope, sont étudiées.
Un cadre théorique pour les oscillations des gouttes est développé à l'aide d'une décomposition en harmoniques sphériques qui suit la déformation de la surface depuis son état initial jusqu'à juste avant sa rupture.
Cette approche relie l'amplitude de la déformation de la goutte d'eau par petites perturbations aux paramètres et aux propriétés du milieu turbulent, ce qui nous permet d'observer comment la turbulence excite les différents modes, conduisant finalement à la rupture.
Nous relions ce phénomène à la théorie de la stabilité linéaire et analysons comment la durée de vie des gouttes est associée aux statistiques de turbulence pour l'ensemble des valeurs caractéristiques.
Pendant la déformation des gouttes, des perturbations d'origines diverses favorisent la croissance de structures liquides de tailles et de formes variées.
En particulier, les régions présentant de la contraction (goulots d'étranglement) et d'accumulation (dilatation) peuvent indiquer l'avènement d'une rupture.
Pour prédire avec précision les événements de rupture, il est essentiel de prendre en compte la nature multi-échelle de ces systèmes.
L'évolution temporelle de la distribution des échelles est utilisée pour identifier toutes les dynamiques impliquées dans le processus de déformation à chaque échelle tout au long de la durée de vie de la gouttelette
Le problème est abordé par simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes à deux phases à l'aide du code interne ARCHER.
En combinant ces trois analyses, la durée de vie de la gouttelette est étudiée en deux parties : Premièrement, le mouvement oscillatoire et la fréquence des différents modes présents dans la déformation à travers le cadre harmonique sphérique afin de mettre en lumière le mécanisme de résonance. Deuxièmement, l'évolution temporelle de la distribution d'échelle par une analyse multi-échelle à la fin de la durée de vie de la goutte.
Abstract
The atomization process is influenced by the deformation and breakup of droplets, which in turn affects the final distribution of droplet size. Several authors have related the breakup of droplets due to turbulence to their free oscillations and have shown that even, for low turbulence levels, droplets break due to a resonant mechanism. This phenomenon provides the foundation for the present study.
As a baseline of this work, the theoretical linear shape oscillations of droplets are first examined from both theoretical and numerical perspectives.
The first-order oscillatory motion of an initially deformed droplet, considering the dynamic effects of the surrounding fluid, is described.
Subsequently, the oscillations and breakup of a single, initially unperturbed, spherical liquid droplet subjected to a homogeneous and isotropic turbulent medium are investigated.
A theoretical framework for droplet oscillations is developed using a spherical harmonic decomposition that tracks the deformation of the surface from its initial state to just before its breakup as an expansion of each mode of deformation.
This approach links the small perturbation amplitude deformation of the droplet to the parameters and properties of the turbulent medium, allowing us to observe how turbulence excites the different modes, ultimately leading to breakup.
We relate this phenomenon to linear stability theory and analyse how the droplet lifetime is associated with the turbulence statistics for the ensemble of characteristic values.
During droplet deformation, perturbations of different origins favour the growth of liquid structures of various sizes and shapes.
Notably, regions exhibiting contraction (bottlenecks) and accumulation (swelling) patterns may indicate potential breakup events.
To accurately predict breakup events, it is essential to consider the multiscale nature of these systems.
The temporal evolution of the scale distribution is used to identify all the dynamics involved in the deformation process at each scale throughout the droplet's lifetime
The problem is approached by direct numerical simulation of the two-phase Navier-Stokes equations using the in-house code ARCHER.
By combining these three analyses, the lifetime of the droplet is studied in two parts: First, the oscillatory motion and frequency of the different modes present in the deformation through the spherical harmonic framework to shed light on the resonance mechanism. Second, the temporal evolution of the scale distribution through a multiscale analysis at the end of the droplet lifetime.
Οptimisatiοn d'un prοcédé de recyclage d'aimants Νd-Fe-B
Doctorant·e
CHETOUANI Abdelilah
Direction de thèse
LE BRETON JEAN-MARIE (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
25/09/2024 à 10:30
Lieu de la soutenance
Salle de conférences du GPM - UFR Sciences et Techniques - Université de Rouen Normandie - Saint Etienne du Rouvray
Rapporteurs de la thèse
BESSAIS LOTFI UNIVERSITE PARIS 12 VAL DE MARNE
MAZALEYRAT FREDERIC Comue Universites Paris-Saclay
Membres du jurys
BESSAIS LOTFI,
,
UNIVERSITE PARIS 12 VAL DE MARNE
JURASZEK JEAN,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
LE BRETON JEAN-MARIE,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
MAZALEYRAT FREDERIC,
,
Comue Universites Paris-Saclay
NOUDEM JACQUES,
,
ENSICAEN
RIVOIRARD SOPHIE,
,
UNIVERSITE GRENOBLE 1 JOSEPH FOURIER
Résumé
Compte tenu de leurs excellentes propriétés magnétiques, les aimants Nd-Fe-B font l’objet d’une utilisation croissante dans les technologies liées à la conversion d’énergie. Cependant, leur production nécessite l’extraction de terres rares, étape qui constitue un risque environnemental élevé lié au rejet de grandes quantités d’eaux usées toxiques et de déchets radioactifs. De ce point de vue, le recyclage des aimants Nd-Fe-B constitue une bonne stratégie pour produire de nouveaux aimants. C’est dans ce contexte qu’un procédé de pulvérisation par voie hydro/solvothermale adapté au recyclage d’aimants Nd-Fe-B a été optimisé en fonction de la nature du solvant, du temps de traitement, et de la granulométrie de l’aimant préalablement concassé. Les résultats ont montré qu’un traitement solvothermal dans l’éthanol pendant 30 minutes permet de pulvériser l’aimant à recycler sans dégrader la phase magnétique Nd2Fe14B, et ceci pour différentes tailles de particules issues de l’aimant préalablement concassé. Des poudres obtenues selon le procédé optimisé ont été frittées à 900°C par SPS (Spark Plasma Sintering). L’application d’une pression de 75 MPa et le mélange avec de la poudre Nd-Fe-B commerciale ont permis de minimiser la dégradation de la phase magnétique Nd2Fe14B durant le frittage. Il est également possible de fritter à 750°C des poudres constituées de particules polycristallines issues d’un aimant à recycler pour tirer profit de l’orientation magnétique initiale, ce qui pourrait faciliter l’obtention d’un aimant recyclé de coercitivité élevée. Un recuit post-frittage à 750°C pendant 30 minutes sous vide permet d’améliorer les propriétés magnétiques des matériaux obtenus. Enfin, l’obtention d’une poudre monophasée, constituée uniquement de particules de phase Nd2Fe14B, par pulvérisation d’un aimant Nd-Fe-B par voie solvothermale suivie d’un traitement de réduction-diffusion de l’hydrure de calcium CaH2 a été réalisée avec succès.
