Dans cette étude, le comportement en liquéfaction statique des sols sableux entièrement saturés et non saturés est étudié de manière approfondie, en se concentrant sur les effets du paramètre d'état (ψ), du degré de saturation (Sr) et de la contrainte effective moyenne initiale (p'₀). Une série d’essais triaxiaux en cisaillement non drainé a été réalisée sur le sable Hostun RF, complétée par des simulations numériques à l’aide du modèle constitutif NorSand. Pour les sols entièrement saturés, le potentiel de liquéfaction est principalement régi par le paramètre d’état (ψ) et la contrainte effective moyenne initiale (p'₀). Pour les échantillons surconsolidés, le potentiel de liquéfaction augmente avec ψ, tandis que pour les échantillons normalement consolidés, il diminue lorsque p'₀ augmente. Concernant les sols non saturés, la présence de bulles d’air complexifie leur comportement par rapport aux sols saturés. Une nouvelle méthode de contrôle de la saturation a été développée pour les essais triaxiaux, permettant d’ajuster Sr (85–100 %) tout en minimisant les effets de la succion matricielle. En outre, un modèle prédictif 3D du rapport de pression interstitielle (Ru) a été élaboré, intégrant Sr, ψ et p'₀. Les simulations numériques utilisant NorSand reproduisent efficacement les principales caractéristiques de la liquéfaction statique, en bon accord avec les résultats expérimentaux. Sur la base de ces simulations, un critère de liquéfaction statique pour les sols saturés a été établi et validé à partir des données expérimentales, confirmant sa fiabilité pour la prédiction du potentiel de liquéfaction des sols sableux.
Abstract
In this study, the static liquefaction behavior of fully saturated and unsaturated sandy soils is comprehensively investigated, focusing on the effects of the state parameter (ψ), the degree of saturation (Sr) and the initial mean effective stress (p'0). A series of triaxial undrained shear experiments were carried out on Hostun Sand RF and analyzed by numerical simulations using the NorSand constitutive model. For fully saturated soils, liquefaction potential is primarily governed by the state parameter (ψ) and the initial mean effective stress (p'0). For overconsolidated samples, liquefaction potential increases with higher ψ. For normally consolidated samples, it is mainly controlled by p'0, and decreases as p'0 increases. For unsaturated soils, the presence of air bubbles makes their behavior more complex compared to fully saturated soils. A novel saturation control methodology was developed for triaxial testing, enabling adjustment of Sr (85–100%) while minimizing matric suction effects. Furthermore, a predictive 3D model for the pore pressure ratio (Ru) was developed, incorporating the saturation degree (Sr), state parameter (ψ) and initial mean effective stress (p'0). Numerical simulations using NorSand effectively capture key features of static liquefaction in good agreement with experimental results. Based on these simulations, a static liquefaction criterion for fully saturated soils was established and validated against experimental data, confirming its reliability in predicting the liquefaction potential of sandy soils.
Captage pοst-cοmbustiοn du diοxyde de carbοne par des sels d'acides aminés
Doctorant·e
DELANNEY ARNAUD
Direction de thèse
LEDOUX ALAIN (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
09/07/2025 à 09:00
Lieu de la soutenance
INSARouen Normandie
Rapporteurs de la thèse
CASTEL CHRISTOPHE ENSIC, Nancy
THOMAS DIANE Université de Mons, Belgique
Membres du jurys
BACCHIN PATRICE,
,
Université de Toulouse
CASTEL CHRISTOPHE,
,
ENSIC, Nancy
JOUENNE STÉPHANE,
,
TotalEnergies - CSTJF, Pau
LEDOUX ALAIN,
,
INSA Rouen Normandie
POUX MARTINE,
,
INP Toulouse
THOMAS DIANE,
,
Université de Mons, Belgique
Résumé
Le captage du CO2 contenu dans les fumées post-combustion s’avère essentiel en vue d’atteindre l’objectif de zéro émission nette de CO2 d’ici 2050. L’absorption du CO2 par des solvants constitue aujourd’hui la solution de captage la plus efficace. Cependant, le solvant de référence (MEA 30% mass.) de référence présente des défauts majeurs : dégradation thermique, synthèse à partir de matières fossiles, toxicité et énergie de régénération élevée.
Ainsi, la finalité de cette étude est de trouver la meilleure formulation d’un solvant alternatif de captage de CO2 à base de sels d’acides aminés. La viscosité, la masse volumique, la vitesse d’absorption et les vitesses de réaction sont des propriétés fondamentales dans le choix d’un solvant et nécessitent des modèles précis pour les estimer. Seulement, les propriétés des solutions électrolytiques sont difficiles à modéliser. Par ailleurs, les valeurs des cinétiques d’absorption et de réaction présentes dans la littérature sont relativement dispersées, variant d’une équipe de recherche à l’autre. De cette manière, dans cette étude, la viscosité et la densité de solutions d’acides aminés sont déterminées et modélisées en fonction de variables comme la température, la concentration mais également en fonction des groupes fonctionnels des anions en établissant des modèles semi-empiriques précis, à l’aide notamment d’un réseau de neurones artificiels. Les influences du contre-ion sodium ou potassium, et des groupements fonctionnels des anions, sur ces propriétés sont également analysées.
Ensuite, dans cette étude, un approfondissement théorique du régime de pseudo-premier ordre dans le cadre du double-film sous lequel sont réalisées la plupart des déterminations de cinétique d’absorption, est mené avec l’établissement de nouvelles équations généralisées. Ces résultats permettent d’apprécier plus précisément l’écart entre les valeurs prédites selon l’hypothèse du régime de pseudo-premier ordre et la valeur réelle. Suite à cette étude théorique, des mesures expérimentales de cinétique d’absorption sur des solutions aqueuses, de MDEA, de glycinate et de lysinate sont menées démontrant la grande vitesse d’absorption de ces solutions. Ces résultats démontrent notamment que les solutions aqueuses de sels de sodium et de glycinate absorbent moins vite que celles de potassium, mais restent compétitives contrairement à ce qui était supposé jusqu’à présent.
Abstract
Capturing the CO2 contained in post-combustion flue gases is essential to achieve the goal of zero net CO2 emissions by 2050. Among these capture solutions, solvent-based CO2 absorption is currently the most effective. However, the aqueous solution of monoethanolamine (MEA 30% mass.) considered as the reference solvent has major shortcomings: corrosiveness, thermal degradation, synthesis from fossil materials, toxicity and high regeneration energy... and has led to the study of alternative solvents.
Therefore, the aim of this study is to find the best formulation of a CO2 capture solvent based on amino acid salts. Viscosity, density, absorption rate and reaction rates are fundamental properties in the choice of a solvent, and require accurate models to estimate them. However, the properties of electrolyte solutions are difficult to model. Moreover, the values of absorption and reaction kinetics found in the literature are relatively scattered, varying from one research team to another one.
Subsequently, in this study, the viscosity and the density of amino acid salts solutions are determined and modeled as a function of variables such as temperature and concentration, but also as a function of the anions' functional groups, by establishing precise semi-empirical models, using in particular an artificial neural network. The influences of the sodium or potassium counterion, and of the anions' functional groups, on these properties are also analyzed.
Next, in this study, a theoretical investigation of the pseudo-first-order regime in the double-film framework under which most absorption kinetics determinations are made, is carried out with the establishment of new generalized equations. These results make it possible to appreciate more precisely the discrepancy between the values predicted on the assumption of the pseudo-first-order regime and the actual value. Following this theoretical study, experimental absorption kinetics measurements were carried out on aqueous solutions of MDEA, glycinate and lysinate, demonstrating the high absorption rate of these solutions. In particular, these results show that aqueous solutions of sodium and glycinate salts absorb less rapidly than those of potassium, but remain competitive, contrary to previous assumptions.
Μéthοdes hybrides fοndées sur l'ΙA et la physique pοur la quantificatiοn des dοmmages structurels et l'analyse de sensibilité
Doctorant·e
SHI CHEN
Direction de thèse
LEMOSSE Didier (Directeur·trice de thèse)
AOUES YOUNES (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
07/07/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
BO-A-RC-02
Rapporteurs de la thèse
CHIEMENTIN XAVIER Université de Reims Champagne Ardenne
NECHAK LYES ECOLE CENTRALE LYON
La surveillance de l'état des structures (SHM) joue un rôle essentiel dans l'assurance de la sécurité, de la fiabilité et de la durabilité des infrastructures. Cette thèse propose une approche hybride combinant l'intelligence artificielle (IA) et des méthodes basées sur la physique pour améliorer la quantification des dommages structurels et l'analyse de sensibilité. Bien que les méthodes traditionnelles basées sur les vibrations fournissent des informations précieuses, elles présentent des limites en matière de traitement en temps réel et d’adaptabilité aux structures complexes. Les récents progrès en apprentissage automatique, en particulier les réseaux de neurones convolutifs (CNNs), ont démontré un fort potentiel, mais nécessitent souvent une grande quantité de données et manquent d’interprétabilité.
Pour pallier ces limitations, nous développons dans cette thèse une méthode basée sur l’IA pour la détection des dommages structurels. Cette méthode utilise la transformation de Fourier à court terme (STFT) afin de convertir les signaux vibratoires en spectrogrammes temps-fréquence, qui sont ensuite analysés par des modèles CNN. La validation sur des structures de référence, notamment les bases de données IASC-ASCE et QUGS (Simulateur de tribune de l'Université du Qatar), confirme que la méthode CNN-STFT améliore la précision de détection des dommages ainsi que l'efficacité proposée des calculs.
Au-delà de la détection des dommages, cette thèse introduit une approche basée sur la physique pour quantifier les dommages en intégrant des indices de dommage (DI) dérivés de l’analyse modale dans les modèles CNN. Cette intégration comble le fossé entre les prédictions pilotées par l’IA et l'interprétabilité physique, garantissant que les sorties des modèles correspondent au comportement structurel réel. Les évaluations expérimentales menées sur la base de données IASC-ASCE démontrent la robustesse de cette approche dans la détection et la quantification des dommages sous diverses conditions structurelles, y compris les scénarios multi-dommages.
De plus, cette recherche explore de manière systématique l'analyse de sensibilité. Les indices de Sobol sont utilisés pour identifier les paramètres incertains les plus influents affectant le DI, en particulier les propriétés liées à la rigidité, comme le module de Young. Les résultats mettent en évidence que la sévérité des dommages amplifie la sensibilité des paramètres, soulignant ainsi la nécessité de prendre en compte les incertitudes dans les méthodologies SHM.
En définitive, cette thèse contribue aux recherches en SHM en intégrant de manière transparente les techniques de l'IA et les approches basées sur la physique pour améliorer la précision de détection des dommages, renforcer l’interprétabilité et permettre une application en temps réel. L'approche proposée améliore non seulement les méthodologies SHM existantes, mais ouvre également la voie à de futures avancées en optimisation de la fiabilité et en amélioration des modèles d’apprentissage profond intégrant l'incertitude.
Abstract
Structural Health Monitoring (SHM) plays a critical role in ensuring the safety, reliability, and lifespan of structures. This thesis presents a hybrid AI (Artificial Intelligence) and physics-informed approach to enhance structural damage quantification and sensitivity analysis. While traditional vibration-based SHM methods provide valuable insights, they face challenges in handling complex structures and real-time data processing. Recent advancements in machine learning, particularly Convolutional Neural Networks (CNNs), have demonstrated strong potential but often require large datasets and lack interpretability.
To address these limitations, this research develops an AI-based framework for structural damage detection, utilizing Short-Time Fourier Transform (STFT) to convert vibration signals into time-frequency spectrograms, which are then analyzed using CNN models. Validation on benchmark structures, including the IASC-ASCE and QUGS (Qatar University Grandstand Simulator) datasets, confirms that the CNN-STFT method enhances damage detection accuracy and computational efficiency.
Beyond damage detection, the thesis introduces a physics-informed approach to damage quantification by integrating Damage Indices (DI) from modal analysis into CNN models. This integration bridges the gap between AI-driven predictions and physical interpretability, ensuring that model outputs align with actual structural behavior. Experimental evaluations using the IASC-ASCE benchmark demonstrate the robustness of this approach in detecting and quantifying damage under various structural conditions, including multiple damage scenarios.
Furthermore, the research systematically explores sensitivity analysis. Sobol indices are used to identify the most influential uncertain parameters affecting DI, particularly stiffness-related properties such as Young’s modulus. The findings emphasize that damage severity amplifies parameter sensitivity, reinforcing the necessity of uncertainty considerations in SHM methodologies.
Overall, this thesis advances SHM research by seamlessly integrating AI and physics-based techniques to improve damage detection accuracy, enhance interpretability, and enable real-time applications. The proposed framework not only refines existing SHM methodologies but also lays the foundation for future advancements in reliability optimization and uncertainty-aware deep learning enhancements.
Ιdentificatiοn des paramètres οptimaux de mise en οeuvre des matériaux cοmpοsites incοrpοrant des fibres de lin lοrs de sοllicitatiοns Τhermο-Ηygrο/Ηydrο-Μécaniques
Doctorant·e
LEVEE Antoine
Direction de thèse
NOUDEM Jacques (Directeur·trice de thèse)
BREARD Joel (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
24/06/2025 à 09:30
Lieu de la soutenance
amphithéâtre de l'IUT Génie Chimie Génie des Procédés, au premier étage du hall central
Rapporteurs de la thèse
COMAS-CARDONA SÉBASTIEN ECOLE CENTRALE NANTES
HIVET GILLES Université d'Orléans
Membres du jurys
BINETRUY CHRISTOPHE,
,
ECOLE CENTRALE NANTES
BREARD Joel,
,
UCN - Université de Caen Normandie
CELINO AMANDINE,
,
Nantes Université
COMAS-CARDONA SÉBASTIEN,
,
ECOLE CENTRALE NANTES
DAVIES PETER,
,
29 IFREMER Centre de BREST
HIVET GILLES,
,
Université d'Orléans
MICHAUD VERONIQUE,
,
Ecole Polytechnique de Lausanne Suisse
NOUDEM Jacques,
,
UCN - Université de Caen Normandie
Résumé
La mise en œuvre de préformes en fibres de lin intégrées comme renforts dans les matériaux composites reste un processus encore mal maîtrisé, notamment en ce qui concerne leur comportement sous sollicitations couplées dans l’espace Thermo-Hygro-Hydro-Mécanique.
Ce travail de recherche s’est attaché à développer des protocoles expérimentaux rigoureux, permettant d’analyser avec précision l’influence de paramètres clés tels que la teneur en eau, la vitesse de sollicitation et l’architecture fibreuse. La caractérisation et la modélisation du comportement mécanique, lors de sollicitations de type compaction/compression et relaxation, et pour des conditions hygrothermiques contrôlées, ont ainsi pu être effectuées.
Les résultats ont mis en évidence l’existence d’effets seuil liés à l’humidité, ainsi que des évolutions notables du comportement selon la vitesse de sollicitation. Une interprétation des mécanismes internes de réorganisation et d’interaction des constituants a été proposée, en lien avec les spécificités des fibres de lin et la nature des sollicitations.
Enfin, l’application de ces résultats lors de la mise en œuvre de matériaux composites optimisés a permis de valider expérimentalement la démarche, et de proposer des fiches process.
Ces travaux s’inscrivent dans une perspective élargie de structuration d’une ingénierie des matériaux agro-sourcés rigoureuse et prédictive.
Abstract
The manufacturing process of flax fibre preforms used as composite materials reinforcements remains a complex and not yet fully controlled stage, particularly regarding their behaviour under Thermo-Hygro-Hydro-Mechanical coupled stress.
This research work focused on the development of rigorous experimental protocols, enabling a precise analysis of key parameters such as moisture content, strain rate, and architecture. The mechanical behaviour of the preforms was characterized and modelled under compaction/compression and relaxation stage, with strict control of the surrounding hygrothermal environment.
The results revealed threshold effects associated with moisture content, as well as variations in mechanical response depending on the strain rate. An interpretation was proposed, highlighting the role of internal fibre rearrangements and fibre to fibre interactions, according to specificities of flax fibres and to the nature of the applied loads.
Finally, the application of these findings to the manufacturing of optimized composite materials enabled experimental validation of the overall approach and led to the proposal of processing guidelines intended for industrial use. More generally, this work supports the establishment of a rigorous and predictive engineering framework for agro-based materials.
MONTES JIMENEZ VICENTE (Directeur·trice de thèse)
TAOUK BECHARA (Directeur·trice de thèse)
CINTAS MORENO PEDRO (Co-directeur·trice de thèse)
ABDELOUAHED LOKMANE (Co-encadrant·e de thèse)
BRODU NICOLAS (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
23/06/2025 à 09:30
Lieu de la soutenance
INSA ROUEN
Rapporteurs de la thèse
COURSON CLAIRE Université de Strasbourg
ESTEVEZ TOLEDANO RAFAEL CARLOS Université de Cordoue, Espagne
Membres du jurys
BRODU NICOLAS,
,
URN - Université de Rouen Normandie
CINTAS MORENO PEDRO,
,
Université d'Estrémadure, Espagne
COURSON CLAIRE,
,
Université de Strasbourg
ESTEVEZ TOLEDANO RAFAEL CARLOS,
,
Université de Cordoue, Espagne
GUENIN ERWANN,
,
Université de Technologie de Compiègne (UTC)
MONTES JIMENEZ VICENTE,
,
Université de Cordoue
REY BARROSO ANA,
,
Université d'Estrémadure, Espagne
TAOUK BECHARA,
,
INSA Rouen Normandie
Résumé
Face à l’épuisement des combustibles fossiles et à l’aggravation du changement climatique lié aux émissions de gaz à effet de serre, la recherche s’oriente de plus en plus vers la biomasse comme source d’énergie renouvelable. La pyrolyse rapide de la biomasse permet de produire une bio-huile, riche en composés oxygénés, qui nécessite une valorisation avant usage comme carburant. Parmi les procédés étudiés, l’hydrodésoxygénation (HDO) apparaît comme une solution efficace, notamment via l’utilisation de catalyseurs à base de phosphure de nickel (Ni₂P) supportés sur zéolithes. Ces catalyseurs, préparés selon différentes méthodes (imprégnation humide, imprégnation en suspension, précipitation), présentent des performances variables, les deux premières méthodes ayant donné les meilleurs résultats. La caractérisation approfondie des catalyseurs a mis en évidence l’impact des conditions de synthèse sur leur structure, leur surface spécifique et la dispersion du métal actif. Des tests catalytiques sur des composés modèles (acétone, acide acétique, m-crésol) ont montré une activité élevée de désoxygénation à haute température et pression. Des essais complémentaires avec des mélanges modèles et des bio-huiles réelles ont confirmé la sélectivité et la stabilité du Ni₂P préparé par imprégnation en suspension, conduisant à la formation d’hydrocarbures, d’esters et de composés aromatiques. Ces résultats démontrent le potentiel des catalyseurs Ni₂P pour la valorisation durable des bio-huiles, contribuant ainsi à une production de carburants alternatifs plus respectueuse de l’environnement.
Abstract
The continuing depletion of petroleum fuels and climate change linked to greenhouse gas emissions have increased energy problems, highlighting the global need for sustainable energy sources and leading to increased research interest in biomass as a renewable feedstock. Fast pyrolysis of biomass yields bio-oil, a complex mixture rich in oxygenated compounds that requires upgrading before use as fuel. Among the numerous upgrading techniques, hydrodeoxygenation (HDO) is effective and very promising. The use of suitable catalysts allows to deoxygenate and enhance fuel quality. The current research is aimed at synthesizing and evaluating nickel phosphide (Ni₂P) based catalysts supported on zeolites due to their appealing activity, selectivity, and economic efficiency. Catalysts were prepared through different methods; wetness impregnation, slurry impregnation, and precipitation with slurry and wetness impregnation proving the most effective. Detailed characterization established that synthesis protocols leave a significant impression on catalyst framework, surface area, and metal dispersion. Catalytic tests using model compounds like acetone, acetic acid, and m-cresol confirmed superior deoxygenation activities, particularly at high temperatures and pressures. Further studies using compound mixtures and real pyrolysis bio-oils confirmed the selectivity and stability of the slurry impregnation prepared Ni₂P catalyst, with the products shifted to hydrocarbons, esters, and aromatics. These results highlight the importance of synthesis conditions in the optimization of catalytic performance and the vast potential of Ni₂P catalysts in sustainable upgrading of bio-oil, towards enabling the transition to renewable fuels and a greener energy industry.
YON Jerome (Directeur·trice de thèse)
MAZUR MAREK (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
06/06/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
CORIA - Av. de l'Université, 76801 Saint-Étienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse
DEVEL MICHEL SUPMICROTECH-ENSMM
OUF FRANCOIS XAVIER Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE)
Membres du jurys
BARVIAU BENOIT,
,
URN - Université de Rouen Normandie
DEVEL MICHEL,
,
SUPMICROTECH-ENSMM
DUPRAY VALÉRIE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
GEHIN EVELYNE,
,
Université Paris-Est Créteil
MAZUR MAREK,
,
INSA Rouen Normandie
OUF FRANCOIS XAVIER,
,
Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE)
PETITPREZ DENIS,
,
Université de Lille
YON Jerome,
,
INSA Rouen Normandie
Résumé
Les aérosols, de fines particules en suspension dans l'air, ont un impact significatif sur le changement climatique en affectant l'équilibre radiatif de la Terre. Ils ont également des implications pour la santé lorsqu'ils se déposent dans les poumons. De plus, les aérosols jouent un rôle dans divers processus, tels que la production de carbone noir pour les pneus, l'incorporation dans des matériaux pour modifier leurs propriétés, et le rayonnement thermique dans les processus de combustion.
Contrôler la concentration, la taille et la morphologie de ces particules est crucial. Les diagnostics optiques sont essentiels pour l'évaluation in situ de ces propriétés, offrant des résolutions spatiales et temporelles élevées. La diffusion statique de la lumière et la diffusion dynamique de la lumière sont des processus élastiques largement utilisés pour déterminer la taille, le volume et la concentration des particules. Les techniques d'émission induite ou naturelle sont également employées pour évaluer la fraction volumique et les températures. Cependant, les diagnostics optiques conventionnels ne peuvent pas fournir d'informations sur la structure interne des particules (par exemple, l'état de graphitisation, la teneur en composés organiques) ni sur leur surface spécifique (surface de l'aérosol divisée par leur masse). Ces quantités sont d'un grand intérêt, en particulier pour évaluer les impacts toxicologiques, et dépendent fortement de la morphologie des particules.
Les avancées récentes dans les impulsions laser intenses et rapides ont permis la génération d'effets optiques non linéaires (NLO), comprenant la génération de second harmonique (SHG), la génération de troisième harmonique (THG) et la diffusion hyper-Rayleigh (HRS). Ces effets ont montré un potentiel significatif dans les biosciences et la physique fondamentale pour l'étude des phénomènes sensibles à la surface. Bien que certaines expériences aient été menées sur des particules en solution ou des nanoparticules à la surface de gouttelettes, la SHG par des nanoparticules en phase aérosol n'a pas encore été démontrée. L'objectif de cette thèse est de combler cette lacune et d'évaluer le potentiel de l’optique non linéaire pour la métrologie des particules fines en suspension dans l’air, telles que les particules de suie produites lors de la combustion incomplète des carburants.
Plus précisément, ce travail vise à explorer la SHG, la THG et la HRS générées par des particules de carbone noir et d'autres types de nanoparticules pour évaluer le potentiel d’accès à de nouveaux paramètres de mesure. Les expériences ont impliqué le développement d'un dispositif optique dédié et innovant capable d'analyser la réponse NLO résolue en temps, longueur d'onde et angle. Ce dispositif peut isoler la SHG, la THG et la HRS des autres phénomènes NLO, tels que la filamentation laser. Le dispositif optique a été calibré pour quantifier le signal généré et optimisé pour une haute sensibilité tout en évitant la génération de NLO à partir de ses propres éléments optiques.
Les résultats confirment que les particules de suie, les gouttelettes de DEHS et les nanoparticules de carbone générées par arc produisent du SHG-HRS à des intensités inférieures de plus de sept ordres de grandeur à celles de la diffusion statique de la lumière. La THG, si elle est présente, n'était pas détectable et est donc encore plus faible. La SHG-HRS dépend de la taille des agrégats et des monomères mais ne semblent pas être influencées par la teneur en carbone organique. Les expériences montrent également que la SHG-HRS augmentent linéairement avec la surface spécifique des particules. De plus, la réponse angulaire diffère fondamentalement de la diffusion statique de la lumière, présentant un caractère isotrope. Cela suggère que les aérosols sont susceptibles de générer une diffusion hyper-Rayleigh, qui s'avère prometteuse pour quantifier la surface spécifique des aerosols par des approaches in situ.