Abstract
According to their excellent magnetic properties, Nd-Fe-B magnets are increasingly used in technologies related to energy conversion. However, their production requires the extraction of rare earths, a step which causes a high environmental risk linked to the discharge of large quantities of both toxic wastewater and radioactive waste. From this point of view, recycling Nd-Fe-B magnets constitutes a good strategy for producing new magnets. In this context, a hydro/solvothermal pulverization process devoted to the recycling of Nd-Fe-B magnets was optimized depending on the nature of the solvent, the treatment time, and the particle size of the previously crushed magnet. The results showed that a solvothermal treatment in ethanol for 30 minutes makes it possible to pulverize the magnet to be recycled without degrading the Nd2Fe14B magnetic phase, and this for different sizes of particles from the previously crushed magnet. Powders obtained according to the optimized process were sintered at 900°C by SPS (Spark Plasma Sintering). The application of a pressure of 75 MPa and the mixing with commercial Nd-Fe-B powder made it possible to minimize the degradation of the Nd2Fe14B magnetic phase during sintering. The sintering at 750°C of powders made up of polycrystalline particles from a magnet to be recycled takes advantage of the initial magnetic orientation, which could allow obtaining a recycled magnet with a high coercivity. Post-sintering annealing at 750°C for 30 minutes under vacuum improves the magnetic properties of the materials obtained. Finally, a single-phase powder, consisting solely of Nd2Fe14B phase particles, was successfully obtained by solvothermal pulverization a Nd-Fe-B magnet followed by a reduction-diffusion treatment of calcium hydride CaH2.
Ιntegratiοn and Characterizatiοn οf Linear and Νοn-linear ΗfΟ2-Based Τhin Films fοr Νanοcapacitοr Applicatiοns
Doctorant·e
GARCIA RAMIREZ Emmanuel Armando
Direction de thèse
LÜDERS ULRIKE (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
13/09/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Grenoble
Rapporteurs de la thèse
ALLARD BRUNO INSA Lyon
VILQUIN BERTRAND Maître de conférences HDR ECOLE CENTRALE LYON
Cette thèse explore l'utilisation de films minces à base d'oxyde de hafnium (HfO2) dans les nanocondensateurs, en se concentrant sur leurs propriétés électriques linéaires et non linéaires pour répondre aux exigences croissantes des dispositifs électroniques miniaturisés et à haute performance. En partant des principes fondamentaux de la physique des condensateurs de stockage d'énergie, l'étude met en lumière les caractéristiques essentielles des matériaux diélectriques efficaces, comme une constante diélectrique élevée et une large bande interdite. Les matériaux à base de hafnium sont particulièrement prometteurs en raison de leur compatibilité avec la Déposition par Couches Atomiques (ALD), qui permet un dépôt de films minces précis et uniforme, crucial pour garantir des performances fiables dans les dispositifs électroniques.
Afin de comprendre le potentiel de ces matériaux, diverses techniques de fabrication et de caractérisation ont été employées. Cela inclut des procédés de dépôt spécifiques pour créer les films minces ainsi que des tests morphologiques pour étudier la structure physique des condensateurs. Les tests électriques jouent un rôle clé dans l'évaluation de paramètres critiques tels que la constante diélectrique, la tension de claquage et la capacité globale de stockage d'énergie. En analysant ces facteurs, une vue d'ensemble complète des performances des diélectriques à base de hafnium, linéaires et non linéaires, est obtenue.
Lors de l'exploration des diélectriques linéaires et amorphes à base de hafnium, HfO2 est combiné avec de l'oxyde d'aluminium et de l'oxyde de silicium pour améliorer les propriétés diélectriques. Différentes configurations, telles que les nanolaminés et les solutions solides, sont testées pour trouver l'équilibre optimal. L'objectif est d'obtenir des matériaux qui maintiennent une constante diélectrique élevée et résistent à la rupture de tension, améliorant ainsi leur capacité à stocker l'énergie de manière efficace. Par ailleurs, une étude détaillée des diélectriques non linéaires et cristallins examine les effets du dopage de l'oxyde de hafnium avec des éléments comme la zircone et le silicium. Différentes températures de dépôt et de recuit sont évaluées pour leur impact sur la structure cristalline et le comportement de polarisation, révélant des comportements ferroélectriques et antiferroélectriques complexes pouvant offrir une densité d'énergie élevée et une stabilité accrue.
Les résultats suggèrent que, bien que les matériaux ferroélectriques puissent ne pas convenir aux applications nécessitant une capacitance linéaire en raison de leur sensibilité aux variations de tension, les matériaux antiferroélectriques montrent un potentiel intéressant. Cependant, ils rencontrent encore des défis liés à l'efficacité électrique et à la gestion thermique. Il est crucial de trouver des matériaux capables de stabiliser efficacement les variations de tension, car les condensateurs sont de plus en plus utilisés pour gérer ces fluctuations dans l'électronique moderne.
Un défi majeur identifié est la variabilité de la constante diélectrique, ce qui peut limiter l'utilisation de ces matériaux dans des applications nécessitant une capacitance stable, comme le filtrage de signaux. Pour résoudre ce problème, les solutions solides et les matériaux laminés, qui offrent une capacitance linéaire constante, sont privilégiés. Bien que ces matériaux soient efficaces jusqu'à un certain seuil de permittivité, l'exploration des phases non linéaires ouvre la voie à des performances potentiellement plus élevées dans des conditions spécifiques.