Abstract
Aerosols, fine particles suspended in the air, significantly impact climate change by affecting the Earth's radiative balance. They also have health implications when deposited in the lungs. Additionally, aerosols play a role in various processes, such as black carbon production for tires, incorporation into materials to modify their properties, and thermal radiation in combustion processes.
Controlling the concentration, size, and morphology of these particles is crucial due to their desired or undesired effects. Optical diagnostics are essential for in situ assessment of these properties, offering high spatial and temporal resolutions. Static Light Scattering and Dynamic Light Scattering are elastic processes widely used to determine particle size, volume, and concentration. Induced or natural emission techniques are also employed to assess volume fraction and temperatures. However, conventional optical diagnostics cannot provide information on the particles' internal structure (e.g., graphitization state, composition) or their specific surface area (surface of aerosol divided by their mass). These quantities are of high interest, particularly for evaluating toxicological impacts, which strongly depend on particle morphology.
Recent advancements in intense and short laser pulses have enabled the generation of nonlinear optical (NLO) effects, including Second Harmonic Generation (SHG), Third Harmonic Generation (THG), and Hyper-Rayleigh Scattering (HRS). These effects have shown significant potential in biosciences and fundamental physics for investigating surface-sensitive phenomena. While some experiments have been conducted on particles in solution or nanoparticles on droplet surfaces, SHG by nanoparticles in the aerosol phase has not yet been demonstrated. The objective of this thesis is to address this gap and evaluate the potential of NLO for the metrology of fine particles, such as soot particles produced during the incomplete combustion of fuels.
Specifically, this work aims to explore SHG, THG, and HRS by black carbon particles and other types of nanoparticles to assess new measurands. The experiments involved developing a dedicated and innovative optical setup capable of analyzing the NLO response resolved in time, wavelength, and angle. This setup can isolate SHG, THG, and HRS from other NLO phenomena, such as laser filamentation. The optical setup was calibrated to quantify the generated signal and optimized for high sensitivity while avoiding NLO generation from its own optical elements.
The results confirm that soot particles, DEHS droplets, and arc-generated carbon nanoparticles exhibit SHG/ HRS at intensities more than seven orders of magnitude smaller than static light scattering. THG, if present, was not detectable and is so even weaker. SHG and HRS depend on aggregate and monomer size but do not seem to be influenced by the organic or elemental carbon content. The experiments also show that SHG-HRS increases linearly with particle surface area, independent of particle shape and composition. Furthermore, the angular response differs fundamentally from static light scattering, exhibiting an isotropic nature. This suggests that aerosols are prone to generating Hyper-Rayleigh Scattering, which is found to be promising to quantify the specific surface area of an aerosol in situ. By providing access to this crucial information, the present work paves the way for a new class of laser-based diagnostics for aerosols.
Caractérisatiοn ultrasοnοre de suspensiοns sοlides dans un fluide visqueux
Doctorant·e
EID Moustafa
Direction de thèse
MARECHAL PIERRE (Directeur·trice de thèse)
BENAMAR AHMED (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
04/06/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
LOMC, site Prony, 53 rue de Prony, 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse
CALLE SAMUEL Universite de Tours
CHASSAGNE CLAIRE DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Membres du jurys
BENAMAR AHMED,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
CALLE SAMUEL,
,
Universite de Tours
CHASSAGNE CLAIRE,
,
DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
DESPAUX GILLES,
,
UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
FRANKLIN HERVÉ,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
MARECHAL PIERRE,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
Résumé
Les méthodes ultrasonores sont largement utilisées dans divers domaines d’évaluation et de caractérisation de milieux multiphasiques. En particulier, les ultrasons trouvent leur application dans l’établissement de diagnostic divers produits, dont des fluides pollués (traitement des eaux usées) ou des produits alimentaires (caractérisation des lipides et des protéines), ou encore des sédiments en suspension (évaluation de la concentration et la distribution des tailles de particules). Ce travail de recherche a pour but d'établir une relation entre les signaux ultrasonores et la concentration des particules, selon la nature, de la forme et de la distribution des particules. Dans cet objectif, un dispositif expérimental a été développé et mis en œuvre, et des modèles numériques de diffusion multiple ont été traités et validés. Des mesures ultrasonores ont été réalisées pour caractériser des suspensions en écoulement dynamique, avec une instrumentation spécifique conçue pour mesurer des propriétés ultrasonores effectives telles que l'atténuation et la vitesse. Les signaux ont été acquis et moyennés en régime stationnaire via le langage Python ; le post-traitement des signaux a été réalisée dans le domaine spectral via la FFT sur les échos d’intérêt ; les propriétés ultrasonores utiles ont été déduites en fonction de la fréquence via l'atténuation et la vitesse. Des expériences ont été menées sur des particules de différentes natures : billes de verre, particules de Rilsan et particules de limon. Les conditions de mesure ont été variées : concentration, salinité, température et débit. Les résultats obtenus font état de tendances reproductibles :
• L'atténuation et la vitesse ultrasonores varient avec la concentration, respectivement de manière quadratique et linéaire.
• La salinité a un effet minimal sur l'atténuation, mais impacte significativement la vitesse.
• La température n'a aucun effet sur l'atténuation et un impact limité sur la vitesse.
• Le débit n'affecte pas directement les propriétés ultrasonores, mais il aide à comprendre les processus hydrodynamiques dans les transports sédimentaires ou les flux sous-marins.
• Les particules de géométrie non-lisse de type sédiment, limitent les variations d'atténuation et de vitesse par rapport aux géométries lisses, i.e. billes de verre ou particules de Rilsan.
• Le dispositif expérimental développé a donné des résultats fiables, permettant l'investigation de plusieurs paramètres d’influence simultanément.
De plus, les résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats numériques basés sur les travaux de McClements, utilisant des modèles de diffusion multiple de Lloyd et Berry, Waterman et Truell et Ma et al. Les écarts entre les résultats expérimentaux et numériques ont motivé une étude hydrodynamique avancée via modélisation par éléments finis réalisée avec Comsol 2D.
Abstract
Ultrasonic methods are widely used in various fields for the evaluation and characterization of multiphase media. Ultrasound is applied in the diagnosis of various products, including polluted fluids (wastewater treatment), food products (characterization of lipids and proteins), and suspended sediments (evaluation of concentration and particle size distribution).
This research aims to establish a relationship between ultrasonic signals and particle concentration, based on the nature, shape, and distribution of the particles.
To this end, an experimental setup was developed and implemented, and numerical models of multiple scattering were processed and validated. Ultrasonic measurements were carried out to characterize suspensions under dynamic flow, using specific instrumentation designed to measure effective ultrasonic properties such as attenuation and velocity.
The signals were acquired and averaged under steady-state conditions using Python; signal post-processing was carried out in the spectral domain using FFT on the relevant echoes; the useful ultrasonic properties were deduced as a function of frequency via attenuation and velocity.
Experiments were conducted on particles of various types: glass beads, Rilsan particles, and silt particles. The measurement conditions were varied: concentration, salinity, temperature, and flow rate.
The results revealed reproducible trends:
• Attenuation and ultrasonic velocity vary with concentration, in a quadratic and linear manner, respectively.
• Salinity has a minimal effect on attenuation but significantly impacts velocity.
• Temperature has no effect on attenuation and a limited effect on velocity.
• Flow rate does not directly affect ultrasonic properties but contributes to understanding hydrodynamic processes in sediment transport or submarine flows.
• Particles with non-smooth geometries, such as sediments, limit the variations in attenuation and velocity compared to smooth geometries, i.e., glass beads or Rilsan particles.
• The developed experimental setup yielded reliable results, enabling the investigation of multiple influencing parameters simultaneously.
Moreover, the experimental results were compared with numerical results based on McClements' work, using multiple scattering models by Lloyd and Berry, Waterman and Truell, and Ma et al. The discrepancies between experimental and numerical results prompted an advanced hydrodynamic study, conducted via finite element modeling using Comsol 2D.
Caractérisatiοn in situ de zéοlithes par cοuplage LΙBS - spectrοscοpie infrarοuge : vers la quantificatiοn de l'hydrοgène
Doctorant·e
TEMBONSO Talla Sorelle
Direction de thèse
BULTEL ARNAUD (Directeur·trice de thèse)
MAUGE francoise (Co-directeur·trice de thèse)
MOREL Vincent (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
03/06/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
Salle de conférence du laboratoire CORIA
Rapporteurs de la thèse
BOUSQUET BRUNO Universite de Bordeaux
DUJARDIN CHRISTOPHE Universite de Lille
Membres du jurys
BOUSQUET BRUNO,
,
Universite de Bordeaux
BULTEL ARNAUD,
,
URN - Université de Rouen Normandie
DUJARDIN CHRISTOPHE,
,
Universite de Lille
MAUGE francoise,
,
UCN - Université de Caen Normandie
MOREL Vincent,
,
URN - Université de Rouen Normandie
RIVALLAN MICKAEL,
,
ROND CATHY,
,
THOMANN ANNE-LISE,
,
Université d'Orléans
Résumé
Le stockage de l'hydrogène est un enjeu majeur pour la transition énergétique. Une des voies possibles pour réaliser de manière efficace un tel stockage consiste à exploiter les propriétés des zéolithes. Les capacités de stockage doivent pouvoir être vérifiées en utilisant des techniques validées. Dans cette thèse, nous avons testé la cohérence des résultats sur cette capacité de stockage obtenues par spectroscopie infrarouge (IR) et par LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy). Plutôt que tester directement le stockage de H2 qui présente des difficultés expérimentales importantes, nous avons plutôt choisi de stocker l'hydrogène dans les zéolithes en adsorbant les molécules hydrogénées telles que la pyridine (C5H5N), l'ammoniac (NH3) et l'eau (H2O). La LIBS est une technique de caractérisation peu destructive basée sur les propriétés d'un plasma thermique produit par impulsion laser. La spectroscopie IR est une technique très utilisée pour la caractérisation des sites surfaciques des zéolithes. Expérimentalement, nous avons développé une plateforme LIBS-IR permettant de coupler la LIBS à la spectroscopie IR in situ. Avec la spectroscopie IR, nous avons quantifié les groupements OH zéolithique, les sites de Lewis et de Bronsted des zéolithes MFI (Mobil-FIve) et FAU (FAUjacites). Avec la LIBS picoseconde, nous avons mesuré le rapport Si/Al de la zéolithe FAU non activée. Avec la LIBS nanoseconde, nous avons mesuré les rapports Si/Al de la zéolithe FAU non activée, activée et/ou chargée en pyridine, ammoniac ou eau. Compte tenu des incertitudes, les rapports Si/Al obtenus sont cohérents avec les résultats donnés par la RMN et le fabriquant (UOP). Avec la LIBS et la spectroscopie IR, nous avons mesuré les rapports H/Al et les concentrations de H totales dans la zéolithe FAU activée et/ou chargée en molécules hydrogénées. Compte tenu des incertitudes, les rapports de H/Al et les concentrations de H déterminées par spectroscopie IR et par LIBS sont proches pour la zéolithe FAU activée et la zéolithe FAU activée et chargée en pyridine. Pour la zéolithe FAU chargée en ammoniac, il apparait qu'on ne quantifie probablement pas toutes les formes d'ammoniac avec la spectroscopie IR. Pour la zéolithe FAU chargée en eau, il apparaît que le plasma formé par LIBS désorbe l'eau de la pastille et cette eau est vraisemblablement adsorbée par les parois de la cellule.
Abstract
Hydrogen storage is a major issue for the energy transition. One of the possible ways to achieve such storage efficiently is to exploit the properties of zeolites. Storage capacities must be verifiable using validated techniques. In this thesis, we tested the consistency of the results on this storage capacity obtained by infrared spectroscopy (IR) and by LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy). Rather than directly testing H2 storage, which presents significant experimental difficulties, we have instead chosen to store hydrogen in zeolites by adsorbing hydrogenated molecules such as pyridine (C5H5N), ammonia (NH3) and water (H2O). LIBS is a low-destructive characterization technique based on the properties of a thermal plasma produced by laser pulse. IR spectroscopy is a widely used technique for the characterization of surface sites in zeolites. Experimentally, we have developed a LIBS-IR platform for coupling the LIBS and IR spectroscopy in situ. Using IR spectroscopy, we quantified the Lewis and Bronsted sites of the zeolites MFI (Mobil-FIve) and FAU (FAUjascites). With the picosecond LIBS, we measured the Si/Al ratio of unactivated FAU zeolite. With the nanosecond LIBS, we measured the Si/Al ratios of the unactivated, activated and/or pyridine, ammonia or water zeolite FAU. Taking into account the uncertainties, the results obtained are consistent with the results given by the NMR and the manufacturer (UOP). With LIBS and IR spectroscopy, we measured the H/Al ratios and total H concentrations in FAU zeolite activated and/or charged in hydrogenated molecules. Taking into account uncertainties, the H/Al ratios and H concentrations determined by IR spectroscopy and LIBS are close for activated FAU zeolite and pyridine-charged activated FAU zeolite. For the FAU zeolite charged with ammonia, it seems that not all forms of ammonia are quantified by IR spectroscopy. For the water-charged FAU zeolite, it seems that the plasma formed by LIBS desorbs the water of the pellet that may be adsorbed by the walls of the cell.
Dynamique de défοrmatiοn d'un réservοir de liquide servant à la stabilisatiοn d'une structure flοttante en mοuvement cοmplexe
Doctorant·e
GHOUINI Fatiha
Direction de thèse
GUILLOU Sylvain (Directeur·trice de thèse)
SEGHIR ABDELGHANI (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
02/06/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
Université de Bejaia, Algérie
Rapporteurs de la thèse
LACAZEDIEU ELISABETH Université polytechnique Hauts de France
LIBERGE ERWAN UNIVERSITE LA ROCHELLE
Membres du jurys
AMARA LYES,
,
Université de Jijel
BENAOUICHA MUSTAPHA,
,
SEGULA Engineering France
GUILLOU Sylvain,
,
UCN - Université de Caen Normandie
LACAZEDIEU ELISABETH,
,
Université polytechnique Hauts de France
LIBERGE ERWAN,
,
UNIVERSITE LA ROCHELLE
SADAOUI DJAMEL,
,
Université de Bejaia - Algérie
SEGHIR ABDELGHANI,
,
Université de Bejaia - Algérie
TOUATI MOKHTAR,
,
Université Houari Boumediene
Résumé
Le ballottement est un phénomène qui apparaît à l’intérieur des réservoirs partiellement remplis, il désigne le mouvement oscillatoire de la surface libre du liquide. Lorsque ces réservoirs sont portés par des systèmes flottants, servant à leurs stabilisations, le ballottement devient de plus en plus complexe. L’objectif de cette thèse est de modéliser la dynamique de ballottement des liquides dans des réservoirs flottants à parois déformables en IFS, sous une excitation de tangage ou de roulis. Un dispositif expérimental a été mis en œuvre afin de constituer une base de données expérimentales. Ce dispositif a pour objet d'étudier et d'analyser le ballottement sous l’effet de mouvement de tangage. Les résultats obtenus ont été exploités pour valider un modèle numérique. Celui-ci est mis en place en prenant en compte les effets de l’IFS. Un couplage partitionné est utilisé et l’évolution de la surface libre est traité par la méthode VOF. Ce modèle est validé dans le cas d’une excitation harmonique horizontale, et dans le cas d’une excitation de tangage. Le modèle est ensuite appliqué à l’étude de ballottement dans un réservoir déformable partiellement rempli, soumis aux effets gravitationnels et aux effets d'accélération des mouvements de tangage et de pilonnement.
Abstract
The sloshing is a phenomenon appears inside partially filled tanks, it refers to the oscillatory movement of the free surface of the liquid. When these tanks are carried by floating systems, used for their stabilization, the sloshing becomes more complex. The objective of this thesis is to model the dynamics of liquid sloshing in floating tanks with a deformable wall into IFS, under pitch and heave motion. An experimental scheme has been implemented to build up an experimental database. The device is designed to study and analyze the sloshing under the effets of pitch motion. The obtained results were exploited to validate a numerical model developed. The numerical model is implemented taking into account the FSI effects. A partitioned coupling is used and the evolution of the free surface is treated by the VOF method. This model is validated in the case of the horizontal harmonic excitation, and in the case of a pitch excitation. The model is then applied to studying sloshing in a partially filled deformable tank, once subjected to garvitational effects and another subject to pitch and heave motions.
Etude de Μοyens Ιnnοvants d'Améliοratiοn des Ρerfοrmances Energétiques dans le Bâtiment : Expérimentatiοn et Μοdélisatiοn
Doctorant·e
TAOUIRTE Yousra
Direction de thèse
LOUAHLIA Hasna (Directeur·trice de thèse)
EL ALAMI MUSTAPHA (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
27/05/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
Faculté des Sciences Ain Chock, Université Hassan II de Casablanca
BENHAMOU BRAHIM,
,
Université CADI AYYAD
CHOUKAIRY KHADIJA,
,
Université Sultan Moulay Slimane
EL ALAMI MUSTAPHA,
,
Université Hassan II de Casablanca
GOUNNI AYOUB,
,
Université Hassan II de Casablanca
GUALOUS Hamid,
,
UCN - Université de Caen Normandie
KRIRAA MOUNIR,
,
Université CADI AYYAD
LOUAHLIA Hasna,
,
UCN - Université de Caen Normandie
SAADANI RACHID,
,
Université Moulay Ismail
Résumé
La transition vers une construction durable et écoénergétique est un enjeu clé dans la lutte contre le changement climatique et la réduction de l’empreinte carbone du secteur du bâtiment. Pour répondre à ces défis, l’utilisation de matériaux biosourcés représente une alternative prometteuse en raison de leur faible impact environnemental et de leurs propriétés naturelles de régulation thermique et hygrométrique. Cependant, ces matériaux présentent encore des limites en matière de performance énergétique et de stabilité hygrothermique, nécessitant une optimisation pour leur intégration à grande échelle dans les constructions modernes. L’une des approches les plus innovantes dans ce domaine consiste à coupler ces matériaux avec des matériaux à changement de phase (MCP), capables d’améliorer leur inertie thermique et de stabiliser les variations d’humidité.
Dans cette étude, deux types de matériaux biosourcés ont été sélectionnés et analysés : la terre allégée, utilisée comme isolant, et la bauge ; un matériau porteur. Une caractérisation expérimentale a été menée pour évaluer leurs propriétés thermiques et hygrométriques, révélant des différences notables entre ces deux matériaux. Alors que la terre allégée se distingue par sa faible conductivité thermique, assurant une bonne isolation thermique, la bauge possède une capacité de régulation hygrométrique permettant une meilleure gestion de l’humidité.
L’étude des transferts couplés de chaleur et d’humidité a mis en évidence l’importance des flux thermiques et hygriques dans la performance énergétique des parois. Un modèle numérique a été développé pour simuler ces transferts dans différentes configurations de murs et valider les observations expérimentales. Les simulations ont montré que l’isolation intérieure entraîne une perte d’énergie plus importante que l’isolation extérieure, bien qu’elle permette un meilleur stockage hygrométrique, contribuant ainsi à la stabilité de l’humidité intérieure et à la réduction des risques de condensation. L’ajout de MCP dans la bauge a permis de modifier ses propriétés thermiques et hygrométriques. Les MCP ont contribué à réduire la conductivité thermique et à augmenter la capacité de stockage de chaleur, améliorant ainsi l’inertie thermique des parois. En parallèle, ils jouent un rôle clé dans l’absorption et la restitution de l’humidité, ce qui limite les fluctuations hygrométriques et améliore le confort intérieur.
L’évaluation des performances des murs intégrant des MCP a révélé que leur composition et disposition influencent directement leur efficacité énergétique. Trois configurations de murs ont été étudiées. La première configuration, composée uniquement d’une couche structurelle et d’une isolation, présente les performances les plus limitées en matière de régulation thermique et hygrométrique. La seconde configuration intègre 20 % de MCP dans la couche structurelle, permettant ainsi une amélioration significative de l’absorption et de la désorption de l’humidité. Enfin, la troisième configuration associe un panneau Energain avec MCP, une couche structurelle et une isolation, ce qui permet une réduction efficace des fluctuations thermiques et hygrométriques. Cette dernière solution s’est révélée trois fois plus performante que la première en termes de stabilisation thermique.
En combinant deux approches expérimentale et modélisation numérique, cette recherche contribue à l’amélioration des stratégies de construction biosourcée, en proposant des solutions innovantes pour renforcer l’efficacité énergétique des bâtiments tout en favorisant une construction plus durable et respectueuse de l’environnement.
Abstract
The transition to sustainable, energy-efficient construction is a key issue in the fight against climate change and the reduction of the building sector's carbon footprint. To meet these challenges, the use of bio-sourced materials represents a promising alternative, thanks to their low environmental impact and natural thermal and hygrometric regulation properties. However, these materials still have limitations in terms of energy performance and hygrothermal stability, requiring optimization for their large-scale integration into modern construction. One of the most innovative approaches in this field involves coupling these materials with phase-change materials (PCMs), capable of improving their thermal inertia and stabilizing humidity variations.
In this study, two types of bio-sourced materials were selected and analyzed: lightened earth, used as insulation, and wattle and daub, a load-bearing material. Experimental characterization was carried out to assess their thermal and hygrometric properties, revealing significant differences between the two materials. While lightened earth is characterized by its low thermal conductivity, ensuring good thermal insulation, wattle and daub has a capacity for hygrometric regulation, enabling better moisture management.
The study of coupled heat and moisture transfers has highlighted the importance of heat and moisture flows in the energy performance of walls. A numerical model was developed to simulate these transfers in different wall configurations and validate experimental observations. The simulations showed that interior insulation leads to greater energy loss than exterior insulation, although it also provides better hygrometric storage, contributing to interior humidity stability and reducing the risk of condensation. The addition of PCM to the wadding modified its thermal and hygrometric properties. The PCMs helped to reduce thermal conductivity and increase heat storage capacity, thus improving the thermal inertia of the walls. At the same time, they play a key role in the absorption and restitution of humidity, limiting hygrometric fluctuations and improving interior comfort.
Performance evaluation of walls incorporating PCMs revealed that their composition and layout directly influence their energy efficiency. Three wall configurations were studied. The first configuration, consisting solely of a structural layer and insulation, offers the most limited performance in terms of thermal and hygrometric regulation. The second configuration incorporates 20% PCM in the structural layer, providing a significant improvement in moisture absorption and desorption. Finally, the third configuration combines an Energain panel with MCP, a structural layer and insulation, effectively reducing thermal and hygrometric fluctuations. This last solution proved to be three times more effective than the first in terms of thermal stabilization.
By combining two approaches, experimental and numerical modeling, this research contributes to the improvement of biosourced construction strategies, proposing innovative solutions to enhance the energy efficiency of buildings while promoting more sustainable and environmentally-friendly construction.
Μοdélisatiοn du changement de phase sοlide/liquide
Doctorant·e
RODRIGUEZ SARITA JUAN
Direction de thèse
SOUZA DE CURSI EDUARDO (Directeur·trice de thèse)
TROIAN RENATA (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
26/05/2025 à 15:00
Lieu de la soutenance
Bâtiment Magellan, 1ere étage, MA-J-R1-01
Rapporteurs de la thèse
ROBERTA DE QUEIROZ LIMA Université pontificale catholique de Rio de Janeiro, Brésil
SOTO TRINIDAD JOSE LUIS Université autonome de Saint-Domingue (UASD), République Dominicaine
Membres du jurys
BAREILLE OLIVIER,
,
INSA Rouen Normandie
GARCIA MAIMO JAVIER,
,
Institut Technologique de Saint-Domingue (INTEC), République Dominicaine
ROBERTA DE QUEIROZ LIMA,
,
Université pontificale catholique de Rio de Janeiro, Brésil
SOTO TRINIDAD JOSE LUIS,
,
Université autonome de Saint-Domingue (UASD), République Dominicaine
SOUZA DE CURSI EDUARDO,
,
INSA Rouen Normandie
TROIAN RENATA,
,
ISAE-Supméca
Résumé
Cette recherche explore la modélisation et la résolution numérique des transitions de phase solide-liquide à travers le problème de Stefan, un modèle essentiel pour comprendre les dynamiques des changements de phase. L'étude examine à la fois des approches déterministes et stochastiques pour résoudre le problème de Stefan, mettant particulièrement en avant l'efficacité des représentations de Feynman-Kac dans l'approximation des champs de température en présence d'incertitudes. Une comparaison entre les méthodes stochastiques et la méthode des éléments finis (FEM) révèle que les deux approches offrent une précision comparable, avec une flexibilité accrue des méthodes stochastiques pour gérer les variabilités des propriétés des matériaux et des conditions aux limites.