En résumé, cette recherche fait progresser la compréhension des films minces à base de HfO2 et de leur rôle dans les nanocondensateurs. En examinant à la fois les matériaux diélectriques linéaires et non linéaires, elle fournit des perspectives sur l'optimisation des techniques de fabrication et des compositions des matériaux pour
Abstract
This research investigates the use of hafnium oxide (HfO2)-based thin films in nanocapacitors, focusing on both their linear and non-linear electrical properties to meet the growing demands of high-performance and miniaturized electronic devices. Starting with the fundamental physics of energy storage capacitors, the investigation highlights the essential characteristics of effective dielectric materials, such as a high dielectric constant and a substantial band gap. Hafnium-based materials are particularly promising due to their compatibility with Atomic Layer Deposition (ALD), which allows for precise and uniform thin-film deposition—crucial for ensuring reliable performance in electronic devices.
To understand the potential of these materials, various fabrication and characterization techniques were employed. This includes specific deposition processes to create the thin films and morphological tests to study the physical structure of the capacitors. Electrical testing plays a key role in evaluating critical parameters like dielectric constant, breakdown voltage, and overall energy storage capacity. By analyzing these factors, a comprehensive view of how both linear and non-linear hafnium-based dielectrics perform is provided.
When exploring linear, amorphous hafnium-based dielectrics, HfO2 is combined with aluminum oxide and silicon dioxide to enhance dielectric properties. Different configurations, such as nanolaminates and solid solutions, are tested to find the optimal balance. The goal is to achieve materials that maintain a high dielectric constant and resist voltage breakdown, thereby improving their ability to store energy efficiently. On the other hand, a detailed look into non-linear, crystalline dielectrics examines the effects of doping hafnium oxide with elements like zirconia and silicon. Different deposition and annealing temperatures are assessed for their impact on crystalline structure and polarization behavior, revealing complex ferroelectric and antiferroelectric behaviors that could offer high energy density and stability.
The findings suggest that while ferroelectric materials might not be suitable for applications requiring linear capacitance due to their sensitivity to voltage variations, antiferroelectric materials show promise. However, they still face challenges related to electrical efficiency and thermal management. Finding materials that can effectively stabilize voltage variations is crucial, as capacitors are increasingly used to manage these fluctuations in modern electronics.
A significant challenge identified is the variability in the dielectric constant, which can limit the use of these materials in applications demanding stable capacitance, such as signal filtering. To address this issue, solid solutions and laminated materials, which provide consistent linear capacitance, are prioritized. Although these materials are effective up to a certain permittivity threshold, exploring non-linear phases opens the door to potentially higher performance under specific conditions.
In summary, understanding of HfO2-based thin films and their role in nanocapacitors is advanced by this research. By examining both linear and non-linear dielectric materials, insights into how to optimize fabrication techniques and material compositions to improve dielectric properties are provided. Ongoing research into issues like material endurance, electrical efficiency, and thermal management is essential for developing reliable and high-performing capacitors that meet the evolving demands of modern electronic technologies
Fiabilité et οptimisatiοn des systèmes mécaniques : applicatiοns aux éοliennes
Doctorant·e
KARMI Bilel
Direction de thèse
SAOUAB ABDELGHANI (Directeur·trice de thèse)
EL HAMI ABDELKHALAK (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
11/09/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
Laboratoire d'Ondes et Milieux Complexes
Rapporteurs de la thèse
BOUCHOUCHA FAKER UNIVERSITE DE CARTHAGE
KANIT TOUFIK Universite de Lille
Membres du jurys
BEN TAHAR MABROUK,
,
UNIVERSITE DE TECHNOLOGIE DE COMPIEGNE
BOUAZIZ SLIM,
,
ECOLE NATIONALE INGENIEURS DE SFAX
BOUCHOUCHA FAKER,
,
UNIVERSITE DE CARTHAGE
EL HAMI ABDELKHALAK,
,
INSA de Rouen Normandie
EL MOUMEN AHMED,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
HADDAR MOHAMED,
,
ECOLE NATIONALE INGENIEURS DE SFAX
KANIT TOUFIK,
,
Universite de Lille
SAOUAB ABDELGHANI,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
Résumé
Le comportement dynamique des systèmes mécaniques est crucial dans l'industrie pour éviter l'instabilité et les vibrations, assurant ainsi la fiabilité et la durabilité des équipements. La complexité et les incertitudes inhérentes rendent la modélisation précise difficile, mais intégrer ces incertitudes est essentiel pour renforcer la robustesse des systèmes. Des approches comme la simulation de Monte Carlo sont utilisées pour tenir compte de ces incertitudes, notamment dans des domaines spécifiques comme les transmissions par engrenage, où les paramètres incertains peuvent avoir un impact significatif sur le comportement dynamique. En résumé, comprendre et gérer les incertitudes dans la conception des systèmes mécaniques contribue à améliorer leur performance et leur fiabilité dans des environnements opérationnels variés.
En outre, une compréhension approfondie des dynamiques mécaniques permet d'anticiper les zones de fragilité et de minimiser les risques de défaillance, ce qui est essentiel pour garantir la sécurité et la performance des équipements industriels. Les ingénieurs doivent adopter une approche proactive pour relever les défis liés à la conception de systèmes mécaniques fiables, en tenant compte des incertitudes liées à des facteurs tels que les forces de frottement, les raideurs des engrenages et les conditions environnementales changeantes. La modélisation stochastique, telle que la simulation de Monte Carlo, offre des outils précieux pour évaluer et atténuer les risques associés à ces incertitudes, assurant ainsi une conception plus robuste et une meilleure performance des systèmes mécaniques dans diverses conditions d'exploitation.
Abstract
The dynamic behavior of mechanical systems is crucial in industry to avoid instability and vibrations, ensuring the reliability and durability of equipment. The inherent complexity and uncertainties make precise modeling challenging, but incorporating these uncertainties is essential to strengthen system robustness. Approaches such as Monte Carlo simulation are used to account for these uncertainties, particularly in specific areas like gear transmissions, where uncertain parameters can significantly impact dynamic behavior. In summary, understanding and managing uncertainties in the design of mechanical systems contributes to improving their performance and reliability in various operational environments.
Furthermore, a thorough understanding of mechanical dynamics allows anticipating weak areas and minimizing failure risks, essential for ensuring the safety and performance of industrial equipment. Engineers must take a proactive approach to address challenges in designing reliable mechanical systems, considering uncertainties related to factors such as friction forces, gear stiffness, and changing environmental conditions. Stochastic modeling, such as Monte Carlo simulation, provides valuable tools to assess and mitigate risks associated with these uncertainties, thereby ensuring more robust design and better performance of mechanical systems in diverse operating conditions.