Une partie importante de ce travail est consacrée à l'optimisation des géométries et au partitionnement des domaines pour améliorer la gestion thermique dans les applications impliquant des matériaux à changement de phase (PCM). Ces matériaux, reconnus pour leur capacité de stockage de chaleur latente, sont étudiés pour leur utilisation dans le refroidissement électronique et d'autres systèmes thermiques. L'étude intègre des méthodes de couplage multi-domaines et d'optimisation de formes pour traiter les complexités de la modélisation des PCM dans des géométries irrégulières.
Les résultats démontrent le potentiel de combiner les méthodes FEM et stochastiques pour améliorer la précision des simulations et l'efficacité computationnelle dans les problèmes de changement de phase. Les applications dans la conception de systèmes thermiques basés sur des PCM, notamment pour les composants électroniques et la réfrigération, soulignent les implications pratiques de ce travail.
Abstract
This research explores the modeling and numerical resolution of solid-liquid phase transitions through the Stefan problem, a critical model in understanding phase change dynamics. The study investigates both deterministic and stochastic approaches to solve the Stefan problem, particularly highlighting the effectiveness of Feynman-Kac representations in approximating temperature fields under uncertainties. A comparison between stochastic methods and the Finite Element Method (FEM) reveals that both approaches yield comparable accuracy, with stochastic methods offering additional flexibility in managing variability in material properties and boundary conditions.
A significant portion of this work is devoted to optimizing the geometry and partitioning of domains to enhance thermal management in applications involving Phase Change Materials (PCMs). These materials, known for their latent heat storage capabilities, are investigated for use in electronic cooling and other thermal systems. The study incorporates multi-domain coupling methods and shape optimization to address the complexities of modeling PCMs in irregular geometries.
The results demonstrate the potential of combining FEM and stochastic methods to improve simulation accuracy and computational efficiency in phase change problems. Applications in the design of PCM-based thermal systems, particularly for electronic components and refrigeration, highlight the practical implications of this work.
Simulatiοn de la gazéificatiοn de la biοmasse pοur la prοductiοn d’hydrοgène οu d’électricité sοus Aspen plus et analyse énergétique et exergétique du prοcédé
Doctorant·e
LOWESKI FELIZ MINDA
Direction de thèse
TAOUK BECHARA (Directeur·trice de thèse)
ABDELOUAHED LOKMANE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
22/05/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
INSA ROUEN
Rapporteurs de la thèse
FERRASSE JEAN-HENRY Aix-Marseille Université
LETURIA MIKEL UTC
L'augmentation continue de la consommation de combustibles fossiles et son impact environnemental négatif ont conduit à un renforcement significatif des efforts de recherche et du développement dans le domaine des énergies renouvelables. La biomasse émerge comme une alternative renouvelable pour répondre à ce problème. La gazéification de la biomasse est un procédé thermochimique avec un potentiel pour la production d'électricité et d'hydrogène.
Cette thèse examine en détail comment la gazéification de la biomasse peut être intégrée dans un système de production d'électricité par cycle combiné, en utilisant le logiciel Aspen Plus. On a aussi développé une méthode pour produire plus d'hydrogène en utilisant des réactions chimiques spécifiques, comme le craquage des goudrons, le reformage du méthane à la vapeur et la réaction de conversion du gaz à l'eau (WGS). L'étude est basée sur des résultats expérimentaux et prend en compte la formation et la réduction des goudrons, qui sont des sous-produits de la gazéification.
Les résultats montrent que la gazéification avec la vapeur d'eau comme agent de gazéification produit le plus d'hydrogène par comparaison avec CO2. Après optimisation, la production d'hydrogène a augmenté de 1,9 à 35 g de H2/kg de biomasse pour l'expérience avec du sable et du CO₂. Avec du biochar et du CO₂, la production est passée de 2,3 à 31 g de H2 /kg de biomasse. La combinaison de biochar et de vapeur d'eau a donné les meilleurs résultats, avec une augmentation de 8 à 58,8 g de H2 / kg de biomasse.
Parmi les différentes configurations étudiées, la gazéification avec de la vapeur d'eau et la pyrolyse à haute température ont produit le plus d'électricité, environ 2,45MW. La gazéification avec du sable et du CO₂ a produit environ 1,90 MW, et la combinaison de sable et de biochar environ 1,5 MW.
Abstract
The continuous rise in fossil fuel consumption and its associated environmental impacts have spurred significant research and development efforts toward renewable energy sources. Among these, biomass has emerged as a promising renewable alternative to help mitigate these challenges. Biomass gasification, a thermochemical conversion process, holds strong potential for the production of electricity and hydrogen.
This thesis presents a thermodynamic analysis of biomass gasification integrated into a combined cycle, modeled using Aspen Plus software. An optimization strategy for hydrogen production is also developed, incorporating key catalytic processes such as tar catalytic cracking, steam methane reforming, and the water-gas shift reaction. The modeling approach is grounded in experimental data and takes into account both the formation and reduction of tar compounds.
The results obtained in this study show that steam gasification produces the highest hydrogen yield than CO2 gasification. Key processes, such as tar catalytic cracking, steam methane reforming, and the water-gas shift reaction, were utilized to enhance hydrogen production. After optimization, the hydrogen production for the sand-CO₂ experiment increased from 1,9 to 35 g H₂/kg of biomass. With biochar and CO₂, production rose from 2,3 to 31 g H₂/kg, while the biochar and water vapor combination produced the highest yield, with an increase from 8 to 58,8 g H₂/kg of biomass.
Among the various configurations studied, water vapor gasification and high-temperature pyrolysis stand out for producing the highest net electricity, reaching approximately 2,45 MW. In comparison, sand-CO₂ gasification generates around 1,90 MW, while the sand-biochar combination achieves about 1,5 MW.
Study οf the degradatiοn οf ice-cemented sediment prοduced by landslides intο mοlards
Doctorant·e
BECK Calvin
Direction de thèse
ERTLEN-FONT Marianne (Directeur·trice de thèse)
CONWAY SUSAN (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
16/05/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
Université de Caen, Campus 1
Rapporteurs de la thèse
BERTRAN PASCAL Universite de Bordeaux
LEBOURG THOMAS Université côte d'Azur
Dans cette thèse, j'ai eu pour objectif d'élargir la compréhension d’objets géomorphologiques appelés molards - des monticules coniques de débris rocheux que l'on peut trouver dans les dépôts suite à un glissement de terrain en environnement périglaciaire. Si la glace présente dans les versants montagneux se dégrade en raison des tendances actuelles du changement climatique, le déclenchement de ruptures de versant risque d'être plus fréquents. Les molards proviendraient de morceaux de pergélisol cimentés par la glace et transportés par le glissement de terrain, qui se dégradent en monticules coniques au cours du temps. Ils sont susceptibles d’indiquer la présence d'une zone de pergélisol discontinu au niveau de la zone de rupture. Pour mieux comprendre les processus physiques qui conduisent à la formation des molards et la manière dont ces processus déterminent la forme finale des molards, j'ai étudié la dégradation de blocs débris rocheux cimentés par de la glace dans des conditions de laboratoire contrôlées. Pour étudier la répartition des molards dans les dépôts de glissement de terrain, leurs paramètres de forme individuels et leur composition lithologique, j'ai étudié in-situ sept glissements de terrain présentant des molards. J'ai constaté que les surfaces de rupture du bloc initial, la composition du matériau et le lieu de sa dégradation déterminent la forme et la taille des molards qui en résultent. Le processus de dégradation dominant du bloc initial cimenté par la glace dépend de la complexité du bloc gelé en cours de dégradation, en particulier de la teneur en matériau fin et de la teneur en glace, qui déterminent ensuite la morphologie finale. En dégradant des blocs initiaux de sédiments cimentés par la glace de CO2 et de H2O sous pression martienne, je constate que les molards peuvent également se former par des processus de sublimation, ce qui corrobore les rapports faisant état de candidats molards sur d'autres corps planétaires.
Abstract
In this thesis, I aim to broaden the understanding of geomorphological features known as permafrost molards - conical mounds of loose debris that can be found in landslide deposits in periglacial environments. If ground ice degrades in mountain slopes due to current climate change trends this can result in more frequent slope failures. Since molards are proposed to originate from ice-cemented blocks of debris being transported within the landslide material and degrade into conical mounds over time, they indicate the presence of an area of discontinuous permafrost at the level of the detachment zone. To better understand the physical processes leading to the formation of molards and how these processes determine the final molard shape, I studied the degradation of ice-cemented blocks under controlled laboratory conditions. To investigate the molards’ distribution within the landslide deposits, their individual shape parameters and their material composition, I studied seven molard landslides. I found that the initial block’s fracture surfaces, material composition, and the location of its degradation determine the resulting molards’ shape and size. The dominant degradation process of the initial ice-cemented block depends on the complexity of the degrading material, especially the content of the fine material and ice content which then determines the final morphology. By degrading initial CO2 and H2O ice-cemented blocks of sediment under martian pressure, I find that molards can also form by sublimation processes, therefore supporting the reports of molard candidates on other planetary bodies.
Ιmpact du magnétisme sur les prοpriétés thermοélectriques des thiοspinelles
Doctorant·e
EL HABER Serge
Direction de thèse
HEBERT Sylvie (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
07/04/2025 à 14:30
Lieu de la soutenance
CRISMAT - salle de réunion Batiment G
Rapporteurs de la thèse
BEAUDHUIN MICKAËL Université de Montpellier
KABBOUR HOURIA Nantes Université
Membres du jurys
AMMAR SOUAD,
,
Université Paris Cité
BEAUDHUIN MICKAËL,
,
Université de Montpellier
HEBERT Sylvie,
,
ENSICAEN
JURASZEK JEAN,
,
URN - Université de Rouen Normandie
KABBOUR HOURIA,
,
Nantes Université
Résumé
L’étude réalisée s’est concentrée sur l’analyse des couplages entre la magnétorésistance (MR) et le magnétoSeebeck (MTEP) dans trois composés à base de chalcogénures : FeCr2S4, CuCr2S4 et Fe0.52In2.32S4. Ces matériaux ont été sélectionnés en raison de leurs propriétés magnétiques et de transport intéressantes, particulièrement en présence d'un champ magnétique. Le composé FeCr2S4, ferrimagnétique avec une transition magnétique à 176 K, présente une magnétorésistance négative significative (MR ≈ -20 % à TN). À cette MR s’ajoute un MTEP positif notable, qui n’est pas directement associé à une perte d’entropie sous champ magnétique, mais plutôt à des effets de modification de la structure de bande. En appliquant la formule de Mott, une relation claire entre la MR et le MTEP a été établie, similaire à celle observée dans des systèmes métalliques comme les multicouches ou nanofils métalliques. Une particularité importante a été l’augmentation du facteur de puissance (PF) sous champ magnétique, avec une amélioration de plus de 80 % autour de la température de transition magnétique. Quant au composé CuCr2S4, ferromagnétique, il présente une transition à environ 375 K, mais aucune modification significative de la résistivité ou du coefficient Seebeck n’a été observée à la température de Curie. La magnétorésistance est faible, et les propriétés de transport suivent un comportement métallique classique. Cependant, un MTEP négatif a été enregistré en dessous de 100 K, avec une valeur de -25 à -30 %, qui pourrait être lié à une transition vers un état magnétique non colinéaire rapport récemment dans la littérature. Ce résultat préliminaire suggère que des effets entropiques spécifiques pourraient être associés à ce MTEP négatif. Enfin, Fe0.52In2.32S4 présente un comportement de type "verre de spin", avec une transition à basse température (Tf ≈ 4.5 K). Ce matériau semi-conducteur montre une résistivité maximale à 5 K, qui chute rapidement à température ambiante. Le coefficient Seebeck présente une saturation à environ 200 K, puis diminue avec l'augmentation du taux de porteurs. À des températures plus basses, il suit un comportement de type ‘Variable Range Hopping’. Une magnétorésistance positive significative (+67 % sous 9 T à 5 K) est observée en dessous de 50 K, accompagnée d’un MTEP élevé et positif. Comme pour FeCr2S4, une relation étroite entre la MR et le MTEP a été identifiée, validant le modèle de Mott. Les résultats obtenus pour ces trois matériaux mettent en évidence des couplages intéressants entre MR et MTEP dans ces thiospinelles.
Abstract
The study focused on the analysis of the couplings between magnetoresistance (MR) and magneto-Seebeck thermopower (MTEP) in three chalcogenide-based compounds: FeCr2S4, CuCr2S4 and Fe0.52In2.32S4. These materials were selected for their interesting magnetic and transport properties, particularly in the presence of a magnetic field. The FeCr2S4 compound, ferrimagnetic with a magnetic transition at 176 K, exhibits a significant negative magnetoresistance (MR ≈ -20% at TN). On top of this MR, a notable and positive MTEP, which is not directly associated with entropy loss under magnetic field, but rather with band structure modification effects has been observed. By applying Mott's formula, a clear relationship between MR and MTEP was established, similar to the one observed in metallic systems such as metallic multilayers or nanowires. An important feature was the increase in power factor (PF) under magnetic field conditions, with an improvement of over 80% around the magnetic transition temperature. As for the ferromagnetic CuCr2S4 compound, it shows a transition at around 375 K, but no significant change in resistivity or Seebeck coefficient was observed at the Curie temperature. Magnetoresistance is low, and transport properties follow classic metallic behavior. However, a negative MTEP was recorded below 100 K, with a value of -25 to -30%, which could be linked to a transition to a non-collinear magnetic state, recently reported in the literature. This preliminary result suggests that specific entropic effects could be at the origin of the negative MTEP. Finally, Fe0.52In2.32S4 exhibits a spin-glass-like behavior, with a low-temperature transition (Tf ≈ 4.5 K). This semiconductor material shows a maximum resistivity at 5 K, which drops rapidly at room temperature. The Seebeck coefficient shows saturation at around 200 K, and then decreases with increasing carrier ratio. At lower temperatures, it follows a typical Variable Range Hopping behavior. A significant positive magnetoresistance (+67% under 9 T at 5 K) is observed below 50 K, accompanied by a large and positive MTEP. As with FeCr2S4, a close relationship between MR and MTEP was identified, validating Mott's model. The results obtained for these three materials highlight interesting couplings between MR and MTEP in these thiospinels.
Simulatiοn numérique de la cοmbustiοn diphasique dans les écοulements supersοniques
Doctorant·e
KISSEL FLORIAN
Direction de thèse
RIBERT GUILLAUME (Directeur·trice de thèse)
DOMINGO PASCALE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
04/04/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
CNRS UMR 6614 – CORIA Université de Rouen Site Universitaire du Madrillet 675, avenue de l'Université BP 12 76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY CEDEX
Rapporteurs de la thèse
FIGUEIRA DA SILVA LUIS FERNANDO Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique ISAE-ENSMA
VEYNANTE DENIS CentraleSupélec
Membres du jurys
BOIVIN PIERRE,
,
Aix Marseille Université
DOMINGO PASCALE,
,
INSA Rouen Normandie
FIGUEIRA DA SILVA LUIS FERNANDO,
,
Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique ISAE-ENSMA
GRISCH FREDERIC,
,
INSA Rouen Normandie
LEROY ADRIEN,
,
DGA Maîtrise de l’Information, Bruz
RIBERT GUILLAUME,
,
INSA Rouen Normandie
VEYNANTE DENIS,
,
CentraleSupélec
Résumé
Les technologies de vol supersonique et hypersonique sont stratégiques pour la prochaine génération de transport atmosphérique (avions suborbitaux) et des applications de défense, notamment grâce aux superstatoréacteurs ou scramjets. Ces derniers nécessitent une compréhension approfondie de leur fonctionnement, et les outils numériques, tels que les simulations d’écoulements compressibles et réactifs, sont devenus suffisamment matures pour relever ces défis. Dans ce cadre, le code SiTCom-B a été utilisé pour simuler deux configurations de flamme diphasique supersonique alimentées en kérosène à l’aide de simulations aux grandes échelles (SGE). Une approche Eulérienne Lagrangienne a permis de coupler la phase gazeuse et la phase liquide dispersée. Ce travail de thèse commence par une revue des mécanismes cinétiques appliqués au kérosène, modélisé par du N-décane. Un nouveau mécanisme cinétique squelettique a été développé pour mieux prédire le temps d’allumage, clé de la stabilisation des flammes. Par ailleurs, le solveur lagrangien a été amélioré pour modéliser le comportement des petites gouttes dans des écoulements chauds et compressibles, en intégrant des corrélations pour la traînée et un modèle d’évaporation. Une méthode semi-implicite a également été mise au point pour réduire les temps de calcul liés aux mécanismes cinétiques. La première configuration étudiée, en 3D, s’inspire du brûleur supersonique de Cheng, avec substitution de l’hydrogène par du kérosène, injecté sous forme gazeuse ou liquide. L’injection du kérosène est entourée par un écoulement co-courant supersonique d’air vicié, assurant la stabilisation de la flamme. À une richesse globale de 0.5, trois mécanismes cinétiques ont été utilisés : deux issus de la littérature et un développé dans cette thèse. L’étude a analysé l’impact du temps d’auto-allumage, de la taille des gouttes, et des régimes de combustion sur la stabilisation de la flamme. Les résultats montrent que, quelle que soit la phase du kérosène, la structure de la flamme est majoritairement dominée par un régime de diffusion, bien qu’un régime prémélangé riche ait également été observé localement. La seconde configuration concerne une cavité dans un superstatoréacteur (L/D = 5.625). Les simulations montrent que la cavité favorise l’évaporation et le mélange du kérosène grâce à la recirculation. L’hydrogène injecté en amont est crucial pour l’allumage, grâce à sa faible température d’inflammation. Les comparaisons avec les données expérimentales montrent une bonne concordance dans la cavité et en amont, bien que des écarts subsistent en aval, soulignant le besoin d’améliorer la modélisation de la couche limite.
Abstract
Supersonic and hypersonic flight technologies are strategic for the next generation of atmospheric transport (suborbital aircraft) and defense applications, particularly through the use of scramjets or supersonic combustion engines. These engines require a deep understanding of their operation, and numerical tools, such as simulations of compressible and reactive flows, have become sufficiently advanced to tackle these challenges. In this context, the SiTCom-B code was used to simulate two configurations of supersonic two phase flames fueled by kerosene using Large Eddy Simulations (LES). An Eulerian-Lagrangian approach was employed to couple the gas phase with the dispersed liquid phase. This PhD work begins with a review of kinetic mechanisms applied to kerosene, modeled as n-decane. A new skeletal kinetic mechanism was developed to better predict the ignition delay time, a key factor in flame stabilization. Additionally, the Lagrangian solver was enhanced to model the behavior of small droplets in hot and compressible flows by incorporating correlations for droplet drag and an evaporation model. A semi-implicit method was also developed to reduce computation times associated with kinetic mechanisms. The first configuration studied, in 3D, is inspired by Cheng’s supersonic burner, with hydrogen replaced by kerosene, injected in either gaseous or liquid form. The sonic injection of kerosene is surrounded by a supersonic co-flow of vitiated air, ensuring flame stabilization. At a global equivalence ratio of 0.5, three kinetic mechanisms were used : two from the literature and one developed in this thesis. The study analyzed the impact of ignition delay time, droplet size, and combustion regimes on flame stabilization. The results show that, regardless of the kerosene phase, the flame structure is predominantly governed by a diffusion regime, although a locally rich premixed regime was also observed. The second configuration focuses on a cavity in a scramjet engine (L/D = 5.625). Simulations show that the cavity enhances kerosene evaporation and mixing through recirculation. Hydrogen injected upstream is crucial for ignition due to its low ignition temperature. Comparisons with experimental data show good agreement within the cavity and upstream, although discrepancies remain downstream, highlighting the need for improved boundary layer modeling.
Dévelοppement d'un pοtentiel mοdèle ab initiο par la méthοde de perturbatiοn Van Vleck pοur l'étude spectrοscοpique de mοlécule Ak-Rg
Doctorant·e
HOCHARD Erwan
Direction de thèse
GERVAIS BENOIT (Directeur·trice de thèse)
DOUADY Julie (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
03/04/2025 à 15:00
Lieu de la soutenance
Université de Caen - Salle des thèses
Rapporteurs de la thèse
DULIEU OLIVIER Université Paris Saclay
JEANMAIRET GUILLAUME Sorbonne Université
Membres du jurys
DOUADY Julie,
,
UCN - Université de Caen Normandie
DULIEU OLIVIER,
,
Université Paris Saclay
GERVAIS BENOIT,
,
UCN - Université de Caen Normandie
JEANMAIRET GUILLAUME,
,
Sorbonne Université
LABEYE MARIE,
,
ENS-PSL
VIEL ALEXANDRA,
,
UNIVERSITE RENNES 1
Résumé
Dans cette thèse, nous développons un modèle potentiel ab initio basé sur la méthode de perturbation de Van Vleck pour l’étude spectroscopique des molécules de type alcalin-gaz rare (Ak-Rg). En combinant la théorie des perturbations avec des méthodes avancées de modélisation, nous construisons des potentiels d’interaction précis permettant d’analyser la structure électronique et les propriétés spectroscopiques des complexes moléculaires étudiés. Une attention particulière est portée à la corrélation cœur-valence et aux effets relativistes, essentiels pour une description rigoureuse des interactions interatomiques impliquant des atomes lourds. Nous explorons l’applicabilité du modèle dans le contexte de la spectroscopie des états excités, en mettant en avant les niveaux vibrationnels et les transitions électroniques des molécules Ak-Rg. Les résultats obtenus sont comparés aux données expérimentales et aux calculs ab initio existants, soulignant la pertinence et la précision de la méthode développée. Cette approche ouvre de nouvelles perspectives pour la modélisation des interactions complexes dans les systèmes moléculaires impliquant des alcalins et des gaz rares.
Abstract
In this thesis, we develop an ab initio potential model based on Van Vleck perturbation theory for the spectroscopic study of alkali–rare gas (Ak-Rg) molecules. By combining perturbation theory with advanced modeling methods, we construct accurate interaction potentials to analyze the electronic structure and spectroscopic properties of the studied molecular complexes. Special attention is given to core-valence correlation and relativistic effects, which are crucial for a rigorous description of interatomic interactions involving heavy atoms. We explore the applicability of the model in the context of excited-state spectroscopy, emphasizing the vibrational levels and electronic transitions of Ak-Rg molecules. The obtained results are compared with experimental data and existing ab initio calculations, highlighting the relevance and accuracy of the developed method. This approach opens new perspectives for modeling complex interactions in molecular systems involving alkali and rare gas elements.
Etude de la dynamique et des cοnséquences d'une fuite massive d'air cοmprimé depuis un réservοir de stοckage immergé
Doctorant·e
DEBERNE CAMILLE
Direction de thèse
BLAISOT JEAN-BERNARD (Directeur·trice de thèse)
BRANDLE DE MOTTA JORGE CESAR (Co-encadrant·e de thèse)
RENOULT MARIE-CHARLOTTE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
18/03/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
CORIA, Avenue de l'Université, 76801 Saint-Étienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse
FOX RODNEY O. Université d'État de l'Iowa, Etats-Unis
OBLIGADO MARTIN École Centrale de Lille
Membres du jurys
BLAISOT JEAN-BERNARD,
,
URN - Université de Rouen Normandie
BRANDLE DE MOTTA JORGE CESAR,
,
URN - Université de Rouen Normandie
CHARTON SOPHIE,
,
CEA Marcoule
FOX RODNEY O.,
,
Université d'État de l'Iowa, Etats-Unis
JOSSERAND CHRISTOPHE,
,
École Polytechnique, Palaiseau
NEU THIBAULT,
,
SEGULA Engineering
OBLIGADO MARTIN,
,
École Centrale de Lille
RENOULT MARIE-CHARLOTTE,
,
INSA Rouen Normandie
Résumé
L'essor des nouvelles technologies de stockage d'énergie immergées, telles que les systèmes de stockage d'énergie par air comprimé sous-marin (UWCAES), nécessite la réalisation d'études de risques afin d'identifier les éventuels accidents liés aux contraintes mécaniques élevées du milieu marin. En particulier, la rupture de la conduite reliant la plateforme de conversion d'énergie aux réservoirs de stockage sous-marins pourrait entraîner un rejet massif d'air à une grande profondeur dans l'eau, qui remonterait rapidement à la surface sous l'effet de la poussée d'Archimède.
Dans ces travaux, une méthodologie est proposée pour décrire ce scénario d'incident et prédire ses impacts. En raison de la multiplicité des mécanismes en jeu, différentes zones d'étude sont identifiées en fonction des propriétés spécifiques de l'écoulement qui les caractérisent. Divers outils sont utilisés pour modéliser avec précision l'écoulement de l'air dans chaque zone. Une attention particulière est portée au panache de bulles afin d'en fournir une description à la fois macroscopique et microscopique.
Tout d'abord, un modèle mathématique est développé pour estimer le débit massique d'air comprimé émanant d'une fuite massive depuis un réservoir de stockage immergé, ainsi que son temps de vidange. Ensuite, la dynamique de bulles d'air montantes isolées est analysée par la simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes diphasiques, à l'aide du code interne \textit{Archer}. Par la suite, le panache de bulles est modélisé au moyen d'une approche numérique basée sur un modèle de bilan de population. Enfin, la méthodologie établie est appliquée à une étude de cas réaliste afin de mettre en évidence les principaux résultats obtenus.
Abstract
The recent development of new submerged energy storage technologies, such as UnderWater Compressed Air Energy Storage (UWCAES) systems, necessitates risk analysis studies to address potential accidents that may arise due to the significant mechanical constraints of the seawater environment. For example, a rupture in the riser connecting the energy conversion platform to the underwater storage tanks could result in a substantial release of air at a great depth into the seawater, which would rapidly ascend to the surface due to buoyancy.
In this work, a methodology is proposed to describe this incident scenario and predict its impacts. Since the governing mechanisms vary during the rise, distinct zones are identified where the airflow exhibits different characteristics. Various tools are used to accurately model the airflow in each zone, with special attention given to the bubble plume to provide both a macroscopic and microscopic description.
First, a mathematical model is developed to predict the mass flow rate of compressed air from a massive leak in a submerged storage tank, as well as its discharge time. Second, the dynamics of isolated rising air bubbles in initially quiescent water are investigated through direct numerical simulation of the two-phase Navier-Stokes equations using the in-house code \textit{Archer}. Subsequently, the entire bubble plume is modeled by means of a computational approach based on the population balance modeling framework. Lastly, the established methodology is applied to a realistic case to highlight the key findings.
La prise de conscience croissante des enjeux environnementaux au cours des dernières décennies a mis en évidence le besoin urgent d'alternatives durables aux ressources fossiles, en raison du réchauffement climatique, des émissions de gaz à effet de serre (GES) et de l'épuisement des réserves fossiles. L'industrie chimique, dépendante des matières premières pétrolières, contribue de manière significative aux émissions de GES, exacerbant les défis environnementaux et soulevant des inquiétudes concernant la sécurité des ressources. La biomasse, ressource renouvelable et carboneutre, joue un rôle clé dans la production de biocarburants pour le transport, l'électricité et la chaleur.
Parmi les matériaux dérivés de la biomasse, les huiles végétales (HV) et leurs esters méthyliques d'acides gras (EMAG) sont d'une grande importance en raison de leur disponibilité, renouvelabilité et polyvalence chimique. Leur modification, notamment par époxydation, transforme les chaînes d'acides gras insaturés en groupes époxy réactifs, permettant la production de polymères, revêtements, colles et autres matériaux de haute valeur biologique.
La méthode de Prileschajew, bien que la plus étudiée, présente des inconvénients comme des réactions secondaires réduisant le rendement et la sélectivité, ainsi que des préoccupations sur la sécurité thermique lors de l'utilisation de peracides puissants. Cette étude se concentre sur l'époxydation des HV et de leurs EMAG pour améliorer l'efficacité, minimiser les réactions secondaires et améliorer la stabilité thermique en utilisant de l'acide perpropionique et le catalyseur solide Amberlite IR-120. Elle compare les comportements structuraux et cinétiques de différentes huiles et dérivés, développe un modèle cinétique fiable et l'étend à diverses huiles végétales, apportant des perspectives sur la valorisation de la biomasse.
L'étude se concentre sur l'huile de coton (HC) et son ester méthylique (HC-EMAG). Les transformations des groupes fonctionnels et différences structurelles entre HC et HC-EMAG ont été caractérisées par FTIR, RMN, SEC et titration. Une analyse cinétique comparative a révélé que la structure en étoile à trois bras de la HC améliore la vitesse d'époxydation par rapport à la structure linéaire de la HC-EMAG.
Une analyse détaillée des modifications fonctionnelles et structurales a été réalisée pour mieux comprendre les voies de réaction et les réactions secondaires. Un modèle cinétique robuste a été développé pour décrire l'époxydation et l'ouverture de l'anneau de la HC et HC-EMAG, en tenant compte des effets de transfert de masse et de la nature biphasique du système. Des méthodes bayésiennes ont permis une estimation précise des paramètres, avec une forte concordance avec les données expérimentales.
En s'appuyant sur ce modèle, la recherche a été étendue à l'huile de soja (HS), l'huile de lin (HL) et leurs EMAG pour comparer leurs cinétiques d'époxydation et transformations structurelles. La HC a montré la vitesse d'époxydation la plus élevée, suivie de la HS et HL, avec des tendances similaires dans leurs dérivés EMAG. Bien que la HL contienne plus de doubles liaisons, sa vitesse d'époxydation est réduite par la présence d'acide linolénique. Les EMAG ont présenté une relation linéaire plus forte entre les concentrations de doubles liaisons et les vitesses de réaction, probablement en raison de sites réactifs plus accessibles.
Cette étude établit l'acide perpropionique comme un agent oxydant supérieur pour l'époxydation. Le modèle cinétique développé apporte un cadre précieux pour comprendre la dynamique de l'époxydation, contribuant à la valorisation de la biomasse par la production d'huiles végétales époxydées et leurs dérivés.
Abstract
Increasing environmental awareness has underscored the need for sustainable alternatives to fossil-based resources due to global warming, GHG emissions, and the depletion of fossil reserves. The chemical industry, heavily reliant on petroleum-derived feedstocks, significantly contributes to GHG emissions, exacerbating environmental challenges and raising concerns about resource security and market volatility. Biomass, a renewable and carbon-neutral resource, has emerged as a key player in producing biofuels for transportation, electricity, and heat. Among biomass-derived materials, vegetable oils (VOs) are widely recognized for their availability, renewability, and chemical versatility. Their modification, particularly via epoxidation, transforms unsaturated fatty acids into reactive epoxide groups, facilitating the production of bio-based polymers, coatings, adhesives, and other high-value materials.
Although various epoxidation methods exist, the Prileschajew method is the most studied, despite drawbacks such as side reactions like ring-opening, which reduce yield and selectivity, and safety concerns when using strong peracids like peracetic and performic acids. This study investigates the epoxidation of vegetable oils (VOs) and their fatty acid methyl esters (VO-FAMEs), addressing key challenges like improving reaction efficiency, minimizing side reactions, and enhancing thermal stability. Using perpropionic acid and Amberlite IR-120 as a solid acid catalyst, the study demonstrates superior performance compared to performic acid. The research compares the structural and kinetic behaviors of different oils and their derivatives, developing a reliable kinetic model and expanding its application to various vegetable oils.
The study initially focuses on cottonseed oil (CSO) and its FAME (CSO-FAME). Functional group transformations and structural differences between CSO and CSO-FAME were characterized through FTIR, NMR, SEC, and titration. A comparative analysis of epoxidation kinetics between CSO and CSO-FAME was conducted, revealing that CSO’s three-armed star structure enhances the epoxidation rate compared to the linear structure of CSO-FAME.
In the second part, a detailed structural analysis was performed to monitor functional group modifications and structural changes, providing insights into reaction pathways and side reactions. A robust kinetic model describing epoxidation and ring-opening reactions of CSO and CSO-FAME was developed, incorporating mass transfer effects and the biphasic nature of the reaction system. Bayesian methods were employed for parameter estimation, achieving high precision and strong alignment with experimental data.
The research further explored soybean oil (SBO), linseed oil (LSO), and their FAMEs in the third part, systematically comparing their epoxidation kinetics and structural transformations. The results showed that CSO exhibited the highest epoxidation rate, followed by SBO and LSO, with similar trends in their FAME derivatives. Despite LSO containing more double bonds, its epoxidation rate was hindered by linolenic acid composition. FAMEs exhibited a stronger linear relationship between initial double bond concentrations and reaction rates, likely due to more accessible reactive sites and reduced steric hindrance.
This study establishes perpropionic acid as a superior oxidizing agent for epoxidation, compared to performic acid. The developed kinetic model provides valuable insights into epoxidation dynamics, contributing to the valorization of biomass through the production of epoxidized vegetable oils and their derivatives.
Experimental study οf the additive manufacturing οf silicοn nitride
Doctorant·e
MARIE Theotim
Direction de thèse
MARINEL Sylvain (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
13/03/2025 à 09:00
Lieu de la soutenance
Grand Amphi ENSICAEN bâtiment A
Rapporteurs de la thèse
PATELOUP VINCENT Université de Limoges
REVERON HELEN INSA Lyon
Membres du jurys
DU ZEHUI,
,
Université de technologie de Nanyang
GAN CHEE LIP,
,
Université de technologie de Nanyang
MANIÈRE CHARLES,
,
CNRS
MARINEL Sylvain,
,
UCN - Université de Caen Normandie
PATELOUP VINCENT,
,
Université de Limoges
PRELLIER Wilfrid,
,
ENSICAEN
REVERON HELEN,
,
INSA Lyon
Résumé
La stéréolithographie de suspensions céramiques photopolymérisables est une technique de fabrication additive de haute résolution pour fabriquer des pièces céramiques complexes. Bien qu’elle étende les possibilités d’applications, l’un des inconvénients est la faible épaisseur de parois réalisable. Les polymères formant une structure réticulaire après polymérisation sont pyrolysés lors d’une étape appelée déliantage. Pendant le déliantage, les composés gazeux passant par des canaux d’évacuation créent des pressions internes, résultant souvent en la création de fissures. Lorsque cette thèse a débuté, l’épaisseur de parois critique jusqu’où les pièces ne présentaient pas de défaut était comprise entre 4 et 5 mm pour le nitrure de silicium. Grâce à une optimisation du déliantage se reposant sur l’analyse d’ATG, des pièces d’épaisseurs de parois allant jusqu’à 11 mm ont été obtenues sans défaut. Lors de cette optimisation, l’impact de l’épaisseur des couches a été étudié et il a été révélé qu’une faible épaisseur de couche réduit le risque d’apparition de fissure. Enfin, les propriétés mécaniques ont été mesurées, montrant des valeurs similaires au nitrure de silicium fabriqué par des méthodes plus conventionnelles.
Abstract
Stereolithography of UV-curable ceramic suspensions is an additive manufacturing technique with high precision and great resolution to fabricate complex ceramic parts. While it widens the possibilities of applications, one of the drawback of this method is the low wall-thickness of the parts. The polymers forming the network structure upon cross-linking undergo pyrolysis in a step called debinding. During debinding, the gaseous compounds going
through evacuation channels create internal pressures, often resulting in crack formation. When this PhD started, the critical wall-thickness where crack-free parts are obtained was located between 4 and 5 millimeters for silicon nitride. Thanks to an optimization of the debinding relying on TGA analysis, defectless parts with a wall-thickness of up to 11 mm were obtained. During this optimization, the layer thickness impact was studied and it was revealed that a low layer thickness reduces risks of cracking. Finally, the mechanical properties were measured, showing values equivalent to silicon nitride fabricated by conventional methods.
Crοissance des cοmpοsés ΙΙΙ-Ν et de leurs alliages : develοppement des οutils numériques pοur l'οptimisatiοn de leurs prοpriété
Doctorant·e
ZAITER Ayla
Direction de thèse
CHEN Jun (Directeur·trice de thèse)
HOUNKPATI Viwanou (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
12/03/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
IUT Pôle d'Alençon
Rapporteurs de la thèse
BELABBAS IMAD Université de Abderrahmane Mira-Bejaia
GOGNEAU NOËLLE Université Paris Saclay
Membres du jurys
BELABBAS IMAD,
,
Université de Abderrahmane Mira-Bejaia
CHATEIGNER Daniel,
,
UCN - Université de Caen Normandie
CHEN Jun,
,
UCN - Université de Caen Normandie
GOGNEAU NOËLLE,
,
Université Paris Saclay
HOUNKPATI Viwanou,
,
UCN - Université de Caen Normandie
MONROY EVA,
,
CEA GRENOBLE
RUTERANA Pierre,
,
ENSICAEN
STULICHKOVA LUBICA,
,
Slovak University of Technology
Résumé
Les propriétés optiques, électriques et thermiques des semi-conducteurs du groupe III-N en font d’excellents matériaux pour de nombreuses applications électroniques et optoélectroniques. Le travail de la thèse porte sur leur croissance par dynamique moléculaire (DM) ainsi que le développement des outils numériques pour analyser les résultats et caractériser leurs propriétés en couche mince. Les propriétés thermiques, telles que le coefficient de dilatation thermique et le coefficient de diffusion à la surface de GaN, ont été calculés avec un potentiel empirique Stillinger-Weber. Des simulations par DM ont été réalisées pour la croissance de GaN sur substrat GaN, en optimisant les conditions de dépôt (température, taux de dépôt,...). Les résultats montrent que la cristallinité et la morphologie s’améliorent à haute température, à un faible taux de dépôt et à un rapport N/Ga relativement faible. La croissance d’InN sur GaN permet à avoir un aperçu sur le problème de désaccord de mailles entre le substrat GaN et la couche InN déposée. Les conditions de croissance optimisées ont ensuite été appliquées à la croissance des puits quantiques GaN/InGaN/GaN. Les simulations révèlent que les hautes températures et les couches épaisses favorisent la ségrégation d’indium. Enfin, l’analyse structurale de différentes compositions chimiques des couches InGaN a permis de supposer que la ségrégation de phase InN avec celle de GaN se produit par relaxation de contraintes,les zones riches s’orientent dans le sens de croissance [0001] sous forme de colonne. Ces travaux offrent une approche numérique permettant un accès aux informations sur la croissance et les propriétés des matériaux III-N à l’échelle atomique.
Abstract
The optical, electrical and thermal properties of group III-N semiconductors make them excellent materials for numerous electronic and optoelectronic applications. The thesis focuses on their growth by molecular dynamics (MD) simulations, as well as the development of numerical tools to analyze the results and characterize their thin-film
properties. Thermal properties, such as the thermal expansion coefficient and the diffusion coefficient on the GaN surface were calculated using a Stillinger-Weber empirical potential. MD simulations were carried out for the growth of GaN on a GaN substrate, optimizing deposition conditions (temperature, deposition rate,..). The results show that crystallinity and morphology improve at high temperatures, low deposition rates, and relatively low N/Ga ratios. The growth of InN on GaN provides insights into the lattice mismatch problem between the GaN substrate and the deposited InN layer. The optimized growth conditions were then applied to the growth of GaN/InGaN/GaN quantum wells. Simulations reveal that high temperatures and thick layers promote indium segregation. Finally, the structural analysis of different chemical compositions of InGaN layers suggests that phase segregation of InN with GaN occurs due to strain relaxation, with indium-rich zones aligning along the growth direction [0001] in the form of columns. This work offers a numerical approach that provides insights into the growth and properties of III-N materials at the atomic scale.
Etude numérique de vοilures sοuples en milieu fluide : aide à la prοpulsiοn
Doctorant·e
PEREZ TAMAREZ JULIO
Direction de thèse
RIVOALEN ELIE (Directeur·trice de thèse)
LEMOSSE Didier (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
27/02/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
INSA Rouen. 685 Avenue de l’Université. 76800 Saint-Etienne-du-Rouvray.
Rapporteurs de la thèse
LEFRANCOIS EMMANUEL UTC
SCOLAN YVES-MARIE ENSTA-Bretagne
Le comportement d’une membrane sans épaisseur placée dans un écoulement unidirectionnel et irrotationnel a été analysé à l’aide de simulations numériques. La portance, la poussée et les forces inertielles ont été calculées en fonction de la distribution de pression au-dessus et en dessous de la membrane en utilisant la méthode des tourbillons. La
réponse du solide a été calculée à partir des hypothèses de grands déplacements en appliquant la mécanique lagrangienne à l’aide du logiciel ANSYS APDL, avec une résolution temporelle basée sur la méthode HHT-α, où la méthode de Newton-Raphson a été utilisée pour résoudre les aspects non linéaires.
L’interaction fluide-solide a été obtenue par un échange explicite de données entre le code de simulation de fluide et le modèle structurel, en se basant sur les conditions cinétiques et dynamiques à la frontière d’interface, tout en prenant en compte le critère de l’échantillonnage de Nyquist-Shannon ainsi que les conditions de Courant-Friedrichs-Lewy. Une nouvelle décomposition matricielle des efforts hydrodynamiques a été appliquée avec succès, permettant de quantifier l’influence des composantes des efforts hydrodynamiques, démontrant ainsi la valeur instantanée des efforts inertiels du fluide. Une étude de l’efficacité propulsive du système en fonction des fréquences d’oscillation, des propriétés mécaniques du solide déformable, et des configurations mécaniques du système a été réalisée afin de déterminer la propulsion optimale.
Abstract
The behavior of a thicknessless membrane placed in a unidirectional and irrotational flow is analyzed using numerical simulation. The lift, thrust and inertial forces were calculated based on the pressure distribution over and under the membrane using the Vortex Method. The response of the solid was calculated based on the large displacement hypothesis using the Timoshenko beam theory and total Lagrangian formulation in ANSYS APDL, with time resolution based on HHT-α method, where the Newton-Raphson method was applied to resolve non-linear aspects.
Fluid-solid interaction was achieved through explicit data exchange between the fluid simulation code and the structural model based on the kinetic and dynamic conditions at the interface boundary and paying special attention to the Nyquist–Shannon criteria and the Courant-Friedrich-Levy's conditions. A new matricial decomposition of hydrodynamic efforts was successfully applied, allowing us to quantify the influence of the inertial force component in the flow and demonstrate the instant value of the added inertia. A study of the thrust in relation to the beating frequencies, the mechanical properties of the deformable solid and the system's mechanical configurations was carried out to find the best propulsion conditions.
Study οf electrοn and iοn emissiοn by intense ΤΗz transient:applicatiοn tο the atοmprοbe tοmοgraphy
Doctorant·e
KARAM Michella
Direction de thèse
VELLA ANGELA (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
27/02/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
GPM-UFR sciences et techniques
Rapporteurs de la thèse
ABRAHAM EMMANUEL Universite de Bordeaux
THUVANDER MATTIAS Université de Goteborg (SUEDE)
Membres du jurys
ABRAHAM EMMANUEL,
,
Universite de Bordeaux
HIDEUR AMMAR,
,
URN - Université de Rouen Normandie
HOUARD Jonathan,
,
URN - Université de Rouen Normandie
KACHAN ELENA,
,
Université Jean Monnet, Saint-Etienne
THUVANDER MATTIAS,
,
Université de Goteborg (SUEDE)
VELLA ANGELA,
,
URN - Université de Rouen Normandie
Résumé
Les rayonnements térahertz (THz), caractérisés par des photons à faible énergie, sont devenus un outil prometteur pour déclencher des processus d’émission de charges. Les avancées récentes ont permis de générer des impulsions monocycliques THz de forte amplitude, avec des champs électriques de l’ordre de MV/cm, appliquées à des nanostructures, permettant l’émission d’électrons et l’évaporation d’ions. Ces capacités ouvrent de nouvelles perspectives pour améliorer les techniques d’analyse des matériaux, en particulier en tomographie par sonde atomique (APT), en augmentant la résolution et la précision.
Ce travail étudie la physique de l’évaporation de surface induite par des impulsions THz à travers des simulations numériques et des expériences. L’étude numérique a exploré la dynamique des ions et des électrons, en mettant en évidence l’influence de paramètres des impulsions THz tels que l’amplitude et la phase. Expérimentalement, des transitoires THz monocycliques, combinés à une tension de polarisation statique, ont été appliqués à des pointes nanométriques d’hexaborure de lanthane (LaB6), validant les prédictions numériques et démontrant que les impulsions THz agissent comme des impulsions électriques ultra-courtes. Une analyse comparative de l’APT utilisant un laser NIR femtoseconde et des impulsions THz a montré que le rayonnement THz augmentait les états de charge des ions et améliorait la détection du bore.
L’étude a également exploré l’APT assistée par THz pour des matériaux à faible densité de porteurs libres, tels que les semi-conducteurs et les oxydes. Des analyses approfondies du germanium, du silicium, de l’oxyde de magnésium (MgO) et de l’oxyde de zinc (ZnO) ont révélé des défis et des comportements distincts. Des facteurs comme la faible conductivité, les défauts induits par FIB et les effets de barrière de Schottky ont significativement influencé la dynamique d’émission. Malgré ces défis, les impulsions THz ont réussi à déclencher l’évaporation de surface dans ces matériaux, tout en soulignant la nécessité d’optimiser les conditions expérimentales et les techniques de préparation des
échantillons.
Abstract
Terahertz (THz) radiation, characterized by low-energy photons, has become a promising tool for triggering field emission processes. Recent advancements have enabled the generation of high-amplitude monocycle THz pulses with electric fields in the MV/cm range, which have been applied to nanostructures, enabling both electron emission and ion evaporation. These capabilities open new pathways for improving material analysis techniques, particularly in atom probe tomography, by enhancing resolution and accuracy.
This work investigates the physics of field evaporation induced by THz pulses through numerical simulations and experimental measurements. The numerical study explored the dynamics of ions and electrons, highlighting the influence of THz pulse parameters such as amplitude and phase. Experimentally, single-cycle THz transients combined with a static bias voltage were applied to the semi-metal lanthanum hexaboride (LaB6) nanotips, validating numerical predictions and demonstrating that THz pulses act as ultrashort electrical pulses. A comparative analysis of APT using femtosecond NIR lasers and THz pulses revealed that THz radiation increased ion charge states and improved boron detection.
The study further explored THz-assisted APT for materials with low free carrier densities, such as semiconductors and oxides. Extensive analyses of germanium, silicon, magnesium oxide (MgO), and zinc oxide (ZnO) revealed distinct challenges and behaviors. Factors such as low conductivity, FIB-induced defects, and Schottky barrier effects significantly influenced emission dynamics. Despite these challenges, THz pulses successfully triggered field evaporation in these materials, while underscoring the need for further optimization of experimental conditions and sample preparation techniques.
Νumerical simulatiοn οf the attenuatiοn οf hydrοgen explοsiοn by spraying water
Doctorant·e
SIDDAPPA CHETHAN
Direction de thèse
HADJADJ ABDELLAH (Directeur·trice de thèse)
SAFDARI SHADLOO HUGO (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
26/02/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
Salle de conférence CORIA , 675 University Avenue BP 12 76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY CEDEX
Rapporteurs de la thèse
CHINNAYYA ASHWIN ENSMA
JOURDAN GEORGES Aix-Marseille Université
Membres du jurys
CHINNAYYA ASHWIN,
,
ENSMA
GAI GUODONG,
,
INP, Toulouse
HADJADJ ABDELLAH,
,
INSA Rouen Normandie
JOURDAN GEORGES,
,
Aix-Marseille Université
SAFDARI SHADLOO HUGO,
,
INSA Rouen Normandie
SOCHET ISABELLE,
,
INSA Centre Val de Loire
TRUCHOT BENJAMIN,
,
Institut National de l'Environnement industriel et des RISques (INERIS)
Résumé
Les ondes de choc à haute pression sont cruciales dans de nombreux processus industriels et environnementaux impliquant l'énergie hydrogène. Les explosions d'hydrogène posent des risques importants pour les structures et la sécurité humaine, faisant des systèmes de pulvérisation d'eau une solution essentielle, notamment pour le confinement des réacteurs nucléaires.