Experimental and numerical cοntributiοn tο the study οf transfοrmatiοn induced plasticity (ΤRΙΡ)
Doctorant·e
JIMENEZ REYES JOSE
Direction de thèse
TALEB LAKHDAR (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
03/09/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Salle de reunion Bougainville
Rapporteurs de la thèse
CALLOCH SYLVAIN ENSTA Bretagne
CORET MICHEL Centrale Nantes
Membres du jurys
BARBE FABRICE,
,
INSA de Rouen Normandie
BERGHEAU JEAN-MICHEL,
,
ENISE Lyon Campus St Etienne
CALLOCH SYLVAIN,
,
ENSTA Bretagne
CORET MICHEL,
,
Centrale Nantes
DENIS SABINE,
,
Université de Lorraine
LEBLOND JEAN-BAPTISTE,
,
Sorbonne Université
PERRIN GILLES,
,
Framatome, Courbevoie
TALEB LAKHDAR,
,
INSA de Rouen Normandie
Résumé
Ce travail a été réalisé dans le but d'apporter une contribution à l'étude de la plasticité induite par transformation (TRIP) à travers des analyses expérimentales et numériques. Pour ce faire, du point de vue expérimental, un programme expérimental original sur l'acier 35NCD16 observant les comportements des transformations austénite → martensite est réalisé sous différentes conditions de chargement. Les résultats indiquent que : (i) le TRIP n'a pas d'effet mémoire significatif, (ii) le matériau peut présenter une récupération de l'écrouissage pendant la transformation martensite → austénite, (iii) une dissymétrie entre les réponses du TRIP en tension et en compression a été observée, (iv) l'existence d'une contre-contrainte du TRIP a été révélée, (v) la quantité de TRIP final peut être considérée comme proportionnelle à la norme de la contrainte appliquée tant que cette dernière ne dépasse pas la limite d'élasticité, et (vi) une légère orientation physique a toutefois été observée lors de l'analyse microstructurale de notre matériau, ce qui pourrait suggérer une faible contribution du mécanisme de Magee dans le TRIP.
Quant au côté numérique, les capacités prédictives du modèle Leblond – Taleb – Sidoroff (LTS) et de sa version actualisée (U – LTS) sont mises à l'épreuve en simulant les essais expérimentaux réalisés dans le cadre de cette étude. Nos résultats montrent que (i) le modèle LTS surestime les résultats expérimentaux, (ii) le modèle LTS ne parvient pas à décrire la dissymétrie entre les réponses TRIP en tension et en compression, (iii) en utilisant le modèle U – LTS, les résultats comparatifs montrent d'excellentes capacités à simuler la base de données expérimentale réalisée dans ce travail, en particulier par rapport au modèle LTS.
Bien que nos résultats expérimentaux aient montré des résultats significatifs, en particulier lorsqu'ils sont comparés aux modèles observés dans notre étude, il est recommandé de poursuivre les recherches en prenant en compte d'autres aciers et d'autres transformations.
Abstract
This thesis has been created with the objective of providing a contribution to the study of transformation induced plasticity (TRIP) via experimental and numerical analyses. To do so, from the experimental point of view, an original experimental program on 35NCD16 steel observing the behaviors of austenite → martensite transformations were performed under different loading conditions. The results indicate that: (i) TRIP does not hold any significant memory effect, (ii) the material may present recovery from strain hardening during the martensite → austenite transformation, (iii) a dissymmetry between the TRIP responses under tension and compression were observed, (iv) the existence of TRIP backstress was revealed, (v) the amount of final TRIP may be considered proportional to the norm of the applied stress as long as the latter does not exceed the yield stress, and (vi) a slight physical orientation has however been observed when carrying out microstructural analyses on our material, which could suggest a small contribution of the Magee mechanism in TRIP.
As for the numerical side, the predictive capabilities of the Leblond – Taleb – Sidoroff (LTS) model, and its updated version (U – LTS) are put to the test by simulating the experimental tests performed for this study. Our results show that: (i) the LTS model overestimates the experimental results, (ii) the LTS model fails in describing the dissymmetry between the TRIP responses under tension and compression, (iii) when using the U – LTS model, the comparative results show excellent capabilities in simulating the experimental data base performed in this work, especially compared to the LTS model.
While our experimental results showed significant results, especially when put up against to the models observed in our study, further research considering other steels and other transformations is recommended.
Μοdélisatiοn de transfert de matières dissοutes et particulaires dans un milieu fracturé
AHFIR NASRE DINE,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
HELLOU MUSTAPHA,
,
INST NAT SC APPLIQ RENNES
JIA YUN,
,
Universite de Lille
OUAHBI TARIQ,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
SAIYOURI NADIA,
,
UNIVERSITE DE BORDEAUX
WANG HUAQING,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
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.
Ιntensificatiοn de la séparatiοn d'émulsiοns par chauffage micrο-οndes: applicatiοn à l'extractiοn 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 ONIRIS, Nantes
FAVRE ERIC Université de Lorraine
Membres du jurys
CHARTON SOPHIE,
,
CEA Marcoule
CURET SÉBASTIEN,
,
ONIRIS, Nantes
ESTEL LIONEL,
,
INSA de Rouen Normandie
FAVRE ERIC,
,
Université de Lorraine
LESAUZE NATHALIE,
,
Université Paul Sabatier, Toulouse
POLAERT ISABELLE,
,
INSA de Rouen Normandie
ROUSSEL HERVÉ,
,
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.
Οptimizing οf Μetal-Ιnsulatοr-Μetal Capacitοrs Ρerfοrmances by Atοmic Layer Depοsitiοn: Advancing Ρrοductiοn Efficiency and Τhrοughput
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 Université Besançon Franche Comté
MUNOZ-ROJAS DAVID Directeur de recherche Universite Grenoble Alpes
Membres du jurys
BLANQUET ELISABETH,
Directeur de recherche,
Universite Grenoble Alpes
CARDIN Julien,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
LABBE Christophe,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
MARCO DE LUCAS MARIA DEL CARMEN,
,
Université Besançon Franche Comté
MECHIN Laurence,
,
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'absοrptiοn gaz liquide dans le cas de suppοrts innοvants
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 Université de Lorraine
THOMAS DIANE Université de Mons, Belgique
Membres du jurys
CASTEL CHRISTOPHE,
,
Université de Lorraine
ESTEL LIONEL,
,
INSA de Rouen Normandie
LEDOUX ALAIN,
,
INSA de Rouen Normandie
SALEH KHASHAYAR,
,
Université de Technologie de Compiègne
THOMAS DIANE,
,
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.