Ce manuscrit étudie les interactions entre les ondes de choc et les sprays d'eau pour atténuer les explosions d'hydrogène à l'aide de modélisations multiphasiques avancées. Les premières simulations numériques dans des configurations unidimensionnelles et bidimensionnelles se concentrent sur le transfert de quantité de mouvement, en analysant les forces de traînée exercées sur des particules polydispersées dans des mélanges d'air et d'air-hydrogène. Un modèle théorique d'ordre réduit a été développé pour étudier la topologie de dispersion, validé par des simulations numériques directes. Les résultats montrent que les nuages de particules polydispersées améliorent significativement l'atténuation des ondes de choc par rapport aux configurations monodispersées, avec des diamètres plus petits et une plus grande déviation standard produisant des effets plus marqués. Des fractions volumiques de particules plus élevées amplifient davantage l'atténuation. Un nombre de Mach incident critique (Ms < 2,8) a été identifié, où l'onde de choc transmise passe de l'état supersonique à subsonique.
En développant l'investigation initiale du transfert de quantité de mouvement lors des interactions entre les ondes de choc et les gouttelettes, la phase suivante de l'étude introduit des mécanismes de transfert de chaleur et d'évaporation pour analyser de manière exhaustive l'atténuation des ondes de choc multiphasiques. Les résultats révèlent que l'intégration du transfert de chaleur et de l'évaporation améliore considérablement l'atténuation des ondes de choc, avec des petites gouttelettes dans des configurations hautement polydispersées et denses favorisant une évaporation plus rapide grâce à leur surface cumulative plus grande, conduisant à une dissipation efficace de l'énergie et à une atténuation améliorée.
L'analyse montre une relation linéaire entre le nombre de Mach de choc transmis à saturation (Mst)sat et le nombre de Mach incident Ms. Une corrélation empirique a été développée pour prédire (Mst)sat en fonction du nombre de Mach incident Ms et du diamètre des gouttelettes. Ce travail offre une analyse approfondie des interactions multiphasiques dans les environnements chargés de gouttelettes et souligne l'efficacité des sprays d'eau comme stratégie pour réduire les risques d'explosion d'hydrogène dans les contextes industriels et nucléaires.
Abstract
High-pressure blast waves are critical in many industrial and environmental processes involving hydrogen energy. Accidental shock waves from hydrogen explosions pose significant risks to structural integrity and human safety, making water spray systems a vital strategy for mitigating such hazards, particularly in nuclear reactor containment scenarios.
This manuscript investigates shock-spray interactions to mitigate hydrogen explosions through advanced multiphase modeling. The study examines the coupled effects of momentum, heat, and mass transfer during shock-wave interactions with water sprays, a proven strategy for explosion attenuation. Initial numerical simulations in one- and two - dimensional configurations focus on momentum transfer, analyzing drag forces on polydisperse particles in air and hydrogen-air mixtures. A reduced-order theoretical model is developed to study dispersion topology, validated against direct numerical simulations. Results show that polydisperse particle clouds significantly enhance shock attenuation compared to monodisperse ones, with smaller diameters and higher standard deviation exhibiting stronger effects. Greater particle volume fractions further amplify attenuation. A critical incident Mach number (Ms < 2.8) is identified, where the transmitted shock transitions from supersonic to subsonic states.
Expanding upon the initial investigation of momentum transfer during shock-droplet interactions, the subsequent phase of the study introduces heat transfer and evaporation mechanisms to comprehensively analyze multiphase shock wave attenuation.
The results reveal that incorporating heat transfer and evaporation significantly enhances shock attenuation, with smaller droplets in highly polydisperse and dense configurations promoting faster evaporation due to their larger cumulative surface area, leading to efficient energy dissipation and improved mitigation. The analysis reveals a linear relationship between the saturated transmitted shock Mach number, ((M{st}){sat}), and the incident Mach number, (Ms). An empirical correlation was developed to predict ((M{st}){sat}\) as a function of incident Mach number (Ms) and droplet diameter. This work provides a detailed understanding of multiphase interactions in droplet-laden environments and highlights the potential of water sprays as a robust mitigation strategy for hydrogen explosion risks in industrial and nuclear safety contexts.
Μachine Learning et Τechniques d'Οptimisatiοn pοur Améliοrer l'Efficacité Energétique des Centres de Dοnnées
Doctorant·e
EL YADARI Meryeme
Direction de thèse
GUALOUS Hamid (Directeur·trice de thèse)
YAHYAOUY ALI (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
26/02/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
Centre Visioconférence B.P. 1796 MAROC 30003, Fès-Atlas, Maroc
BELLACH BENAISSA,
,
Faculté des sciences d'Oujda
EL MOTAKI SALOUA,
,
Université Chouaib Doukkali
GUALOUS Hamid,
,
UCN - Université de Caen Normandie
LE MASSON STÉPHANE,
,
Orange labs Lannion
LOUAHLIA Hasna,
,
UCN - Université de Caen Normandie
SABOR JALAL,
,
Université Moulay Ismail
TAIRI HAMID,
,
Université Sidi Mohamed Ben Abdellah
YAHYAOUY ALI,
,
Université Sidi Mohamed Ben Abdellah
Résumé
Les centres de données, en tant qu'infrastructures hébergeant des milliers d'équipements et réalisant des calculs intensifs, jouent un rôle clé dans le traitement et le stockage de données à grande échelle. Pour garantir un service fiable et durable, il est essentiel de bien gérer leurs ressources et de comprendre la corrélation entre le service fourni et la consommation énergétique. L'énergie est en effet un facteur crucial, directement lié aux coûts d'exploitation. Cette corrélation fait de la gestion énergétique des centres de données un sujet de recherche actuel et d'une importance majeure pour l'optimisation des performances et de la rentabilité de ces infrastructures.
Notre travail se concentre sur l’étude de la corrélation entre l’utilisation des ressources des centres de données et leur consommation énergétique. Les serveurs, constituant le cœur de ces infrastructures et étant parmi les plus grands consommateurs d’énergie, seront au centre de notre analyse. En nous focalisant sur les éléments spécifiques des serveurs qui consomment le plus, nous cherchons à identifier les facteurs et les composants clés influençant la demande énergétique. Cette analyse nous permettra de mieux comprendre comment chaque composant contribue à la consommation globale. Ensuite, un aspect fondamental de cette recherche consiste à développer des modèles de Machine Learning capables de prédire la consommation énergétique de manière précise. Ces modèles aideront les gestionnaires des centres de données à anticiper les besoins en énergie, à planifier efficacement l’allocation des ressources et à prévoir les variations de charges de travail. Une prévision précise des charges est d’une importance cruciale, car elle influe directement sur les performances des serveurs et, par conséquent, sur l’efficacité énergétique globale. En parallèle, la gestion proactive des charges contribue non seulement à l’optimisation des coûts énergétiques mais aussi à la durabilité des centres de données en limitant les risques de surcharge ou de sous-utilisation des serveurs. Enfin, un autre axe essentiel de notre travail porte sur le placement optimal des machines virtuelles au sein des serveurs physiques. Une stratégie de placement optimale réduit la consommation d’énergie, améliore l’efficacité énergétique et maintient une qualité de service améliorée, ce qui contribue directement à la rentabilité et à la durabilité des centres de données.
Abstract
Data centers, as infrastructures hosting thousands of devices and performing intensive computations, play a key role in large-scale data processing and storage. To ensure a reliable and sustainable service, it is essential to properly manage their resources and understand the correlation between the service provided and energy consumption. Energy is indeed a crucial factor, directly related to operating costs. This correlation makes energy management of data centers a current research topic and of major importance for optimizing the performance and profitability of these infrastructures.
Our work focuses on studying the correlation between data center resource utilization and energy consumption. Servers, which are the core of these infrastructures and are among the largest consumers of energy, will be at the center of our analysis. By focusing on the specific elements of the servers that consume the most, we seek to identify the key factors and components influencing energy demand. This analysis will allow us to better understand how each component contributes to overall consumption. Then, a fundamental aspect of this research is to develop Machine Learning models capable of accurately predicting energy consumption. These models will help data center managers anticipate energy needs, efficiently plan resource allocation, and predict workload variations. Accurate load forecasting is of crucial importance, as it directly influences server performance and, consequently, overall energy efficiency. In parallel, proactive load management contributes not only to energy cost optimization but also to data center sustainability by limiting the risks of server overload or underutilization. Finally, another key focus of our work is the optimal placement of virtual machines within physical servers. An optimal placement strategy reduces energy consumption, improves energy efficiency, and maintains improved quality of service, which directly contributes to the profitability and sustainability of data centers.
Experimental study οn the perfοrmance οf electrοkinetic remediatiοn οf waste materials at different scales
Doctorant·e
ZEIN EDDIN Ahmad
Direction de thèse
BENAMAR AHMED (Directeur·trice de thèse)
AMMAMI Mohamed Tahar (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
07/02/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
LOMC 53 rue de Prony 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse
MAHERZI WALID IMT NORD EUROPE
SONG YUE SHANDONG UNIVERSITY
Membres du jurys
AMMAMI MOHAMED TAHAR,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
BENAMAR AHMED,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
DI EMIDIO GEMMINA,
,
GHENT UNIVERSITY DE PINTELAAN (BEL)
DJERAN-MAIGRE IRINI,
,
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
LEKLOU NORDINE,
,
Nantes Université
MAHERZI WALID,
,
IMT NORD EUROPE
OUDDANE BAGHDAD,
,
Universite de Lille
SONG YUE,
,
SHANDONG UNIVERSITY
Résumé
Dans des zones comme les ports, les rivières et les voies navigables, l'accumulation de sédiments peut entraver la navigation sûre, affectant les activités maritimes. En raison de leur potentiel à contenir des polluants organiques et inorganiques, les sédiments dragués sont régis par des législations nationales et internationales. Ces matériaux, considérés comme des déchets et générant des risques environnementaux importants, peuvent être stockés dans des zones gérées à terre. Annuellement, environ 600 millions de m³ de sédiments dragués dans le monde posent un défi et une opportunité de réutilisation dans des secteurs comme la construction et l'agriculture. De plus, les industries génèrent de grands volumes de divers matériaux de déchets comme les scories et les cendres volantes, qui incluent un potentiel de réutilisation. La rémédiation électrocinétique (EK) est l'une des nombreuses méthodes de traitement, où un champ électrique est appliqué pour transporter les contaminants hors du matériau. Ce travail, réalisé au laboratoire LOMC à l'Université Le Havre-Normandie, se concentre sur l'étude de l'effet des processus électrocinétiques sur les caractéristiques des sédiments dragués et des scories à différentes échelles. L'étude comprend trois parties : (1) l'examen de l'effet des conditions de stockage des matériaux (gel-dégel, sec-humide) sur le processus EK, (2) l'étude de l'efficacité de l'EK sur la rémédiation des co-produits (scories) sous différentes conditions électrochimiques, (3) l'analyse du comportement physico-chimique des matériaux lors de l'upscaling du processus EK, et (4) la comparaison du comportement des sédiments fluviaux et marins sous le processus EKR. Les résultats permettent de tirer les conclusions suivantes selon les investigations ci-dessus :
Les conditions de stockage peuvent affecter l'évolution des paramètres électrochimiques pendant le processus EK, et le paramètre clé est le pH de l'eau interstitielle qui conduit à une forte élimination de Na (95%), Cl (100%), Ca (17%) et Mn (25%). En revanche, ce paramètre n'affecte pas de manière significative la teneur en matière organique ou la distribution granulométrique des particules. Seuls les carbonates, y compris la calcite, la dolomite et l'aragonite, ont été significativement affectés par le pH pendant le processus EK.
Les résultats de l'upscaling montrent qu'appliquer 1V/cm à différentes échelles a entraîné une augmentation de la température et des variations du comportement chimique. Ainsi, en plus des autres paramètres de similarité, la similarité thermique a été un défi en raison de l'augmentation de la température à plus grande échelle.
Le mélange de sédiments fluviaux avec des scories a augmenté le courant électrique, entraînant une élimination plus importante de As (28%), Cu (32%), Zn (55%) et Cd (85%). L'étude fournit une première étape pour combiner deux matériaux de déchets (sédiments dragués et co-produit industriel) à des fins de rémédiation électrocinétique et de valorisation ultérieure dans des applications en génie civil, répondant aux exigences environnementales et offrant une solution économiquement viable pour la gestion et la récupération des matériaux de déchets.
Abstract
In areas like ports, rivers, and waterways, sediment accumulation can impede safe navigation, affecting shipping activities. Due to their potential to contain organic and inorganic pollutants, dredged sediments are regulated by both national and international legislations. These materials, considered as waste and generating significant environmental risks, can be stored on managed areas onshore. Annually, about 600 million m³ of dredged sediments worldwide present a challenge and opportunity for reuse in sectors like construction and agriculture. In addition, industries generate large volumes of different waste materials like slags and fly ash, which include a potential reuse. Electrokinetic (EK) remediation is one among many treatment methods, where an electric field is applied to transport contaminants out of the material. This work, conducted at the LOMC laboratory at Le Havre-Normandie University, focuses on investigating the effect of electrokinetic processes on dredged sediments and slags characteristics at different scales. The study includes three parts: (1) examining the effect of material storage conditions (freeze-thaw, dry-wet) on the EK process, (2) investigating the EK efficiency on remediation of co-product material (slags) under different electrochemical conditions, (3) analyzing physico-chemical behavior of materials during upscaling of EK process, and (4) comparing the behavior of fluvial sediment and marine sediments under EKR process. The results lead to draw the following conclusions according to the above investigations:
Storage conditions can affect the evolution of electrochemical parameters during EK process, and the key parameter is the pore water pH which lead to the high removal of Na (95%), Cl (100%), Ca (17%), and Mn (25%). In opposite, this parameter does not affect significantly organic matter content or participle size distribution. Only carbonates, including calcite, dolomite, and aragonite, were significantly affected by pH during EK process.
The scale-up results show that applying 1V/cm in different scales led to temperature raise and variations in chemical behavior. So, in addition to other similarity parameters, the thermal similarity was challenging due to the increase of temperature in larger scales.
Mixing fluvial sediment with slag increased electric current, resulting in higher removal of As (28%), Cu (32%), Zn (55%), and Cd (85%). The study provides a preliminary step for combining two waste materials (dredged sediments and an industrial co-product) for electrokinetic remediation purpose and subsequent valorisation in civil engineering applications, meeting environmental requirements and offering an economically viable solution for waste material management and recovery.
Evοlutiοn οf the spin-οrbit splitting frοm 16Ο tο 22Ο and the rοle οf tensοr fοrce
Doctorant·e
BARRIERE Antoine
Direction de thèse
SORLIN Olivier (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
30/01/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
Salle de conférence, maison d'hôte du GANIL
Rapporteurs de la thèse
BEAUMEL DIDIER Labo. de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
CORSI ANNA CEA Paris-Saclay
Membres du jurys
ASSIE MARLÈNE,
,
Labo. de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
BEAUMEL DIDIER,
,
Labo. de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
CORSI ANNA,
,
CEA Paris-Saclay
MARQUES Miguel,
,
Laboratoire de Physique corpusculaire de Caen
PLOSZAJCZAK Marek,
,
14 GANIL de CAEN
SORLIN Olivier,
,
14 GANIL de CAEN
Résumé
Dans le cadre du modèle en couches, l'interaction nucléaire à deux corps peut être divisée en une partie centrale, une partie spin-orbite (SO) et une partie tenseur. La grande majorité des études réalisées jusqu'à présent sur des noyaux stables de la carte des noyaux montrent que l'amplitude de la séparation SO décroît selon A^(-2/3), en raison du terme de surface dominant de la force spin-orbite. Le but de cette étude, qui va au-delà de la vallée de stabilité, est de déterminer l'évolution de la séparation SO des orbitales proton 0p3/2 et 0p1/2 entre le noyau bien connu d'16O (N = 8) et celui riches en neutrons d'22O (N = 14). En plus du rôle de la force SO, cette évolution dépend également de la contribution de la force tenseur, qui devrait conduire à une diminution supplémentaire de la séparation SO lorsque l'orbitale neutron 0d5/2 se remplit par-dessus le noyau doublement magique d'16O.
L'expérience s509 a été réalisée sur la ligne de faisceau R3B pendant la campagne expérimentale de 2022 au GSI. Les noyaux d'22O ont été sélectionnés via le spectromètre FRS, puis ont interagi avec une cible d'hydrogène cryogénique de 5 cm d'épaisseur pour induire des réactions de diffusion quasi-libre de neutrons et de protons. Ces réactions ont peuplé, entre autres, les états trou neutron et proton dans l'22O, conduisant aux noyaux d'21O et de 21N, respectivement. Les protons et les neutrons issus des réactions (p,2p) ou (p,pn), les noyaux résiduels et les produits de désintégration associés ont été détectés à l'aide de la ligne de détection R3B. Ce dispositif a permis une reconstruction complète événement par événement dans la cinématique inverse, y compris l'identification et la détermination de la quantité de mouvement des noyaux entrants et des fragments sortants. En outre, les spectroscopies gamma et neutrons à haute résolution ont été réalisées à l'aide des multi-détecteurs CALIFA et NeuLAND, respectivement. La combinaison de détecteurs au sein de ce dispositif expérimental a permis d'étudier la désintégration des états liés et non liés peuplés par ces réactions, ainsi que le moment angulaire des nucléons éliminés au cours des réactions d'élimination.
La première partie de cette thèse se concentre sur l'étude de la magicité N = 14 du noyau d'22O via la réaction 22O(p,pn), en sondant le degré de corrélation entre les orbitales neutron 0d5/2 et 1s1/2. La limite supérieure de l'occupation neutron de l'orbitale de valence 1s1/2 est alors estimée, à partir de la spectroscopie gamma et de l'analyse des moments, à <1% avec un niveau de confiance de 68%. En outre, nous avons identifié un nouvel état non lié dans l'21O à Erel = 0.438(30) MeV, dont le SF et le moment de recul transversal sont cohérents avec un état 1/2^- prédit par les calculs du modèle en couches.
La seconde partie de ce travail est consacrée à l'identification ainsi qu'à la détermination du facteur spectroscopique des états 0p dans le noyau de 21N, jusqu'à son seuil d'émission deux neutrons, via la réaction 22O(p, 2p). La population du premier état lié connu 3/2^-(1) et de deux nouvelles résonances ont été observées en utilisant les spectroscopies gamma et neutron (1n), respectivement. L'extraction des facteurs spectroscopiques associés permet de déterminer l'amplitude de la séparation entre les orbitales proton 0p1/2 et 0p3/2 (Z = 6) dans l'22O. Cette valeur est ensuite comparée à différents calculs, incluant (ISM(YSOX)) ou excluant (potentiel WS) la force tenseur, afin d'estimer sa contribution à l'évolution de la séparation SO.
Abstract
In the shell model framework, the two-body nuclear force can be divided into a central, spin-orbit (SO) and tensor parts. The vast majority of studies performed so far in stable nuclei of the nuclear chart show that the amplitude of the SO splitting scales with approximately A^(-2/3), due to the surface-dominant term of the spin-orbit force. The aim of this study, which goes far beyond stability, is to determine the evolution of the proton 0p3/2-0p1/2 SO splitting between the well-known 16O (N = 8) and the neutron-rich 22O (N = 14) nuclei. In addition to the role of the SO force, this evolution also depends on the contribution of the tensor force, which should lead to a further decrease of the SO splitting as the neutron 0d5/2 shell fills on the doubly magic 16O nucleus.
The s509 experiment was conducted at the R3B beamline during the 2022 experimental campaign at GSI. The 22O nuclei were delivered via the FRS spectrometer and impinged a 5 cm thick cryogenic hydrogen target to induce neutron and proton quasi-free scattering (QFS) reactions. These reactions populated, among others, the neutron and proton hole states in 22O, leading to the 21O and 21N nuclei, respectively. The protons and neutrons arising from (p,2p) or (p,pn) reactions, the residual nuclei, and their associated decay products were detected using the versatile R3B setup in Cave C. This setup allowed a complete event-by-event reconstruction in inverse kinematics, including the identification and momentum determination of both the incoming nuclei and outgoing fragments. In addition, high- resolution gamma-ray and neutron spectroscopy was performed using the CALIFA and NeuLAND arrays, respectively. The combination of detectors within this experimental setup allowed the study of the decay of both bound and unbound states populated by these reactions, as well as the study of the angular momentum of the nucleons removed during the knockout reactions.
The first part of this thesis focuses on the study of the N = 14 magicity of the 22O nucleus via the 22O(p,pn) reaction, probing the degree of correlation across the neutron 0d5/2-1s1/2 gap. The upper limit of the neutron occupancy of the valence 1s1/2 orbital is then estimated from gamma- spectroscopy and momentum analysis to be <1% with a confidence level of 68%. In addition, we have identified a new unbound state in 21O at Erel = 0.438(30) MeV, whose the strength and transverse recoil momentum are consistent with a 1/2^- state predicted by Shell Model calculations.
The second part of this work is dedicated to the identification as well as the determination of the spectroscopic factor of the 0p states in the 21N nucleus, up to its two-neutron emission threshold, through the 22O(p, 2p) reaction. The population of the first known 3/2^-(1) bound state and two new resonances were observed using gamma- and one-neutron spectroscopy, respectively. The extraction of the associated spectroscopic factors allows the determination of the amplitude of the proton 0p1/2-0p3/2 gap (Z = 6) in 22O. This value is then compared with different calculations, including (ISM(YSOX)) or excluding (WS potential) the tensor interaction, in order to estimate its contribution to the evolution of the SO splitting.
Catalytic cracking οf tar mοdel cοmpοunds using biοchar as catalyst
Doctorant·e
MARTES HERNANDEZ LEONELA
Direction de thèse
TAOUK BECHARA (Directeur·trice de thèse)
ABDELOUAHED LOKMANE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
21/01/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
LSPC
Rapporteurs de la thèse
SAOULI OUACIL École Nationale Polytechnique Constantine, Université Constantine 3 Salah Boubnider, Algérie
VILLOT AUDREY IMT Atlantique
Membres du jurys
ABDELOUAHED LOKMANE,
,
INSA Rouen Normandie
ESTEL LIONEL,
,
INSA Rouen Normandie
OULD DRIS AISSA,
,
Université de Technologie de Compiègne (UTC)
SAOULI OUACIL,
,
École Nationale Polytechnique Constantine, Université Constantine 3 Salah Boubnider, Algérie
TAOUK BECHARA,
,
INSA Rouen Normandie
VILLOT AUDREY,
,
IMT Atlantique
Résumé
Cette thèse se concentre sur l'étude du craquage catalytique des goudrons, qui sont des substances pouvant être produites avec le gaz de synthèse et le biochar pendant la gazéification de la biomasse. Les goudrons constituent un des principaux obstacles à l’utilisation du gaz de synthèse dans certains procédés industriels en raison des difficultés techniques liées à leur présence (obstruction, condensation, réduction de l'efficacité énergétique, etc.). Le craquage catalytique est une technique de choix pour transformer ces goudrons, composés d’hydrocarbures lourds (C6, C7, C8, etc.) en espèces plus légères (H2, CH4, C2H4). Ce processus peut être catalysé par le biochar, dont l'utilisation présente un grand avantage économique et technologique en tant que sous-produit de la gazéification. Ce travail met l'accent sur l'étude paramétrique du craquage des goudrons simulés par des composés modèles comme le benzène, le toluène et le xylène), en utilisant de catalyseurs à base de biochar, seul ou modifié par des métaux comme le fer et le nickel. Les catalyseurs préparés ont été caractérisés et leur activité a été comparée dans la réaction de craquage des différentes molécules modèles. La cinétique de la réaction ainsi que es phénomènes de transfert ayant lieu lors de la catalyse ont également été explorés.
Abstract
This thesis focuses on the study of the catalytic cracking of tars, which are substances that can be produced along with syngas and biochar during biomass gasification. Tars are one of the main obstacles to the use of syngas in certain industrial processes, due to the technical difficulties associated with their presence (clogging, condensation, reduced energy efficiency, etc.). Catalytic cracking is the technique of choice for transforming these tars, composed of heavy hydrocarbons (C6, C7, C8, etc.) into lighter species (H2, CH4, C2H4). This process can be catalyzed by biochar, whose use offers great economic and technological advantages as a by-product of gasification. This work focuses on the parametric study of the cracking of tars emulated by model compounds such as benzene, toluene and xylene while using biochar-based catalysts, either the biochar alone or otherwise, modified with metal oxides of iron and nickel. The catalysts prepared were characterized and their activity was compared during the cracking reaction of the various model molecules. The kinetics of the reaction and the transfer phenomena occurring during catalysis were also explored.
Μise en οeuvre d'un cοmpοsite biοsοurcé et caractérisatiοn en fatigue vibratοire
Doctorant·e
BELCADI OUMAIMA
Direction de thèse
KHALIJ LEILA (Directeur·trice de thèse)
ARRAKHIZ FATIMA EZZAHRA (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
21/01/2025 à 09:00
Lieu de la soutenance
Université Ibn Zohr à Agadir
Rapporteurs de la thèse
AHAROUNE AHMED Université IBN ZOHR, Maroc
JANAN MOURAD TAHA Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers de Rabat, Maroc
TARFAOUI MOSTAPHA ENSTA Bretagne
Membres du jurys
AHAROUNE AHMED,
,
Université IBN ZOHR, Maroc
ARRAKHIZ FATIMA EZZAHRA,
,
Université IBN ZOHR, Maroc
EL MINOR HASSAN,
,
ENSA d'Agadir
JANAN MOURAD TAHA,
,
Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers de Rabat, Maroc
KHALIJ LEILA,
,
INSA Rouen Normandie
TARFAOUI MOSTAPHA,
,
ENSTA Bretagne
ZIDOUH HAMID,
,
Faculté Polydisciplinaire de Ouarzazate, Maroc
Résumé
L'objectif principal de cette thèse est d'étudier le comportement vibratoire d'un composite renforcé par des particules de coques de noix d’arganier (CNA), en s'appuyant sur des caractérisations mécaniques et thermiques. Ce travail s’inscrit dans le cadre de la valorisation des déchets agricoles issus de la production d’huile d’argan.
Les composites étudiés sont constitués de polypropylène (PP) renforcé par 10, 20 et 30 % de particules de CNA. Leur fabrication a été réalisée à l’aide des procédés standards de transformation des matières plastiques (extrusion et injection), suivie d’une caractérisation pour établir la relation structure-propriétés et évaluer leur qualité.
Les résultats ont montré que l’ajout des particules de CNA favorise la formation des cristaux en agissant comme un agent nucléant. Cependant cet ajout entraîne une diminution de la stabilité thermique. Pour remédier à cela, une étude de l’effet des paramètres de procédé et de la formulation des composites sur la stabilité thermique a été menée à travers un plan d’expérience. Les résultats ont montré que l’ajout d’un agent couplant, le Maléique Anhydride, ainsi que la température d’extrusion influencent la stabilité thermique.
Pour analyser le comportement en fatigue vibratoire des composites élaborés, des éprouvettes ont été conçues en adoptant des approches numériques d’homogénéisation et d’analyse modale. Les résultats de l’homogénéisation numérique ont été validés par des essais de traction monotone et des modèles analytiques. L’analyse modale a permis d’identifier les premières fréquences de résonance qui permettent de limiter l’auto-échauffement excessif des éprouvettes.
Les essais de fatigue vibratoire à la première fréquence de résonance, réalisés sur du polypropylène (PP) vierge et sur du PP contenant 30 % de CNA, ont été analysés à travers les mécanismes d’endommagement. Ces essais ont mis en évidence que l’ajout de CNA à la matrice PP améliore la rigidité et, par conséquent, la durée de vie des composites, mais entraîne une réduction du taux d’amortissement.
Tous les résultats ont été discutés sur la base d'une étude bibliographique issue de la littérature.
Abstract
The primary objective of this project is to study the vibration behaviour of a composite reinforced with argan nut shell particles (ANS), with a focus on mechanical and thermal
characterisation. This project forms part of a wider initiative to recover agricultural waste from the production of argan oil.
The composites under consideration are composed of polypropylene (PP) reinforced with 10, 20 and 30% ANS particles. The products were manufactured using standard plastic transformation processes (extrusion and injection), followed by characterisation to establish the structure-properties relationship and assess quality.
The findings showed that the incorporation of ANS particles facilitated crystal formation, acting as a nucleating agent. However, this addition has the unintended consequence of reducing thermal stability. To address this issue, a study was conducted to analyse the effect of processing parameters and composite formulation on thermal stability using a design of experiments. The findings revealed that the addition of a coupling agent, maleic anhydride, and the extrusion temperature have a significant impact on thermal stability. To analyse the vibration fatigue behaviour of the composites produced, we designed specimens using numerical homogenisation and modal analysis approaches. The results of the numerical homogenisation were validated using tensile tests and analytical models. The modal analysis was used to identify the first resonance frequencies that limit excessive specimen self-heating. Vibration-based bending fatigue tests at the first resonant frequency were conducted on PP without and with 30% ANS. The results, analysed through damage mechanisms, highlighted that the addition of ANS to the PP matrix improves the stiffness and, consequently, the life duration of the composites, but leads to a reduction in the damping rate.
All the results were discussed on the basis of a review of the literature.
Cοrrélatiοn "micrοstructures-traitements thermiques-prοpriétés mécaniques" de pièces en 316L οbtenues par Fabricatiοn Additive(Fusiοn laser sur lit de pοudre).
DIRRENBERGER JUSTIN,
,
CNAM
KELLER CLEMENT,
,
Université de technologie de Tarbes Occitanie Pyrénées
LEFEZ BENOIT,
,
URN - Université de Rouen Normandie
MALARD BENOIT,
,
Inp (Toulouse)
PAREIGE PHILIPPE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
VIEILLE BENOIT,
,
INSA Rouen Normandie
Résumé
Depuis ces dix dernières années, la fabrication additive métallique connait un bon spectaculaire dans divers secteurs industriels. Selon le rapport Wohlers associates Inc. 2020, rien que dans le secteur de la santé et de l’automobile, le taux de croissance de la fabrication additive était compris entre 15% et 25%. Fort de cet intérêt pour la fabrication additive métallique, le Centre de Ressource et Technologique Analyses et Surfaces a initié ces travaux de thèse dans le but de monter en compétences sur cette technologie et apporter une expertise à ses clients.
Ces travaux présentent une étude comparative entre un 316L obtenu par le procédé de fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) et un 316L conventionnel (laminé et recuit). L’accent a été mis sur trois points différents : l’impact du procédé de fabrication, l’influence des traitements thermiques (traitement d’homogénéisation à 1150°C et traitements de revenu à 600°C et 800°C) ainsi qu’un volet simulation numérique. L’influence du procédé de fabrication et des traitements thermiques a été analysé sur la microstructure, les propriétés mécaniques (dureté et traction), ainsi que sur la tenue à la corrosion par piqûre.
L’objectif de la simulation est d’utiliser la modélisation non pas comme un outil de prédiction, mais comme un outil d’aide à la compréhension, susceptible de mettre en évidence des effets qui n’ont pas pu être observés expérimentalement, mais qui pourront l’être en s’appuyant sur de nouvelles analyses expérimentales. Les résultats montrent qu’à l’état de réception, le 316L L-PBF présente des propriétés mécaniques supérieures à ceux du 316L laminé, tout comme une meilleure tenue à la corrosion. Les traitements thermiques entraînent une modification de la microstructure du 316L L-PBF, traduit par une baisse de la tenue mécanique et de la résistance à la corrosion. Néanmoins, l’acier 316L L-PBF traité thermiquement ne présente pas de régression par rapport à la nuance conventionnelle.
Les résultats de simulation numérique ont montré la pertinence du modèle utilisé et la capacité de cette modélisation à rendre compte du caractère anisotrope du matériau L-PBF.
Abstract
In the last ten years, metal additive manufacturing has achieved significant success across various industrial sectors. According to the 2020 Wohlers associates Inc. report, in the healthcare and automotive sectors alone, the growth rate of additive manufacturing ranged between 15% and 25%. In response to this growing interest in metal additive manufacturing, the Centre de Ressource et Technologique Analyses et Surfaces initiated this thesis work to build expertise in this technology and provide valuable support to its customers.
This work presents a comparative study between a 316L stainless steel produced using the Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) process and a conventional 316L (rolled and annealed). The study focuses on three main areas : the impact of the manufacturing process, the influence of thermal treatments (homogenization at 1150°C and tempering at 600°C and 800°C), and a digital simulation component. The effects of the manufacturing process and heat treatments on the microstructure, mechanical properties (hardness and tensile strength), and pitting corrosion resistance were analyzed.
The aim of the simulation was not to use the model as a predictive tool, but as an aid to understanding, helping to highlight phenomena that might not be directly observable experimentally but could be further investigated through new experimental analyses. The results show that in the as-received state, 316L L-PBF has superior mechanical properties compared to 316L rolled material, as well as better corrosion resistance. The thermal treatments modify the microstructure of 316L L-PBF, leading to a decrease in both mechanical strength and corrosion resistance. However, the heat-treated 316L L-PBF does not show any regression compared to the conventional grade.
The digital simulation results demonstrated the relevance of the model used and its ability to account for the anisotropic nature of the L-PBF material.
Etude de la sécurité thermique d'un réacteur chimique : apprοche par cοntrôle de la température
Doctorant·e
ALCANTARA MANZUETA SANTIAGO ELIAS
Direction de thèse
ESTEL LIONEL (Directeur·trice de thèse)
VERNIERES LAMIAE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
19/12/2024 à 09:30
Lieu de la soutenance
INSA Rouen Normandie Bâtiment Darwin Salle DA-R1 02
Rapporteurs de la thèse
CHETEHOUNA KHALED INSA Centre Val de Loire
GABAS NADINE INP ENSIACET, Toulouse
Membres du jurys
CABASSUD MICHEL,
,
INP ENSIACET, Toulouse
CHETEHOUNA KHALED,
,
INSA Centre Val de Loire
ESTEL LIONEL,
,
INSA Rouen Normandie
FARZA Mondher,
,
Université de Caen Normandie
GABAS NADINE,
,
INP ENSIACET, Toulouse
VERNIERES LAMIAE,
,
INSA Rouen Normandie
Résumé
Dans cette thèse, ma contribution se concentre sur le développement d’une méthodologie pour
le contrôle intelligent de la température maximale dans un réacteur tubulaire. Ces expressions
sont dérivées d'un modèle analytique précédemment publié par (Vernières-Hassimi et al., 2016)
et ont été adaptées et simplifiées pour leur application dans ce contexte. La première expression
analytique développée concerne le calcul de la position de la température maximale de réaction,
un paramètre fondamental pour la sécurité dans les réacteurs tubulaires. Cette expression
permet d'analyser le comportement du point chaud à l'intérieur du réacteur et comment sa
position varie en fonction des changements dans les paramètres d'entrée, ce qui facilite une
sélection plus appropriée des configurations opérationnelles. De plus, cette expression s'intègre
avec la formule précédemment développée par (Vernières-Hassimi et al., 2016). La deuxième
expression est le résultat d'une résolution de l'équation originale, par laquelle on calcule la
température de refroidissement du réacteur. Cette expression est particulièrement utile pour
déterminer la température de refroidissement face à des variations des conditions
opérationnelles, fournissant ainsi un outil efficace pour la gestion thermique du système.
Abstract
In this thesis, my contribution focuses on the development of a methodology for intelligent
control of the maximum temperature in a tubular reactor. These expressions are derived from
an analytical model previously published by (Vernières-Hassimi et al., 2016) and have been
adapted and simplified for their application in this context. The first analytical expression
developed concerns the calculation of the position of the maximum reaction temperature, a
fundamental parameter for safety in tubular reactors. This expression allows for the analysis of
the behaviour of the hot spot inside the reactor and how its position varies according to changes
in input parameters, which facilitates a more appropriate selection of operational
configurations. Furthermore, this expression integrates with the formula previously developed
by (Vernières-Hassimi et al., 2016). The second expression results from a resolution of the
original equation, through which the reactor's cooling temperature is calculated. This expression
is particularly useful for determining the cooling temperature in response to variations in
operational conditions, thus providing an effective tool for the thermal management of the
system.
Οrdre magnétique dans des spinelles à prοpriétés thermοélectriques
Doctorant·e
CHOKER Eva
Direction de thèse
JURASZEK JEAN (Directeur·trice de thèse)
FNIDIKI ABDESLEM (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
19/12/2024 à 10:30
Lieu de la soutenance
Salle de séminaire 2.26 Laboratoire GPM
Rapporteurs de la thèse
AMMAR-MERAH SOUAD Université Paris Cité
YAACOUB NADER UNIVERSITE LE MANS
Membres du jurys
AMMAR-MERAH SOUAD,
,
Université Paris Cité
EL MARSSI MIMOUN,
,
UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
FNIDIKI ABDESLEM,
,
URN - Université de Rouen Normandie
HEBERT SYLVIE,
,
UCN - Université de Caen Normandie
JURASZEK JEAN,
,
URN - Université de Rouen Normandie
YAACOUB NADER,
,
UNIVERSITE LE MANS
Résumé
Ce travail de thèse porte sur l’étude de matériaux spinelles à base de sulfures de fer et de chrome, de type FeCr₂S₄. L’objectif principal est d’étudier les effets de substitutions cationiques de Fe par Cu et de Cr par V, sur les propriétés structurales et magnétiques. La spectrométrie Mössbauer du ⁵⁷Fe a notamment été utilisée comme sonde locale de l’environnement chimique et magnétique du fer. Pour le spinelle cubique FeCr₂S₄ ferrimagnétique, le fer occupe principalement les sites tétraédriques sous la forme d’ions Fe²⁺. Un effet quadripolaire induit par le couplage spin-orbite a été observé en dessous de la température de Curie de 176 K, accompagné d’une diminution du champ hyperfin moyen en dessous de 80 K, signature d’une transition vers une phase magnétique hélicoïdale. Le composé Fe₀.₅Cu₀.₅Cr₂S₄ présente une valence mixte du fer sur les sites tétraédriques et un moment magnétique plus élevé lié à la présence d’ions Fe³⁺ majoritaires par rapport aux ions Fe²⁺. La température de transition magnétique au-dessus de l’ambiante (Tc = 330 K) rend le matériau intéressant pour des applications magnétocaloriques, même si les valeurs de la variation maximale d’entropie magnétique et du pouvoir de refroidissement relatif sous 5 T sont inférieures à celles de FeCr₂S₄. Le comportement antiferromagnétique du spinelle FeV₂S₄ de structure monoclinique est confirmé avec une température de Néel de 133 K. Une distribution cationique des ions Fe²⁺ a été quantifiée sur les deux sites intercalés entre des couches compactes hexagonales de soufre, avec un champ hyperfin moyen plus élevé dans les couches déficientes en métal. L’échantillon FeVCrS₄ présente une structure principalement monoclinique avec une phase cubique minoritaire de type FeCr₂S₄. L’analyse Mössbauer montre qu’environ 20 % des ions fer appartiennent à cette phase cubique, responsable du ferrimagnétisme observé. Les propriétés magnétocaloriques inférieures à celles de FeCr₂S₄ monophasé confirment que ce dernier demeure le composé le plus prometteur pour les applications magnétocaloriques.
Abstract
This thesis focuses on the study of spinel materials based on iron and chromium sulfides, such as FeCr₂S₄. The main objective is to investigate the effects of cationic substitutions of Fe by Cu and Cr by V on the structural and magnetic properties. ⁵⁷Fe Mössbauer spectroscopy was used as a local probe of the chemical and magnetic environment of iron. For the cubic spinel FeCr₂S₄, which is ferrimagnetic, iron is primarily located on tetrahedral sites in the form of Fe²⁺ ions. A quadrupole effect induced by spin-orbit coupling was observed at temperatures below the Curie temperature of 176 K, accompanied by a decrease in the mean hyperfine field below 80 K, indicating a transition to a helical magnetic state. The compound Fe₀.₅Cu₀.₅Cr₂S₄ exhibits a mixed valence of iron on tetrahedral sites, with a higher magnetic moment due to the presence of Fe³⁺ ions in addition to Fe²⁺ ions. Its transition temperature above room temperature (Tc = 330 K) makes it a promising candidate for magnetocaloric applications, although its maximum magnetic entropy variation and relative cooling power values under 5 T are lower than those of FeCr₂S₄. The antiferromagnetic behavior of the monoclinic spinel FeV₂S₄ is confirmed with a Néel temperature of 133 K. In this material, a cationic distribution of Fe²⁺ ions was quantified on the two sites intercalated between hexagonal compact sulfur layers, with a higher mean hyperfine field observed in the metal-deficient layers. The sample FeVCrS₄ predominantly exhibits a monoclinic structure with a minor cubic phase similar to FeCr₂S₄. Mössbauer analysis indicates that approximately 20% of iron ions belong to this cubic phase, which is responsible for the observed ferrimagnetic behavior. The magnetocaloric properties of FeVCrS₄ are inferior to those of the compound single-phase FeCr₂S₄, confirming that the latter remains the most promising compound for magnetocaloric applications.
Ιnfluences du vieillissement hydrique sur les évοlutiοns du cοmpοrtement mécanique des structures sandwich utilisées pοur les pâles d'éοlienne en milieu marin (EΜR)
Doctorant·e
BA El Hadji Amadou
Direction de thèse
VIVET Alexandre (Directeur·trice de thèse)
GEHRING Florian (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
19/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Iut Alencon montfoulon 61250 Damigny
Rapporteurs de la thèse
BOUVET CHRISTOPHE ISAE-SUPAERO
EL MAHI ABDERRAHIM UNIVERSITE LE MANS
Membres du jurys
ABIDA Marwa,
Maître de conférences,
Université de Lorraine
BOUVET CHRISTOPHE,
,
ISAE-SUPAERO
ECH-CHERIF EL KETTANI MOUNSIF,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
EL MAHI ABDERRAHIM,
,
UNIVERSITE LE MANS
GEHRING Florian,
Maître de conférences,
UCN - Université de Caen Normandie
VIVET Alexandre,
,
UCN - Université de Caen Normandie
Résumé
En 2020, en France, la Stratégie Nationale Bas Carbone a été mise en place afin d’atteindre le bilan
carbone neutre en 2050. Le projet COSPHI, collaboratif entre les laboratoires CIMAP (Université Caen
Normandie) et LOMC (Université du Havre) et financé par le LabEX EMC3, a pour objectif de proposer
un outil de mesure in-situ de la santé matière d’une pâle d’éolienne off-shore pour optimiser sa durée de
vie. Ce projet est une collaboration entre les laboratoires CIMAP (Université Caen Normandie) et LOMC
(Université du Havre). Ma thèse porte sur l’influence du vieillissement hydrique et des impacts mécaniques
sur l’endommagement et le comportement mécanique résiduel de structures sandwich utilisées pour la
fabrication de pâles d’éoliennes off-shore. Des échantillons sont complètement immergés dans de l’eau de
mer à 40°C avec ou sans impact mécanique. Des essais de flexion avec un suivi des endommagements par
émission acoustique permettent de mesurer le comportement mécanique en fonction de l’histoire du matériau.
La classification des salves acoustiques a confirmé la présence de 5 mécanismes d’endommagement :
fissuration matricielle, décohésion fibre/matrice, peau/âme et délaminage pli/pli et rupture de fibres. Les
évolutions des signatures acoustiques permettent de distinguer 3 phases de vieillissement. La première,
absorption d’eau durant les 16 premières semaines, est marquée par une augmentation des descripteurs
des salves acoustiques, principalement l’amplitude sonore, probablement à cause de la présence d’eau
dans les éprouvettes. Durant la deuxième phase s’étalant de 16 à 60 semaines, avec un taux hydrique
stabilisé, la réduction progressive des valeurs des descripteurs acoustiques traduit une altération des interfaces.
La phase de dégradation, à partir de 60 semaines d’immersion, associée à une hausse brusque
des descripteurs montre que la détérioration touche le volume de la structure en plus des interfaces. Sur
le plan macroscopique, au fur et à mesure du vieillissement hydrique, la tenue mécanique en flexion de la
structure sandwich connaît une baisse continue et non-linéaire jusqu’à atteindre une probabilité de ruine
accrue pour des niveaux de chargement faible. Un impact mécanique à 13,2 Joules, suffisant pour générer
un endommagement localisé mais non critique, accélère cependant de manière notable la propagation
des endommagements en créant autour de la zone impactée des amorces. Combiné à un vieillissement
hydrique avancé un impact en service peut devenir un incident critique.
Abstract
In 2020, in France, the National Low Carbon Strategy was implemented to achieve a neutral carbon
footprint by 2050. The COSPHI project, a collaboration between the CIMAP (Université Caen Normandie)
and LOMC (Université du Havre) laboratories and financed by LabEX EMC3, aims to propose
an in-situ measurement tool of the material health of an offshore wind turbine blade to optimize its
lifespan. My thesis focuses on the influence of water aging and mechanical impacts on the damage and
residual mechanical behavior of sandwich structures used for the manufacture of offshore wind turbine
blades. Samples are immersed in seawater at 40°C with or without mechanical impact. Bending tests
with damage monitoring by acoustic emission allow to measure the mechanical behavior according to the
material history. The classification of acoustic waves confirmed the presence of 5 damage mechanisms :
matrix cracking, fiber/matrix decohesion, internal skin and skin/core delamination, fiber breakage. The
changes in acoustic signatures allow to distinguish 3 aging phases. The first, water absorption phase
during the first 16 weeks, is marked by an increase in the acoustic wave descriptors, mainly the sound
amplitude, probably because of water in the specimens. During the second phase extending from 16 to 60
weeks, with a stabilized water content, the progressive reduction in the values of the acoustic descriptors
reflects an alteration of the interfaces. The degradation phase, from 60 weeks of immersion, with a sudden
increase in the descriptors shows that the deterioration affects the volume of the structure in addition
to the interfaces. On the macroscopic level, as the water ageing progresses, the mechanical resistance of
the sandwich structure decreases continuously and non-linearly until reaching an failure for low loading
levels. A mechanical impact at 13.2 Joules, sufficient to generate localized but non-critical damage, nevertheless
significantly accelerates the propagation of damage by creating incipients around the impacted
area. Combined with advanced water ageing, an impact in service can become a critical incident.
Ρremières mesures de sectiοn efficace (n,alpha) avec le détecteur SCALΡ
Doctorant·e
CHEVALIER Aurelien
Direction de thèse
LECOUEY Jean-Luc (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
19/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen - 6 Boulevard Maréchal Juin 14032 Caen
Rapporteurs de la thèse
DESSAGNE PHILIPPE Institut Hubert Curien
HADDAD FERID Nantes Université
Membres du jurys
BLIDEANU VALENTIN,
,
Université Paris Saclay
DESSAGNE PHILIPPE,
,
Institut Hubert Curien
HADDAD FERID,
,
Nantes Université
LECOLLEY Francois-Rene,
Maître de conférences,
UCN - Université de Caen Normandie
LECOUEY Jean-Luc,
Maître de conférences,
ENSICAEN
MANDUCI Loredana,
,
EAMEA
Résumé
Des données nucléaires fiables sont essentielles pour un large éventail d'applications, incluant l'industrie nucléaire. Les réacteurs à sels fondus sont des types de réacteurs utilisant un combustible nucléaire mélangé le plus souvent à un sel fluoré. Peu de mesures ont été effectuées sur la section efficace de la réaction 19F(n,α)16N et les écarts entre les mesures et les évaluations peuvent aller jusqu'à un facteur 3 à certaines énergies. L'incertitude sur la section efficace de cette réaction conduit à des incertitudes importantes sur les paramètres des réacteurs à sels fondus notamment sur le facteur de multiplication effectif. Pour mener à bien de nouvelles mesures de section efficace (n,α) sur des noyaux légers d'intérêt, le Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen a mis au point un nouveau dispositif, le détecteur SCALP. Ce dispositif utilise une chambre d'ionisation pour la mesure en énergie déposée et quatre photomultiplicateurs pour, à partir de la scintillation, déterminer le temps du vol (et donc l'énergie des neutrons) auprès d'installations délivrant un faisceau pulsé. Ainsi, le dispositif SCALP est capable à l'aide de la mesure en coïncidence de l'énergie déposée et de l'énergie cinétique des neutrons incidents d'identifier les voies de réaction (n,α) et de mesurer la section efficace des réactions (n,α) d'intérêt. La toute première expérience avec SCALP a été effectuée auprès de NFS, la ligne neutron de GANIL-SPIRAL2 à Caen. Ce travail de thèse porte sur l'analyse des données expérimentales ainsi que sur une simulation Monte-Carlo complète de l'expérience réalisée. Les résultats de section efficace de la réaction 19F(n,α)16N mesurées avec le détecteur SCALP confirment des structures observées dans des expériences précédentes et dans les évaluations. De plus, SCALP a permis la toute première observation de structures dans certaines gammes d'énergie neutron. Cependant, les résultats obtenus souffrent d'une grande incertitude systématique à cause des incohérences entre les méthodes de détermination de l'intensité du faisceau de neutrons.