Biο Jet Fuels Ρrοductiοn frοm Lignοcellulοsic Biοmass: Butyl Levulinate a Ρrοmising Μοlecule Τοwards the Develοpment οf Sustainable Aviatiοn 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 Université de Lorraine
SCHUURMAN YVES IRCELYON, Villeurbanne
Membres du jurys
BATTIN-LECLERC FREDERIQUE,
,
Université de Lorraine
CABOT GILLES,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
DAYMA GUILLAUME,
,
Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité et Environnement (ICARE), Orléans
FAYET GUILLAUME,
,
INERIS, Verneuil-en-Halatte
LEVENEUR SEBASTIEN,
,
INSA de Rouen Normandie
RENOU BRUNO,
,
INSA de Rouen Normandie
SCHUURMAN YVES,
,
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.
Τransitiοn dans les cοuches limites supersοniques: simulatiοns numériques directes et cοntrôle 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 Institut von Karman de dynamique des fluides
LEHNASCH GUILLAUME École Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique
Membres du jurys
CHAZOT OLIVIER,
,
Institut von Karman de dynamique des fluides
HADJADJ ABDELLAH,
,
INSA de Rouen Normandie
LEHNASCH GUILLAUME,
,
École Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique
SAFDARI SHADLOO HUGO,
,
INSA de Rouen Normandie
SAYADI TARANEH,
,
Institut Jean Le Rond d'Alembert
VERVISCH LUC,
,
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.
Ιnfluence de l'austénite et des impuretés sur le vieillissement thermique de la ferrite des aciers inοxydables austénο-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 Université de Lorraine
SIMEONE DAVID UNIVERSITE PARIS-SACLAY
Membres du jurys
ALLAIN SEBASTIEN,
,
Université de Lorraine
BECQUART CHARLOTTE,
,
UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
JOUEN SAMUEL,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
PAREIGE CRISTELLE,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
SAILLET SÉBASTIEN,
,
SIMEONE DAVID,
,
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'utilisatiοn d'anas de lin pοur réduire les effets de la dessicatiοn et de la fissuratiοn dus aux retraits des bétοns hοrizοntaux au jeune âge
Doctorant·e
DELESTRE Benjamin
Direction de thèse
BOUTOUIL MOHAMED (Directeur·trice de thèse)
BOUDART Bertrand (Co-directeur·trice de thèse)
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 οf Sοοt Filter Regeneratiοn by using the Lattice Bοltzmann Μethοd
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 ENSMA
HOOMAN KAMEL TU Delft
Membres du jurys
CHINNAYYA ASHWIN,
,
ENSMA
DOMINGO PASCALE,
,
INSA de Rouen Normandie
HADJADJ ABDELLAH,
,
INSA de Rouen Normandie
HOOMAN KAMEL,
,
TU Delft
LATT JONAS,
,
Université de Genève
NIEKEN ULRICH,
,
University of Stuttgart
SAFDARI SHADLOO HUGO,
,
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 mοdèle théοrique pοur la cοllecte des aérοsοls par les gοuttes de pluie : mοdélisatiοn explicite du flux de Stefan et de la cοntributiοn de la diffusiοphοrèse
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 Université de Lorraine
TANGUY SÉBASTIEN Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
Membres du jurys
BELUT EMMANUEL,
,
LEMAITRE PASCAL,
,
Commissariat A l'Energie Atomique et Aux Energies Alternatives
MENARD THIBAUT,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
REVEILLON JULIEN,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
RIMBERT NICOLAS,
,
Université de Lorraine
TANGUY SÉBASTIEN,
,
Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
TANIÈRE ANNE,
,
Université de Lorraine
VINCENT STEPHANE,
,
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 prοductiοn d'éléments exοtiques déficients en neutrοns
CHARTIER MARIELLE University of LIVERPOOL
GREVY STEPHANE Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux
Membres du jurys
CHARTIER MARIELLE,
,
University of LIVERPOOL
FLECHARD Xavier,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
GREVY STEPHANE,
,
Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux
JARDIN PASCAL,
,
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 éοliens sur la dispersiοn 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)
ALEKSEENKO ELENA,
Maître de conférences,
ULCO - UNIVERSITE DU LITTORAL COTE D'OPALE
BENNIS Anne-Claire,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
BOUTET Martial,
,
CNRS
DAUVIN JEAN-CLAUDE,
Professeur émérite,
Université de Caen Normandie (UCN)
GUIZIEN KATELL,
Directeur de recherche,
Sorbonne Université
SCHOEFS FRANCK,
,
Nantes Université
SENTCHEV ALEXEI,
,
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 Μοdelling and Emergency Facilities Lοcatiοn under Uncertainties: A case study οf the Μοrοccan 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 ISAE-SUPMECA, CY Cergy Paris Université
ELFEZAZI SAID Ecole Supérieure de Technologie Safi, Maroc
Membres du jurys
BARBU VLAD STEFAN,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
COSTA AFFONSO ROBERTA,
,
ISAE-SUPMECA, CY Cergy Paris Université
EL BALLOUTI ABDESSAMAD,
,
Université Chouaib Doukkali, Maroc
ELFEZAZI SAID,
,
Ecole Supérieure de Technologie Safi, Maroc
HAMMADI LAMIA,
,
Université Chouaib Doukkali, Maroc
HILAL RACHID,
,
Université Chouaib Doukkali
MOKHLIS AHMED,
,
Ecole Supérieure de Technologie, Safi
SOUZA DE CURSI EDUARDO,
,
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 Rοuting Ρrοblem under uncertainty: Case οf 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 Université Hassan 1er, Settat, Maroc
MARCONDES ALTIMARI SAMED MARCIA State University of Maringa, Bresil
Membres du jurys
BELAFHAL ABDELMAJID,
,
Université Chouaib Doukkali, El Jadida, Maroc
ECHCHATBI ABDELWAHED,
,
Université Hassan 1er, Settat, Maroc
EL BALLOUTI ABDESSAMAD,
,
École Nationale des Sciences Appliquées_El Jadida (ENSAJ)
HAMMADI LAMIA,
,
École Nationale des Sciences Appliquées_El Jadida (ENSAJ)
MARCONDES ALTIMARI SAMED MARCIA,
,
State University of Maringa, Bresil
MBAYE NDIAYE BABACAR,
,
Université Cheikh Anta Diop, Dakar-fann, Senegal
MOUSRIJ AHMED,
,
Faculté des Sciences et Techniques Université Hassan
SOUZA DE CURSI EDUARDO,
,
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'aératiοn sur les impacts hydrοdynamiques : deux cοnfiguratiοns idéalisées avec présence de pοches 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
ABADIE STEPHANE,
,
Université de Pau et des Pays de l'Adour
CHATELLIER LUDOVIC,
,
Université Poitiers
DEMOULIN FRANCOIS-XAVIER,
,
UNIVERSITE DE ROUEN NORMANDIE
GERMAIN GRÉGORY,
,
IFREMER - BOULOGNE-SUR-MER
PERRET GAELE,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
PINON GRÉGORY,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
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.
Simulatiοn en DFΤB d'agrégats chargés à l'aide de charges οbtenues par méthοde 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 Université de Bâle
RAPACIOLI MATHIAS Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
Membres du jurys
ERBIN HAROLD,
Chercheur,
Université Paris Saclay
GERVAIS BENOIT,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
GOEDECKER STEFAN,
,
Université de Bâle
RAPACIOLI MATHIAS,
,
Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
VELLA ANGELA,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
VURPILLOT FRANÇOIS,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
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.
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 université de Antwerp
DA COSTA PATRICK Sorbonne Université
Membres du jurys
AZZOLINA-JURY FEDERICO,
Maître de conférences HDR,
ENSICAEN
BOGAERTS ANNEMIE,
,
université de Antwerp
DA COSTA PATRICK,
,
Sorbonne Université
GUERRA VASCO,
,
Université de LISBONNE
LOPES JOSÉ MADEIRA,
,
Université de LISBONNE
RIBEIRO FILIPA,
,
Université de LISBONNE
TRAVERT Arnaud,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
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.
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 Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
HOLDORF LOPEZ RAFAEL Université fédérale de Santa Catarina, Brésil
Membres du jurys
ATANASOVSKA IVANA,
,
Mathematical Institute of the Serbian Academy of Sciences and Arts, Belgrade, Serbie
ELGUEDJ THOMAS,
,
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
HOLDORF LOPEZ RAFAEL,
,
Université fédérale de Santa Catarina, Brésil
LAZOVIC-KAPOR TATJANA,
,
Université de Belgrade, Serbie
SOUZA DE CURSI EDUARDO,
,
INSA de Rouen Normandie
TROIAN RENATA,
,
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.
Ρrοductiοn phοtοcatalytique de l’hydrοgène à partir de l’acide fοrmique sοus lumière visible : Ρhοtοcatalyseurs à base d’οxyde 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 CNRSM
HMADEH MOHAMAD Université américaine de Beyrouth
Membres du jurys
AL LAKISS LOUWANDA,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
AMMAR SOUAD,
,
Université Paris Cité
CHTOUROU RADHOUANE,
,
Université de Tunis - Tunisie
EL ROZ MOHAMAD,
,
ENSICAEN
HICHEM HAMZAOUI AHMED,
,
CNRSM
HMADEH MOHAMAD,
,
Université américaine de Beyrouth
KAMOUN NAJOUA,
,
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.
Develοppement d'un pοlymère de haute sensibilité intégrable dans un dοsimètre gamma sans fil interrοgeable 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 Université Besançon Franche Comté
TESTARD FABIENNE Directeur de recherche CEA Paris-Saclay
Membres du jurys
AYMES CHODUR CAROLINE,
Maître de conférences HDR,
Université Paris Saclay
BARILLON REMI,
,
Université de Strasbourg
FROMM MICHEL,
,
Université Besançon Franche Comté
NGONO RAVACHE YVETTE,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
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.
Cοmpοrtement sοus rayοnnements iοnisants du cοllagène de type ΙΙ : Etude de pοlypeptides mοdèles cοmme substituts du cοllagène en phase cοndensée
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,
,
CEA Marcoule
FERRY MURIEL,
Directeur de recherche,
CEA Paris-Saclay
LE PLUART Loic,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
NGONO RAVACHE YVETTE,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
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.
Οptimisatiοn du cοuplage Ρrοcédé/Ρrοpriétés/Fiabilité des Structures en Μatériaux Cοmpοsites Fοnctiοnnels
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 Universite de Lille
SOULA MOHAMED ECOLE NATIONALE D'INGENIEURS DE TUNIS
Membres du jurys
BOUAZIZ SLIM,
,
ECOLE NATIONALE INGENIEURS DE SFAX
EL HAMI ABDELKHALAK,
,
INSA de Rouen Normandie
EL MAHI ABDERRAHIM,
,
UNIVERSITE LE MANS
EL MOUMEN AHMED,
,
LUXEMBOURG INSTITUTE OF SCIENCE AND TECH
HADDAR MOHAMED,
,
ECOLE NATIONALE INGENIEURS DE SFAX
KANIT TOUFIK,
,
Universite de Lille
SAOUAB ABDELGHANI,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
SOULA MOHAMED,
,
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.
Μοdélisatiοn numérique et οptimisatiοn des matériaux à changement de phase : applicatiοns aux systèmes cοmplexes
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 Ecole Centrale de Lyon
MEZLINI SALAH Ecole Nationale d'Ingénieur de Monastir
Membres du jurys
BAREILLE OLIVIER,
,
Ecole Centrale de Lyon
BEN SOUF MOHAMED AMINE,
,
Ecole Nationale d'Ingénieurs de Sfax
BEN TAHAR MABROUK,
,
Université de Technologie de Compiègne
EL HAMI ABDELKHALAK,
,
INSA de Rouen Normandie
HADDAR MOHAMED,
,
Ecole Nationale d'Ingénieurs de Sfax
MEZLINI SALAH,
,
Ecole Nationale d'Ingénieur de Monastir
SAOUAB ABDELGHANI,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
VERNIERES LAMIAE,
,
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.