Abstract
Reliable nuclear data are essential for a wide range of applications, including the nuclear industry. Molten-salt reactors are types of reactor using a nuclear fuel mixed most often with a fluorinated salt. Few measurements have been made of the cross-section of the 19F(n,α)16N reaction, and discrepancies between measurements and evaluations can be up to a factor of 3 at certain energies. Uncertainty in the cross-section of this reaction leads to significant uncertainties in molten-salt reactor parameters, particularly in the effective multiplication factor. To carry out new cross-section (n,α) measurements on light nuclei of interest, the LPC Caen has developed a new detector, the SCALP detector. This detector uses an ionization chamber to measure deposited energy and four photomultipliers to determine the time of flight (and therefore neutron energy) from scintillation at facilities delivering a pulsed beam. By coincidentally measuring the deposited energy and kinetic energy of incident neutrons, the SCALP device is able to identify the (n,α) reactions and measure thecross-section of the (n,α) reactions of interest. The first experiment with SCALP was carried out at NFS, the neutron line at GANIL-SPIRAL2 in Caen. This thesis work covers the analysis of experimental data as well as a complete Monte-Carlo simulation of the experiment carried out. The cross-section results of the 19F(n,α)16N reaction measured with the SCALP detector confirm structures observed in previous experiments and evaluations. In addition, SCALP has enabled the first-ever observation of structures in certain neutron energy ranges. However, the results obtained suffer from a large systematic uncertainty due to inconsistencies between methods for determining neutron beam intensity.
Μοdélisatiοn atοmistique de la transfοrmatiοn de phase austénite-ferrite dans les aciers
Doctorant·e
BORGES GOMES LIMA Yuri
Direction de thèse
LEDUE DENIS (Directeur·trice de thèse)
ZAPOLSKY HELENA (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
19/12/2024 à 09:30
Lieu de la soutenance
Université de Rouen, Groupe de Physique de matériaux, salle de conférence
Rapporteurs de la thèse
POLITANO OLIVIER Universite Bourgogne Europe
THUINET LUDOVIC Universite de Lille
Membres du jurys
DEMANGE GILLES,
,
URN - Université de Rouen Normandie
LEDUE DENIS,
,
URN - Université de Rouen Normandie
MOTTET CHRISTINE,
,
Aix-Marseille université
POLITANO OLIVIER,
,
Universite Bourgogne Europe
THUINET LUDOVIC,
,
Universite de Lille
VARVENNE CELINE,
,
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
ZAPOLSKY HELENA,
,
URN - Université de Rouen Normandie
Résumé
Cette thèse applique l'approche des Quasiparticles (QA) pour étudier les mécanismes à l'échelle atomique qui conduisent à la transformation de phase CFC à CC dans le fer. Dans un premier temps, cette étude se concentre sur le fer pur, fournissant des résulats détaillés sur la nature et le rôle des dislocations à l'interface CFC-CC. Il a été montré que l'interface CFC-CC est semi-cohérente, avec des marches, et contient deux réseaux de dislocations de transformations. L'approche des Quasiparticles a permis de révéler l'influence de la relation d'orientation sur les caractéristiques de l'interface. Bien que les relations d'orientation étudiées ont montré diférentes structures d'interface, il a été démontré que toutes suivent le même chemin de transformation atomique, dû au glissement des dislocations de transformation à l'interface. Il a été conclu que la transformation complète de CFC à CC implique le mécanisme de transformation de Kurdjumov-Sachs (KS) en deux variantes le long des lignes de dislocations, avec le mécanisme de transformation de Kurdjumov-Sachs-Nishiyama (KSN) qui émerge comme la moyenne de l'action des deux mécanismes KS. Cette description détaillée a servi de base pour l'étude des systèmes Fe-C, où la ségrégation du carbone à l'interface a été observée. De plus, il a été montré que les profils de concentration de carbone sont cohérents avec des conditions d'équilibre local à l'interface.
Abstract
This thesis applies the Quasiparticle Approach (QA) to investigate the atomic scale mechanisms driving the phase transformation from FCC to BCC structures in iron. Initially, the study focuses on pure iron, providing detailed results into the nature and role of dislocations, at the FCC-BCC interface. It was shown that the FCC-BCC interface is semi-coherent and stepped, with two sets of transformations dislocations at the interface. The QA framework reveals how each orientation relationship (OR) influences the interface characteristics. Although the ORs displayed different interface structures, all were ultimately found to follow the same atomic transformation path, driven by the glide of transformation dislocations at the interface. It was concluded that the complete FCC to BCC phase transformation involves the action of the Kurdjumov-Sachs (KS) transformation mechanism in two variants along the two sets of dislocations, with the Kurdjumov-Sachs-Nishiyama (KSN) mechanism emerging as the average of the two KS mechanisms. This detailed description served as a basis for the study of Fe-C systems, where carbon segregation at the interface was observed. Moreover, it was shown that the carbon concentration profiles were consistent with local equilibrium conditions at the interface.
Experimental investigatiοn οf innοvative Lοw ΝΟx / lοw sοοt injectiοn systems fοr spinning cοmbustiοn technοlοgy using advanced laser diagnοstics
Doctorant·e
MILEA ANDREI-SILVIU
Direction de thèse
GRISCH FREDERIC (Directeur·trice de thèse)
CABOT GILLES (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
675, avenue de l’Université - BP 12, 76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY CEDEX
Rapporteurs de la thèse
ANDREINI ANTONIO University of Florence, Italie
BELLENOUE MARC Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique ISAE-ENSMA
Membres du jurys
ANDREINI ANTONIO,
,
University of Florence, Italie
BEHRENDT THOMAS,
,
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Allemagne
BELLENOUE MARC,
,
Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique ISAE-ENSMA
CABOT GILLES,
,
URN - Université de Rouen Normandie
CUENOT BENEDICTE,
,
Safran Aircraft Engines
GRISCH FREDERIC,
,
INSA Rouen Normandie
MOUREAU VINCENT,
,
INSA Rouen Normandie
RICHARD STÉPHANE,
,
Safran Helicopter Engines
Résumé
Les effets anthropogéniques sur l’environnement posent un défi majeur pour l’industrie aéronautique. Des réglementations de plus en plus strictes et la nécessité de rendre le transport aérien durable orientent les recherches actuelles vers des systèmes propulsifs innovants. Dans ce contexte, Safran Helicopter Engines développe sa technologie brevetée de combustion giratoire (SCT), visant à améliorer les performances des moteurs d’hélicoptères. Déjà implémentée sur le moteur Arrano, cette technologie est davantage optimisée pour réduire significativement les émissions de NOx et de suies. Dans le cadre du programme européen LOOPS, deux nouveaux systèmes d’injection de carburant sont étudiés : l’un conçu pour un régime riche dans une chambre RQL, et l’autre pour une combustion pauvre. Cette thèse évalue expérimentalement ces systèmes à l’aide de diagnostics laser avancés, adaptés aux environnements réactifs à haute pression. Le banc HERON, développé au CORIA, permet d’analyser leurs performances de combustion et évaluer les émissions dans des conditions représentatives des moteurs d’hélicoptères : pressions de 8 à 14 bar, températures d’entrée d’air de 570 à 750 K, et richesses de 0,6 à 1,67. Des diagrammes de stabilité de flamme sont établis, suivis d’analyses des propriétés du spray liquide par PDPA (Phase Doppler Particle Anemometry). Les champs aérodynamiques sont mesurés en conditions réactive et non-réactive par PIV (Particle Imaging Velocimetry) ultra-rapide à 10 kHz. La structure des flammes est caractérisée par PLIF-OH, tandis que la PLIF-kérosène permet d’étudier l’évaporation du carburant en détectant les mono- et di- aromatiques. Les diagnostics couplés simultanément PLIF-NO, PLIF-OH et PLIF-kérosène corrèlent les structures des flammes, les distributions des phases liquide et vapeur, et les zones de formation de NO. De même manière, la PLII (Planar Laser-Induced Incandescence) couplé avec PLIF-OH, PLIF-kérosène permets d’analyser les mécanismes de formation et d’oxydation des suies. Des méthodes spécifiques déterminent des distributions 2D des concentrations de NO, OH et des fractions volumiques de suies. Les résultats montrent une flamme asymétrique pour l’injecteur riche, avec une efficacité de combustion élevé dans la partie supérieure grâce à une injection liquide augmenté localement. Malgré des richesses élevées, les niveaux de suies restent modérés, tandis que le NO se forme principalement près de la flamme, confirmant le mécanisme thermique de Zeldovich. L’injecteur en régime pauvre présente une structure de flamme typique des flammes swirlées stratifiées, malgré la légère asymétrique. Une meilleure évaporation du carburant y favorise une combustion plus efficace, réduisant la longueur de flamme et les NO, grâce à des températures de flamme plus basses. Cependant, des niveaux modérés de suies sont également observés malgré le régime pauvre. Les conditions opératoires influencent fortement les performances. À haute pression, l’atomisation du spray est accélérée, l’angle d’expansion du spray augmente, et les zones de recirculation interne sont renforcées, modifiant la structure des flammes. L’augmentation des émissions de suies par la haute pression est observée pour l’injecteur en régime riche, gardant une richesse constante sur l’ensemble des conditions testées, tandis que les niveaux de NO restent stables. Pour l’injecteur en régime pauvre, les conditions réactives avec une richesse minimale à haute pression atténuent les effets de la pression, stabilisant la production de suies tout en réduisant les concentrations de NO. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des deux systèmes d’injection pour optimiser les performances tout en réduisant les émissions des futurs moteurs d’hélicoptères.
Abstract
Anthropogenic effects on the environment present a major challenge for the aeronautical industry. Increasingly stringent pollution regulations and the necessity for sustainable air transport are driving the nowadays research toward innovative propulsion systems. In this context, Safran Helicopter Engines is advancing its patented Spinning Combustion Technology (SCT), aimed at improving helicopter engine performance. Already implemented in the Arrano engine, SCT is now being refined to significantly reduce NOx and soot emissions. As part of the European LOOPS program, two novel fuel injection systems are under investigation: one operating in a rich combustion regime tailored for an RQL combustion chamber and the other designed for lean combustion. The scientific activity of this thesis focuses on the experimental characterization of these injection systems using state-of-the-art laser diagnostics optimized for high-pressure reactive environments. The HERON combustion facility at CORIA enables the analysis of combustion and pollutant performance under conditions representative of helicopter engines, with pressures from 8 to 14 bar, air inlet temperatures from 570 to 750 K, and equivalence ratios ranging from 0.6 to 1.67. Initial flame stability maps are established, followed by in-depth analyses of liquid spray properties using Phase Doppler Particle Anemometry (PDPA). High-speed Particle Imaging Velocimetry (PIV) captures aerodynamic fields under reactive and non-reactive conditions at 10 kHz. Flame structures are examined via OH-PLIF fluorescence imaging, while kerosene-PLIF evaluates liquid and vapor fuel distributions, particularly probing aromatic components in Jet A-1 kerosene. Furthermore, NO-PLIF imaging, combined with OH-PLIF and kerosene-PLIF, enables spatial correlations between flame structure, fuel distribution, and NO production zones. Soot formation and oxidation mechanisms are explored through Planar Laser-Induced Incandescence Imaging (PLII), integrated with OH-PLIF and kerosene-PLIF. Specific methods are developed to obtain 2D distributions of quantitative concentrations of NO, OH and soot volume fraction. Results reveal that the rich-burn injector produces an asymmetrical flame with enhanced upper-zone combustion efficiency due to locally intensified liquid fuel injection. Moderate soot levels are observed despite high equivalence ratios, while localized NO production, primarily near the flame, is attributed to the Zeldovich thermal mechanism. Conversely, the lean-burn injector forms a flame structure characteristic of stratified swirl flames, despite the minor asymmetry. Improved fuel evaporation leads to higher combustion efficiency, shorter flame lengths, and a reduction in NO formation, attributed to lower flame temperatures. In spite of the lean combustion conditions, moderate soot levels are measured for the second injector. Operating conditions strongly influence performance. Higher pressures accelerate spray atomization, increase spray expansion angles, and strengthen internal recirculation zones, reshaping flame structures. The increase in soot production at higher pressure is particularly demonstrated by the rich-burn injector due to constant equivalence ratios across all test conditions, while NO levels remain stable. For the lean-burn injector, leaner operation at elevated pressures moderates pressure effects, maintaining consistent soot levels and reducing NO concentrations. These findings highlight the potential of both injection systems for optimizing performance and reducing emissions in future helicopter engines.
Simulatiοn et analyse de l'interactiοn entre une flamme hydrοgène/air et un chοc incident
Doctorant·e
YHUEL EMILIE
Direction de thèse
DOMINGO PASCALE (Directeur·trice de thèse)
RIBERT GUILLAUME (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
CORIA
Rapporteurs de la thèse
CHINNAYYA ASHWIN ENSMA
TENAUD CHRISTIAN Centralesupelec
La transition énergétique implique le développement de la filière hydrogène pour décarboner le transport et le sto- ckage d’énergie. Toutefois, les propriétés de l’hydrogène compliquent son stockage et son transport comparé aux hydrocarbures, et sa sensibilité aux explosions représente un défi majeur en matière de sûreté. Pour mieux com- prendre et maîtriser son comportement, des expériences et simulations numériques sont indispensables, utilisant des méthodes spécifiques pour capturer ces phénomènes complexes. Dans ce manuscrit, le code SiTCom-B a été employé pour simuler l’interaction d’une flamme hydrogène-air avec un choc incident (FSI), en vue de reproduire les résultats expérimentaux du laboratoire ICARE. Une première étude 2D dans un demi-canal (h/2 = 3.5 cm) a été menée pour analyser l’effet des conditions thermiques des parois et des modèles de diffusion. Un allumage plan avec chimie détaillée est simulé, aboutissant à la formation d’une flamme "tulipe". Un choc incident à Mach Ms = 1.4 ou 1.9 interagit ensuite avec la flamme. Les phénomènes observés dans la littérature sont reproduits : des instabilités apparaissent sur le front de flamme et aux parois, et une couche limite réactive se développe après la deuxième FSI. Des parois isothermes (300 K) et une chimie complexe sont conservées pour la suite des simu- lations. Dans un second temps, une étude paramétrique est réalisée en utilisant les dimensions exactes du canal expérimental (h = 4.5 cm, l = 2.1 cm). Deux types d’allumage (sphérique et plan) sont étudiés, conduisant à des flammes "doigt-de-gant" ou "tulipe". L’effet Soret est analysé et s’est avéré non-négligeable lors de la propagation de flamme d’hydrogène, tout comme l’impact de la gravité qui désymétrise la flamme et influence la FSI. Deux nombres de Mach sont considérés : Ms = 1.9 et 2.4. Une première étude 1D montre un auto-allumage suivi d’une détonation (DDT) pour Ms = 2.4, observée ensuite en 2D et 3D, mais plus tôt à cause des réflexions d’ondes de pression sur les parois latérales. Seule la simulation 3D permet de reproduire avec fidélité l’effet de ces réflexions. Pour Ms = 1.9, les simulations 2D révèlent une focalisation de choc et une accélération de la flamme, influen- cées par l’asymétrie initiale de celle-ci. Enfin, la FSI expérimentale d’une flamme en doigt-de-gant avec un choc à Ms = 1.9 est simulée en 3D, intégrant les observations précédentes. La vitesse de propagation et la courbure de la flamme sont reproduites avec précision. Les schlieren numériques correspondent également bien aux schlieren expérimentaux, validant ainsi les hypothèses de modélisation.
Abstract
The energy transition implies the development of the hydrogen sector to decarbonize energy transport and storage. However, hydrogen’s properties make it more difficult to store and transport than hydrocarbons, and its sensitivity to explosions represents a major safety challenge. To better understand and control its behavior, experiments and numerical simulations are essential, using specific methods to capture these complex phenomena. In this manus- cript, the SiTCom-B code is used to simulate the interaction of a hydrogen-air flame with an incident shock (FSI), with the aim to reproduce experimental results from the ICARE laboratory. An initial 2D study in a half-channel (h/2 = 3.5 cm) has been carried out to analyze the effect of walls and diffusion models. A planar ignition with detailed chemistry is simulated, resulting in the formation of a “tulip” flame. An incident shock at Mach Ms = 1.4 or 1.9 then interacts with the flame. The phenomena observed in the literature are reproduced : instabilities ap- pear on the flame front and at the walls, and a reactive boundary layer develops after the second FSI. Isothermal walls (300 K) and complex transport are retained for further simulations. In a second stage, a parametric study is carried out using the exact dimensions of the experimental channel (h = 4.5 cm, l = 2.1 cm). Two ignition types (spherical and planar) are studied, leading to “finger-glove” or “tulip” flames. The Soret effect is analyzed and is shown to be non-negligible during hydrogen flame propagation, as well as the gravity that de-symmetrizes the flame and influences the FSI. Two Mach numbers are considered : Ms = 1.9 and 2.4. An initial 1D study shows auto-ignition followed by detonation (DDT) for Ms = 2.4, then observed in 2D and 3D, but earlier due to pressure wave reflections on side walls. Only 3D simulations allows for capturing these reflections with exactitude. For Ms = 1.9, the 2D simulations reveal shock focusing and flame acceleration, influenced by the flame’s initial asymmetry. Finally, the experimental FSI of a finger-glove flame with a shock at Ms = 1.9 is simulated in 3D, incorporating the previous observations. Flame propagation velocity and curvature are accurately reproduced. The numerical schlieren also correspond well to the experimental schlieren, validating the modeling assumptions.
Characterisatiοn οf viscοelastic films οn substrate by acοustic micrοscοpy. Direct and inverse prοblems.
Doctorant·e
MANOOCHEHRNIA Pooyan
Direction de thèse
ECH-CHERIF EL KETTANI MOUNSIF (Directeur·trice de thèse)
MARECHAL PIERRE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
Amphi Prony
Rapporteurs de la thèse
CHEHAMI LYNDA UNIVERSITE POLYTECHNIQUE HAUTS DE FRANCE
LE CLEZIO EMMANUEL UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
Membres du jurys
ARCINIEGAS MOSQUERA ANDRES,
,
CERGY PARIS UNIVERSITE
CERTON DOMINIQUE,
,
Universite de Tours
CHEHAMI LYNDA,
,
UNIVERSITE POLYTECHNIQUE HAUTS DE FRANCE
ECH-CHERIF EL KETTANI MOUNSIF,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
LE CLEZIO EMMANUEL,
,
UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
LEDUC DAMIEN,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
MARECHAL PIERRE,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
SALAUN ANNE-CLAIRE,
,
UNIVERSITE RENNES 1
Résumé
Dans le cadre de cette thèse de doctorat, la caractérisation des films épais et minces déposés sur un substrat a été réalisée à l'aide de la microscopie acoustique via des algorithmes de résolution de problèmes directs et inverses. La méthode de Strohm est utilisée pour la résolution directe des problèmes, tandis qu'une variété de modèles mathématiques comprenant le modèle de la série de Debye (DSM), le modèle de la ligne de transmission (TLM) et la méthode spectrale utilisant le modèle de la rapport entre les réflexions multiples (MRM) ont été utilisés pour résoudre les problèmes inverses. Une application spécifique de la microscopie acoustique a été utilisée, consistant à monter des transducteurs à ondes planes à haute fréquence (50 MHz et 200 MHz) au lieu d'utiliser les transducteurs à focalisation traditionnels utilisés pour l'imagerie acoustique, ainsi qu'à utiliser le A-Scan à ondes complètes, qui pourrait être étendu à l'analyse en vrac des A-Scan consécutifs. Les modèles ont été validés expérimentalement par un film épais en époxy-résine d'une épaisseur d'environ 100μm et un film mince en vernis d'environ 8μm. Les paramètres caractérisés comprennent des paramètres mécaniques (par exemple la densité et l'épaisseur) ainsi que des paramètres viscoélastiques (par exemple la vitesse longitudinale acoustique et l'atténuation acoustique) et parfois le déphasage du transducteur.
Abstract
In the framework of this PhD thesis, the characterisation of the thick and thin films deposited on a
substrate has been done using acoustic microscopy via direct and inverse problem-solving algorithms.
Namely the Strohm’s method is used for direct problem-solving while a variety of mathematical models
including Debye series model (DSM), transmission line model (TLM) and spectral method using ratio
between multiple reflections model (MRM) have been used to solve inverse-problem. A specific
application of acoustic microscopy has been used consisting of mounting the plane-wave high frequency
(50 MHz and 200MHz) transducers instead of use of the traditional focus transducers used for acoustic
imaging as well as using full-wave A-scan which could be well extended to bulk analysis of consecutive
scans. Models have been validated experimentally by a thick film made of epoxy-resin with thickness
of about 100μm and a thin film made of polish of about 8μm. The characterised parameters include
mechanical parameters (e.g. density and thickness) as well as viscoelastic parameters (e.g. acoustic
longitudinal velocity and acoustic attenuation) and occasionally transducer phase-shift.
Sοurces paramétriques fibrées pοmpées par impulsiοns à fοrte dérive de fréquence : Ρerfοrmances et dynamique.
Doctorant·e
GUEZENNEC Tristan
Direction de thèse
HIDEUR AMMAR (Directeur·trice de thèse)
GODIN THOMAS (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Sale de conférence du CORIA, Université de Rouen - Site Universitaire du Madrillet 675, avenue de l’Université - BP 12 76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY CEDEX
Rapporteurs de la thèse
HANNA MARC Institut Superieur d'Optique
SYLVESTRE THIBAUT Université Besançon Franche Comté
L'utilisation de la spectroscopie Raman cohérente dans divers domaines scientifiques a motivé la conception de sources optiques multi-longueur d'onde. Dans ce contexte, le développement d'amplificateurs paramétriques fibrés à dérive de fréquence (FOPCPAs), puis d'oscillateurs paramétriques fibrés à dérive de fréquence (FOPCPOs) a permis la génération d'impulsions ultra-courtes, énergétiques et accordables. Ces travaux de thèse portent sur l'étude de FOPCPOs suivant deux axes principaux : la montée en énergie de ces sources, avec ici une production d'impulsions portant plus de 1 µJ à cadence élevée, et l'étude de la dynamique de ces sources. Une comparaison avec un FOPCPA démontre ainsi l'intérêt des FOPCPOs, générant un train d'impulsions moins bruité qu'un FOPCPA équivalent. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à l'intégration de ces sources, permettant d'envisager l'utilisation de ces sources hors du laboratoire, mais aussi au développement de nouvelles méthodes de spectroscopie Raman de part la grande diversité de régimes qu'il est possible d'obtenir à partir de ces architectures.