Cοnceptiοn d'un détecteur de système mécatrοnique mοbile intelligent pοur οbserver des mοlécules en phase gazeuse en ΙR.
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 Ecole Nationale d'Ingénieur de Monastir
ICHCHOU MOHAMED Ecole Centrale de Lyon
Membres du jurys
CHOUCHANE MNAOUAR,
,
Ecole Nationale d'Ingénieur de Monastir
DAHOO PIERRE RICHARD,
,
Université de Versailles
EL HAMI ABDELKHALAK,
,
INSA de Rouen Normandie
GAFSI WAJIH,
,
Ecole Nationale d'Ingénieurs de Sfax
HADDAR MOHAMED,
,
École Nationale d'Ingénieurs de Sfax
ICHCHOU MOHAMED,
,
Ecole Centrale de Lyon
SAOUAB ABDELGHANI,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
VERNIERES LAMIAE,
,
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.
Οxycοmbustiοn de l'hydrοgène et de mélanges hydrοgène-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 Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
ROUSSELLE CHRISTINE Université d'Orléans
Membres du jurys
CESSOU ARMELLE,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
GALIZZI CÉDRIC,
,
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
HONORE DAVID,
,
INSA de Rouen Normandie
LAMOUREUX NATHALIE,
,
Université de Lille
MARCANO NIOMAR,
,
AIR LIQUIDE
ROUSSELLE CHRISTINE,
,
Université d'Orléans
VICQUELIN RONAN,
,
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.
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 Université Poitiers
MAZELLIER NICOLAS Université d'Orléans
Membres du jurys
CESSOU ARMELLE,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
CHATELLIER LUDOVIC,
,
Université Poitiers
DANAILA LUMINITA,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
FOUCAUT JEAN-MARC,
,
ECOLE CENTRALE LILLE
LECORDIER BERTRAND,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
MAZELLIER NICOLAS,
,
Université d'Orléans
PERRET GAELE,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
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.
Structuratiοn οf SrΤiΟ3 surfaces and ΜοS2 2D material induced by swift heavy iοn irradiatiοn 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.
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 biοmass pellet degradatiοn during cοmbustiοn: influence οf raw elemental cοmpοsitiοn determined by LΙBS
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 Université Claude Bernard Lyon 1
TSCHAMBER VALERIE Université de Haute Alsace
Membres du jurys
COPPALLE ALEXIS,
,
INSA de Rouen Normandie
HONORE DAVID,
,
INSA de Rouen Normandie
LACOUR CORINE,
,
INSA de Rouen Normandie
MOREL VINCENT,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
MORIN CELINE,
,
Université Polytechnique Hauts-de-France
MOTTO-ROS VINCENT,
,
Université Claude Bernard Lyon 1
ROGAUME YANN,
,
Université de Lorraine
TSCHAMBER VALERIE,
,
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.
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.
Οn the stοchastic respοnse οf rοtοr-blade mοdels with Flοquet mοdal theοry: applicatiοns tο time-dependent reliability οf tidal turbine blades
BLANZE CLAUDE Conservatoire National des Arts et Métiers, Paris
JACQUELIN ERIC Université Claude Bernard Lyon 1
Membres du jurys
BLANZE CLAUDE,
,
Conservatoire National des Arts et Métiers, Paris
DE QUEIROZ LIMA ROBERTA,
,
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
GERMAIN GREGORY,
,
Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer
JACQUELIN ERIC,
,
Université Claude Bernard Lyon 1
PAGNACCO Emmanuel,
,
INSA de Rouen Normandie
RIXEN DANIEL JEAN,
,
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
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 GRONINGEN - UNIVERSITY OF GRONINGEN
MARSH BRUCE Chercheur HDR CERN
Membres du jurys
BLANK BERTRAM,
,
UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
EVEN JULIA,
,
GRONINGEN - UNIVERSITY OF GRONINGEN
LECESNE NATHALIE,
,
14 GANIL de CAEN
LIENARD Etienne,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
MARSH BRUCE,
Chercheur HDR,
CERN
SAVAJOLS HERVÉ,
,
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 cοmpοrtement au feu d'assemblages titane-cοmpοsite pοur l'aérοnautique
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 Université de Lorraine
JACQUEMIN FRÉDÉRIC Nantes Université
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.
Dévelοppement d'un spectrοmètre/débitmètre neutrοns transpοrtable
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 Nantes Université
NOURREDDINE ABDEL MJID Université de Strasbourg
Membres du jurys
BAN Gilles,
,
ENSICAEN
HADDAD FERID,
,
Nantes Université
LABALME MARC,
Maître de conférences HDR,
ENSICAEN
LELAIZANT GABRIELLE,
Chercheur,
CEA
NOURREDDINE ABDEL MJID,
,
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 expérimentale des mécanismes d'évapοratiοn des semicοnducteurs.
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 Univ."A.LUDWIGS" de Freiburg (ALL)
PORTAVOCE ALAIN Aix-Marseille université
Membres du jurys
COJOCARU-MIREDIN OANA,
,
Univ."A.LUDWIGS" de Freiburg (ALL)
DOUADY JULIE,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
MOUTON Isabelle,
,
INP DE GRENOBLE
PORTAVOCE ALAIN,
,
Aix-Marseille université
RIGUTTI LORENZO,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
VURPILLOT FRANCOIS,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
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.
Etude numérique et expérimentale de la dynamique des faisceaux d'electrοns dans les accélérateurs linéaires à inductiοn
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 CEA
MANIL Bruno Sorbonne Université
Membres du jurys
DELAUNAY RUDY,
,
CEA
FOURMENT CLAUDE,
,
CEA
MAISONNY REMI,
,
CEA
MANIL Bruno,
,
UNIVERSITE PARIS 13 PARIS-NORD
PECASTAING LAURENT,
,
Université de Pau et des Pays de l'Adour
ROUSSEAU Patrick,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
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.
Radiatiοn-induced prοcesses within DΝA 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,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
CHEVALIER FRANCOIS,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
EDEN SAMUEL,
Maître de conférences HDR,
The Open University
LACOMBE SANDRINE,
,
Université Paris Saclay
MAC ALEESE LUKE,
Chercheur HDR,
Université Claude Bernard - Lyon 1
POULLY Jean-Christophe,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
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.
Ιnvestigatiοn οf Luminescent Ρrοperties in Rare-Earth free Μetallοphοsphοnate Ηybrid Μaterials: structural Ιnsights in phοtοphysical 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 Université Claude Bernard - Lyon 1
RINNERT HERVE Université de Lorraine
Membres du jurys
ANDRAUD CHANTAL,
Directeur de recherche,
Ens Lyon Ens Sciences
CARDIN Julien,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
DEMESSENCE AUDE,
,
Université Claude Bernard - Lyon 1
LABBE Christophe,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
RINNERT HERVE,
,
Université de Lorraine
RUEFF Jean-Michel,
,
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.
Ρhysics οf supercοnducting nickel οxides frοm first principles calculatiοns
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 Université de Liège
JUNQUERA JAVIER Universidad de Cantabria
Membres du jurys
BENCKISER EVA,
Directeur de recherche,
Université de Stuttgart
BIBES MANUEL,
,
Université Paris-Saclay
GHOSEZ PHILIPPE,
,
Université de Liège
JANOD ETIENNE,
Directeur de recherche,
Institut des matériaux Jean Rouxel
JUNQUERA JAVIER,
,
Universidad de Cantabria
PRELLIER Wilfrid,
,
ENSICAEN
VARIGNON Julien,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
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 dévelοppement des critères de sécurité pοur la détectiοn 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
CABASSUD MICHEL,
,
Université de Toulouse III Paul Sabatier
ESTEL LIONEL,
,
INSA de Rouen Normandie
FARZA MONDHER,
,
Université de Caen Normandie
OLIVIER-MAGET NELLY,
,
INP ENSIACET, Toulouse
SCHWEITZER JEAN-MARC,
,
Michelin, Clermont-Ferrand
VERNIERES LAMIAE,
,
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.
Οptimisatiοn de la méthοde d'impressiοn et étude des perfοrmances 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 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,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
DHEILLY ROSE MARIE,
,
UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
FABIEN AURELIE,
Docteur,
NEOLITHE
SEBAIBI NASSIM,
Maître de conférences HDR,
BUILDERS ECOLE D'INGENIEURS CAEN
SONEBI MOHAMMED,
,
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.
Scοur investigatiοn arοund a bridge pier fοunded in cοhesive sοil - Etude des phénοmènes d'affοuillement autοur de piles de pοnt fοndées sur sοls cοhésifs
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 DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
PHAM VAN BANG DAMIEN UNIVERSITE DU QUEBEC
Membres du jurys
BENAMAR AHMED,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
BENNABI ABDELKRIM,
,
ESTP PARIS
CHASSAGNE CLAIRE,
,
DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
GONDRET PHILIPPE,
,
UNIVERSITE PARIS-SACLAY
MARIN FRANCOIS,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
PHAM VAN BANG DAMIEN,
,
UNIVERSITE DU QUEBEC
POUPARDIN ADRIEN,
,
ESTP PARIS
REY VINCENT,
,
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 fοr CΡ viοlatiοn with ΜΟRA: cοmmissiοning οf 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 UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
SEVERIJNS NATHAL LEUVEN - KATHOLIEKE UNIVERSITEIT
Membres du jurys
ASCHER PAULINE,
Chargé de recherche,
Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux
BLANK BERTRAM,
,
UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
DELAHAYE Pierre,
,
14 GANIL de CAEN
HAYEN LEENDERT,
Docteur,
ENSICAEN
LIENARD Etienne,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
SEVERIJNS NATHAL,
,
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.
Τhermal and envirοnmental effects οn Ρt-based hοllοw nanοspheres catalysts : insights frοm in-situ and οperandο ΤEΜ
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 Université de Strasbourg
NELAYAH JAYSEN UNIVERSITE PARIS 7 PARIS DIDEROT
Membres du jurys
ERSEN OVIDIU,
,
Université de Strasbourg
GENEVOIS CÉCILE,
,
Université d'Orléans
MOLDOVAN SIMONA,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
NELAYAH JAYSEN,
,
UNIVERSITE PARIS 7 PARIS DIDEROT
PINARD LUDOVIC,
,
ENSICAEN
SAUVAGE XAVIER,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
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.
Ρhases magnétiques et transitiοns de phases magnétiques dans les οxydes antiferrοmagnétiques frustrés multiferrοiques: étude par simulatiοns 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 Université de Lorraine
THIBAUDEAU PASCAL
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.
Assemblage d’hétérοstructures οptiques amplificatrices pοur les pilοtes 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 Université de Franche Comté
DRUON FREDERIC Université Paris Saclay
Membres du jurys
BALITSKY DENIS,
Chercheur,
Cristal Laser
BARTASYTE AUSRINE,
,
Université de Franche Comté
CAMY Patrice,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
DE VIDO MARIASTEFANIA,
Chercheur,
Central Laser Facility
DRUON FREDERIC,
,
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.
Μοdélisatiοn, οptimisatiοn et gestiοn d’énergie d’une centrale hybride à énergie renοuvelable
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 Université Paris Saclay
TALBERT THIERRY Maître de conférences HDR UNIVERSITE PERPIGNAN VIA DOMITIA
Membres du jurys
CHERIFI Abderrezzak,
,
UNIVERSITE VERSAILLES ST QUENT
DUCHESNE STEPHANE,
,
Universite Artois
HOUIVET David,
Maître de conférences HDR,
Université de Caen Normandie (UCN)
MIGAN-DUBOIS ANNE,
,
Université Paris Saclay
REBOUL Jean-Michel,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
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 expérimentale de la cοnvectiοn naturelle dans une cavité annulaire statiοnnaire οu en rοtatiοn
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 Nantes Université
PODVIN BERENGERE CentraleSupélec
Membres du jurys
LE GAL PATRICE,
,
AIX-MARSEILLE UNIVERSITE
LECORDIER BERTRAND,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
LOUAHLIA HASNA,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
MUTABAZI INNOCENT,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
OULD EL MOCTAR AHMED,
,
Nantes Université
PEERHOSSAINI HASSAN,
,
UNIVERSITE PARIS 7 PARIS DIDEROT
PODVIN BERENGERE,
,
CentraleSupélec
PRIGENT ARNAUD,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
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