Abstract
The use of coherent Raman spectroscopy in various scientific fields has led to the design of multi-wavelength optical sources. In this context, the development of fiber optical parametric chirped-pulse amplifiers (FOPCPAs), the fiber optical parametric chirped-pulse oscillators (FOPCPOs), has enabled the generation of ultrafast, energetic and tunable pulses. This thesis work focuses on the study of FOPCPOs along two main axes: the energy scaling of these sources, with here the production of pulses carrying more than 1 µJ at high repetition rate, and the study of the dynamics of these sources. A comparison with a FOPCPA demonstrates the benefits of FOPCPOs, which tend to generate a less noisy pulse train than an equivalent FOPCPA. This work pavs the way for the integration of these sources, enabling them to be used outside of the laboratory, and also for the development of new Raman spectroscopy methods, thnaks to the wide range of regimes that can be obtained from these architectures
Recycling οf ΝdFeB magnets: densificatiοn study by spark plasma sintering
Doctorant·e
THONIKUZHIYIL Jefry Samson
Direction de thèse
NOUDEM Jacques (Directeur·trice de thèse)
BERNSTEIN Pierre (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
Large meeting room, CRISMAT (Building-G), Ensicaen
Rapporteurs de la thèse
BESSAIS LOTFI UNIVERSITE PARIS 12 VAL DE MARNE
KOBE SPOMENKA Institut Jozef Stefan
Membres du jurys
BERNSTEIN Pierre,
Professeur émérite,
UCN - Université de Caen Normandie
BESSAIS LOTFI,
,
UNIVERSITE PARIS 12 VAL DE MARNE
KOBE SPOMENKA,
,
Institut Jozef Stefan
LE BRETON JEAN-MARIE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
NOUDEM Jacques,
,
UCN - Université de Caen Normandie
RIVOIRARD SOPHIE,
Directeur,
MagREEsource
SCHOENSTEIN FRÉDÉRIC,
,
UNIVERSITE PARIS 13 PARIS-NORD
Résumé
La communauté scientifique s'est concentrée sur les aimants permanents ces dernières années pour chercher des solutions crise des terres rares. Un grand volume d'aimants permanents contentant des terres rares, après utilisation, se retrouve en Déchets d'Équipements Électriques et Électroniques, qui peuvent être traités comme des ressources secondaires d'aimants permanents car fort potentiel de recyclage . Dans ce contexte, nous avons étudié deux méthodes de recyclage. Celle-ci se fait en deux étapes: la réduction en poudre des aimants puis le frittage de cette poudre pour reconstituer des aimants utilisables. Nous avons travaillé avec des poudres produites par deux techniques différentes: la synthèse solvo-thermale avec de l'éthanol et la décrépitation à l'hydrogène. Pour la synthèse solvo-thermale, les paramètres de traitement optimaux comprenaient 15 ml d'éthanol, 30 minutes de temps de réaction et une température de 100°C. La poudre recyclée résultante a montré une coercivité de 636,6 kA/m et une rémanence de 0,76 T. Le frittage par Spark Plasma Sintering (SPS) de cette poudre recyclée a permis d'obtenir à une densité relative de 96,2 % avec une coercivité de 492,26 kA/m et une rémanence de 0,6 T. Pour la décrépitation à l'hydrogène, les meilleures. poudres recyclées ont initialement présenté une coercivité de 374 kA/m et une rémanence de 0,63 T. Après l’étude du frittage SPS, une densité relative de 98 % a pu être atteinte avec une coercivité et une rémanence légèrement améliorées ; 445,6 kA/m et 0,75 T, respectivement.
Abstract
Scientific community has been focusing on permanent magnets in the past few years for seeking alternate solutions from the so-called the rare-earth crisis. A large volume of Rare-earth Permanent magnets, after consumed, ends as Waste of Electrical and Electronic Equipment (WEEE), which can be treated as secondary resources of Rare-earth permanent magnet as there is high recycling potential for such scrap magnets. Recycling requires two steps: i) the pulverization of the magnets to obtain a powder and ii) sintering this powder to make new magnets. We have used powders produced by two different techniques: the solvo-themal process with ethanol and hydrogen decrepitation. For the solvo-thermal process optimum treatment parameters included 15 ml ethanol, 30 minutes of reaction time, and a temperature of 100°C. The resulting recycled powder exhibited coercivity of 636.6 kA/m and remanence of 0.76 T. Spark Plasma Sintering (SPS) of this recycled powder resulted in 96.2% relative density with a coercivity of 492.26 kA/m and remanence of 0.6 T. Secondly, hydrogen decrepitation (HD) was implemented to the scrap NdFeB magnets. The best recycled powders initially exhibited a coercivity of 374 kA/m and remanence of 0.63 T. After SPS study, 98% relative density could be achieved with slightly improved coercivity and remanence; 445.6 kA/m and 0.75 T, respectively.
Structure, écοlοgie et fοnctiοnnement trοphique des habitats grοssiers de la Μanche : Apprοche multi-échelle et influence anthrοpique
Doctorant·e
CHAUVEL Nathan
Direction de thèse
PEZY JEAN-PHILIPPE (Directeur·trice de thèse)
DEZILEAU Laurent (Co-directeur·trice de thèse)
WEILL Pierre (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
UMR 6143 Morphodynamique Continentale et Côtière
Rapporteurs de la thèse
AMEZIANE NADIA Museum Histoire Naturelle
OLIVIER FRÉDÉRIC Museum Histoire Naturelle
Membres du jurys
AMEZIANE NADIA,
,
Museum Histoire Naturelle
GRALL JACQUES,
,
OBSV INST UNIV EURO DE LA MER UNIVERSITE BREST
LAFITE ROBERT,
Professeur émérite,
URN - Université de Rouen Normandie
LE BOT SOPHIE,
Maître de conférences,
URN - Université de Rouen Normandie
OLIVIER FRÉDÉRIC,
,
Museum Histoire Naturelle
PEZY JEAN-PHILIPPE,
,
CNRS
THIEBAUT ERIC,
,
Sorbonne Université
WEILL Pierre,
Maître de conférences,
UCN - Université de Caen Normandie
Résumé
La Manche est une mer épicontinentale caractérisée par une histoire géologique singulière ainsi qu’un hydrodynamisme intense, avec 80 % de sa surface recouverte de sédiments grossiers. Les premières prospections benthiques, menées principalement dans les années 1960 et 1970, ont permis d’identifier qualitativement les communautés benthiques présentes et de constater que leur structuration est largement conditionnée par la nature des sédiments. Cependant, ce n'est qu'au début du XXIe siècle que des analyses quantitatives à plus ou moins grande échelle ont été réalisées, si bien que très peu d’études se sont intéressées de manière objective à la force de la relation entre benthos et sédiment. C’est dans ce contexte qu’intervient cette thèse, ayant pour objectif d’évaluer quantitativement la contribution des propriétés sédimentaires sur la structuration et le fonctionnement des communautés benthiques. Pour ce faire, des données d’abondance benthique collectées au cours des deux dernières décennies dans le bassin oriental de la Manche sont analysées à l’aide de différentes méthodes statistiques complémentaires, et ce pour différentes échelles spatiales. Les résultats indiquent une contribution relativement majeure des caractéristiques granulométriques quant à la distribution des communautés benthiques à l’échelle régionale, où environ 20% des variations des communautés peuvent être attribués à ce facteur seul. À une échelle plus locale, l’influence de dunes sous-marines a aussi pu être observée, entraînant l’existence d’une forte hétérogénéité de structure des communautés benthiques entre les creux et les flancs de dune. L’apport d’eau continentale, en particulier par des fleuves majeurs comme la Seine, exerce aussi une influence significative sur la structure et le fonctionnement des communautés benthiques de par les perturbations hydrologiques et sédimentaires que celui-ci génère. Enfin, les modifications sédimentaires induites par des activités anthropiques telles que l'extraction de granulats marins mettent en évidence l'importance cruciale des caractéristiques sédimentaires dans la structuration des communautés benthiques. Ces altérations soulignent non seulement le rôle déterminant des propriétés sédimentaires dans la répartition et le fonctionnement des écosystèmes benthiques, mais aussi la nécessité de prendre en compte ces paramètres essentiels lors de l'évaluation des impacts de telles activités.
Abstract
The English Channel is an epicontinental sea characterized by a unique geological history and intense hydrodynamics, with 80% of its surface covered by coarse sediments. Early benthic surveys, conducted primarily in the 1960s and 1970s, provided a qualitative identification of the benthic communities and demonstrated that their structuring is largely influenced by sediment characteristics. However, it was only in the early 21st century that large-scale quantitative surveys were conducted, meaning that few studies have objectively examined the strength of the relationship between benthos and sediment. This thesis aims to quantitatively assess the contribution of sediment properties to the structuring and functioning of benthic communities. To achieve this, benthic abundance data collected over the past two decades in the eastern basin of the English Channel were analyzed using various complementary statistical methods across different spatial scales. The results indicate a significant contribution of sediment grain size characteristics to the distribution of benthic communities at the regional scale, with approximately 20% of the observed community variation explained by this factor alone. At a more local scale, the influence of dunes was also observed, leading to strong structural heterogeneity between the troughs and slopes of the dunes. Additionally, continental freshwater inputs, particularly from major rivers such as the Seine River, exert a significant influence on the structure and functioning of benthic communities through the hydrological and sedimentary disturbances they generate. Finally, sediment modifications resulting from anthropogenic activities such as marine aggregate extraction highlight the critical importance of sediment properties in the structuring of benthic communities. These alterations not only underscore the decisive role of sediment characteristics in the distribution and functioning of benthic ecosystems, but also emphasize the need to consider these key parameters when assessing the impacts of such activities.
Adsοrptiοn de l'isοbutanοl dans les zeοlithes : appοrt des analyses multivariées
Doctorant·e
ABOULAYT Reda
Direction de thèse
TRAVERT Arnaud (Directeur·trice de thèse)
VIMONT Alexandre (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
17/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
_
Rapporteurs de la thèse
BADAWI MICHAEL Université de Lorraine
CRISTOL SYLVAIN Université de Lille
Membres du jurys
BADAWI MICHAEL,
,
Université de Lorraine
BOURRELLY SANDRINE,
Maître de conférences,
Aix-Marseille université
CHIZALLET CÉLINE,
,
IFP Energies Nouvelles
CRISTOL SYLVAIN,
,
Université de Lille
TRAVERT Arnaud,
,
UCN - Université de Caen Normandie
VIMONT Alexandre,
,
UCN - Université de Caen Normandie
Résumé
Les méthodes analytiques classiques pour la caractérisation des propriétés d’adsorption de catalyseurs ou d’adsorbants, telles que l'analyse gravimétrique ou la calorimétrie, donnent des valeurs d’enthalpies moyennées sur différents sites d'adsorption. Dans cette étude, la spectroscopie IR in situ combinée aux analyses multivariées a été utilisée pour identifier et caractériser quantitativement l'adsorption d'alcools sur des zéolithes. La méthode de résolution multivariée de courbes par moindres carrés alternés – (MCR-ALS), utilisée pour la première fois dans le domaine de l'adsorption, nous a permis de récupérer des profils de réponse purs : profils spectraux, permettant l'identification d'espèces distinctes, et isothermes d'adsorption correspondants, permettant d'évaluer les paramètres d’adsorption par ajustement de courbe d'une isotherme locale telle que l'isotherme de Langmuir ou l'implémentation de l'isotherme en tant que contrainte rigide.
L’adsorption d’isobutanol dans des zéolithes acides (MFI et FER), la silice et la silicalite a été étudiée par spectroscopie infrarouge couplée ou non à des mesures gravimétriques puis analysée par des méthodes d’analyses multivariées pour distinguer l’adsorption sur les différents sites de la zéolithe, et en obtenir les paramètres thermodynamiques.
Une première étude quantitative a permis de déterminer les coefficients d’absorption molaires de la pyridine, de l’isobutanol et des hydroxyles d’une zéolithe MFI afin de déterminer les quantités adsorbées sur cette zéolithe et de montrer l’apport des analyses multivariées dans ce domaine.
La méthodologie MCR-ALS est ensuite développée puis appliquée pour l‘adsorption d’isobutanol sur une zéolithe MFI calcinée dans le but de déterminer les enthalpies et entropies d’adsorption propre à chaque espèce adsorbée. Trois modes d’adsorption ont été distingués pour ce système : l’adsorption de l’isobutanol sur la surface externe (Silanols), sur les aluminiums extra réseau dénommés EF-AlOH, et sur les micropores (hydroxyles pontés) de la zéolithe.
L’étude a été étendue à la précédente MFI ayant été vapotraitée à température modérée (773 K) et deux ferrierites avec des tailles de cristaux différentes. En ce qui concerne la MFI vapotraitée, la méthodologie a permis de mettre en évidence la présence d’une quatrième espèce correspondant à un autre type de Silanols (dénommé Silanols fort dans cette étude), apparaissant avec le vapotraitement. Il a aussi été constaté que le vapotraitement a augmenté les valeurs des enthalpies de chaque site acide.
L’application de la méthodologie FTIR-MCRALS sur les systèmes iBuOH/FER montre que l’adsorption a essentiellement lieu sur la surface externe et a mis en évidence la contribution de deux types de silanols.
Abstract
Classical quantitative analytical methods for the characterization of adsorbents such as gravimetric analysis or calorimetry yield enthalpy values averaged over the various adsorption sites. In this study, in situ IR spectroscopy combined with multivariate analysis has been used to identify and quantitatively characterize alcohol adsorption on zeolites. The method of multivariate curve resolution by alternating least squares – (MCR-ALS), used for the first time in the field of adsorption, enabled us to recover pure response profiles: spectral profiles, allowing the identification of distinct species, and their corresponding adsorption isotherms, allowing the evaluation of adsorption parameters by curve fitting a local isotherm such as the Langmuir isotherm or implementing the isotherm as a hard constraint.
Isobutanol adsorption on acid zeolites (MFI and FER), silica and silicalite was studied by infrared spectroscopy, coupled or not to gravimetric measurements, then analyzed by multivariate analysis methods to distinguish adsorption on the different zeolite sites, and obtain their thermodynamic parameters.
We began with a quantitative study to determine the molar absorption coefficients of pyridine, isobutanol and hydroxyls on an MFI zeolite, in order to quantify the quantities adsorbed on this zeolite, and to demonstrate the usefulness of multivariate analysis in refining this type of study.
The MCR-ALS methodology was then developed and applied to the adsorption of isobutanol on a calcined MFI zeolite, with the aim of determining the adsorption enthalpies and entropies specific to each adsorbed species. Three adsorption modes were distinguished for this system: adsorption of isobutanol on the external surface (Silanols), on the extra-lattice aluminums known as EF-AlOH, and on the micropores (bridged hydroxyls) of the zeolite.
The study was extended to the previous MFI steam-treated at moderate temperature (773 K) and two ferrierites with different crystal sizes. For the steamed MFI, the methodology revealed the presence of a fourth species corresponding to a different type of Silanols (referred to as strong Silanols in this study), appearing with steaming. It was also found that steam treatment increased the enthalpy values the acid sites of the MFI.
The application of FTIR-MCRALS methodology to iBuOH/FER systems shows that adsorption takes place mainly on the external surface and has identified the contribution of two types of silanols.
Μétaréseaux pοur la réflexiοn et la transmissiοn anοrmales de frοnts d’οnde acοustique dans l’eau
Doctorant·e
KOURCHI Hasna
Direction de thèse
LEON FERNAND (Directeur·trice de thèse)
BERNARD SIMON (Co-encadrant·e de thèse)
CHATI FARID (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
17/12/2024 à 10:30
Lieu de la soutenance
Amphithéâtre LOMC
Rapporteurs de la thèse
DUBUS BERTRAND Universite de Lille
KLAUSON ALEKSANDER TALLINN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ESTONIA
Membres du jurys
BERNARD SIMON,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
BRUNET THOMAS,
,
Universite de Bordeaux
CHATI FARID,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
DUBUS BERTRAND,
,
Universite de Lille
KLAUSON ALEKSANDER,
,
TALLINN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ESTONIA
LEON FERNAND,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
MARCHIANO REGIS,
,
Sorbonne Universite
PENNEC YAN,
,
UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
Résumé
Un métaréseau est un assemblage périodique de diffuseurs conçu pour réfléchir ou réfracter une onde vers une direction anormale, non prévue par les lois de Snell-Descartes. Dans ce travail, nous avons conçu, fabriqué et caractérisé expérimentalement de tels métaréseaux pour le contrôle des ondes ultrasonores dans l’eau, en utilisant des tubes et des cylindres en laiton ainsi que des supports plastiques imprimés en 3D. Ces métaréseaux permettent de rediriger un front d'onde incident vers une direction arbitraire souhaitée, avec une efficacité élevée (proche de 100 %), aussi bien en réflexion sur une surface (comme l’interface eau/air) qu'en transmission. L’approche théorique repose sur les principes de la diffraction de Bragg et sur les interactions constructives et destructives des ondes. Les résultats de cette thèse démontrent l'efficacité des métaréseaux à induire des phénomènes acoustiques tels que la rétro-réflexion et la réponse asymétrique, grâce à l’utilisation de structures résonantes et non résonantes, validées par des simulations par éléments finis et des expérimentations. Cette recherche ouvre de nouvelles perspectives pour la manipulation des ondes acoustiques sous-marines, avec des applications potentielles dans les domaines de la détection, de l'absorption et de la réflexion des ondes en milieu marin.
Abstract
A metagrating is a periodic assembly of scatterers designed to reflect or refract a wave toward an anomalous direction, not predicted by Snell's law. In this work, we designed, fabricated, and experimentally characterized such metagratings for the control of ultrasonic waves in water, using brass tubes and cylinders as well as 3D-printed plastic supports. These metagratings enable the redirection of an incident wavefront to an arbitrarily desired direction with high efficiency (close to 100%), both in reflection on a surface (e.g., the water/air interface) and in transmission. The theoretical approach is based on the principles of Bragg diffraction and constructive and destructive wave interactions. The results of this thesis demonstrate the efficiency of metagratings in inducing acoustic phenomena such as retroreflection and asymmetric wave response, achieved through the use of resonant and non-resonant structures, validated by finite element simulations and experiments. This research opens new perspectives for the manipulation of underwater acoustic waves, with potential applications in the fields of wave detection, absorption, and reflection in marine environments.
Achieving Enantiοpurity Τhrοugh Directed Evοlutiοn and Crystallizatiοn under Νοn-Equilibrium Cοnditiοns
Doctorant·e
PINÈTRE Clément
Direction de thèse
DUPRAY VALÉRIE (Directeur·trice de thèse)
BRANDEL CLEMENT (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
16/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Amphi Perey - Batiment Blondel
Rapporteurs de la thèse
LEYSSENS TOM LOUVAINS
NOORDUIN WIM L Université d'Amsterdam
Membres du jurys
BAUDEQUIN FERRON CHRISTINE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
BRANDEL CLEMENT,
,
URN - Université de Rouen Normandie
DUPRAY VALÉRIE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
GOUTAUDIER CHRISTELLE,
,
Université Claude Bernard - Lyon 1
LEYSSENS TOM,
,
LOUVAINS
NOORDUIN WIM L,
,
Université d'Amsterdam
Résumé
La cristallisation est beaucoup utilisée pour isoler des molécules d’intérêt pharmaceutique sous formes énantiopures, ce qui nécessite que les énantiomère s’auto-discriminent à l’état solide. Malheureusement, ce comportement est imprévisible et rare (5-10%), car les deux énantiomères cristallisent majoritairement sous forme de composé racémique, empêchant toute résolution chirale par cristallisation. Réalisant que des conditions hors équilibres peuvent surmonter ces statistiques défavorables, nous avons exploré les comportements à l’état solide et les propriétés thermodynamiques de différentes séries de molécules analogues dérivées de trois composés model chiraux : le praziquantel, la proxyphylline, le paclobutrazol. Nos investigations ont conduit à trois approches clés pour améliorer les méthodes de résolution chirale par cristallisation : (i) une stratégie d’évolution dirigée basée sur les différences d’énergie entre les phases cristallines racémique et énantiopure, (ii) l’identification de caractéristiques moléculaires spécifiques favorisant la cristallisation de cristaux énantiopures et (iii) la conception d’une structure cristalline avec des capacités de discrimination chirale efficaces reposant sur une stratégie d’association hôte-invité. Ces avancées, reposant sur l’étude de dérivés chimiquement apparentés, ouvrent de nouvelles possibilités, précédemment inconsidérées, pour l’obtention d’énantiomères purs qui sont essentiels dans notre vie quotidienne.
Abstract
Crystallization is widely used for isolating biorelevant enantiopure molecules, which requires enantiomers to self-sort into separate enantiopure crystals. Unfortunately, this behaviour is unpredictable and rare (5-10%), as both enantiomers predominantly crystallize together into racemic crystals, hindering any such chiral sorting. Recognizing that non-equilibrium conditions may overcome these unfavourable statistics, we explored the solid-state landscapes and thermodynamic properties of different series of numerous analogous molecules derived from three distinct chiral cores: Praziquantel, Proxyphylline and Paclobutrazol. Our investigations led to three key approaches for enhancing crystallization-based chiral resolution methods: (i) A directed evolution strategy based on the energy differences between racemic and enantiopure crystal phases, (ii) the identification of specific molecular features favouring the crystallization of enantiopure crystals and (iii) engineering a crystal structure with efficient chiral discrimination capabilities that relies on a host-guest association strategy. These insights relying on the study of chemically related derivatives open new, previously unconsidered possibilities for isolating pure enantiomers that are essential in our daily lives.
Synthesis οf selective small pοre nanοzeοlites fοr CΟ2 adsοrptiοn
Doctorant·e
MAGISSON Aymeric
Direction de thèse
MINTOVA SVETLANA (Directeur·trice de thèse)
DIB Eddy (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
16/12/2024 à 10:30
Lieu de la soutenance
Université de Caen (LCS, ENSICAEN), Bâtiment A, Amphithéâtre 1
Rapporteurs de la thèse
ARLETTI ROSSELLA UNIVERSITE DE MODENE ET DE REGGIO EMILIE
OKUBO TATSUYA The Tokyo University
Membres du jurys
ARLETTI ROSSELLA,
,
UNIVERSITE DE MODENE ET DE REGGIO EMILIE
DATURI Marco,
,
UCN - Université de Caen Normandie
DE WAELE VINCENT,
,
UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
DIB Eddy,
,
Université d'Orléans
MINTOVA SVETLANA,
Directeur de recherche,
CNRS
OKUBO TATSUYA,
,
The Tokyo University
Résumé
L'objectif principal de cette thèse de doctorat est le développement de zéolithes à petits pores
de taille nanométriques, ciblant une sélectivité d'adsorption élevée pour le CO2. Les deux
premiers chapitres présentent l'état de l'art actuel sur diverses caractéristiques et propriétés des
zéolithes, leurs voies de synthèse et applications. Les procédures de synthèse réalisées dans ce
travail de thèse et les techniques de caractérisation utilisées sont également présentées. Le
troisième chapitre décrit le comportement d'adsorption du CO2 à faible pression partielle dans
le réseau poreux de la chabazite nanométrique (CHA) synthétisée en présence de cations
calcium et baryum utilisés comme agents structurants. Le quatrième chapitre détaille la
cristallisation des phases pures et échantillons imbriqués de chabazite (CHA)/phillipsite (PHI).
Les performances des zéolithes obtenues sont évaluées en adsorption de dioxyde de carbone et
d'azote. Enfin, le cinquième chapitre présente le développement d'une procédure de synthèse
autonome pour des zéolithes nanométriques, et détaille les étapes suivies afin d’optimiser ses
conditions opératoires. Cette synthèse réalisée par un robot se situe à l'interface entre la synthèse
à grande échelle et l'expérimentation par criblage, offrant les moyens de reproduire facilement
des synthèses exigeantes.
Abstract
The main objective of this PhD thesis is the development of small-pore nanosized zeolites
targeting a high adsorption selectivity towards CO2. The first two chapters present the current
state of the art on various features and properties of zeolites, their synthesis routes, and
applications. The syntheses procedures carried out in this work and the characterisation
techniques used are presented. The third chapter describes the low partial pressure adsorption
behaviour of CO2 in the porous network of nanometric Chabazite (CHA) synthesised in the
presence of calcium and barium cations used as structure-directing agents. The fourth chapter
details the crystallisation of pure phases and intergrown chabazite (CHA)/Phillipsite (PHI)
zeolite samples. The performance of the obtained zeolites is evaluated in adsorption of carbon
dioxide and nitrogen. Finally, the fifth chapter presents the development of an autonomous
synthesis procedure for nanosized zeolites and details the steps involved in optimising its
operating conditions. This synthesis carried out by robot stands at the interface between largescale
synthesis and screening experimentation, providing the means to easily reproduce
challenging syntheses.
Etude expérimentale de l'injectiοn de fluides à haute pressiοn (supercritique) pοur une applicatiοn de type mοteurs-fusées
Doctorant·e
CHAZELLE TEODOR
Direction de thèse
RIBERT GUILLAUME (Directeur·trice de thèse)
BLAISOT JEAN-BERNARD (Co-directeur·trice de thèse)
BARVIAU BENOIT (Co-encadrant·e de thèse)
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
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.
Ρrise de Décisiοn dans les Systèmes à Evénements Discrets en Envirοnnement Cοntraint et Ιncertain
Doctorant·e
HAYANE Oussama
Direction de thèse
LEFEBVRE DIMITRI (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
13/12/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance
Amphi Prony / 53 rue de Prony 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse
AMARI SAID Université Paris-Saclay
PENCOLE YANNICK CNRS
Membres du jurys
AMARI SAID,
,
Université Paris-Saclay
BOSCHE JEROME,
,
UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
LEFEBVRE DIMITRI,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
PENCOLE YANNICK,
,
CNRS
TELMOUDI ACHRAF JABEUR,
,
UNIVERSITE DE TUNIS (TUNISIE)
ZAMAI ERIC,
,
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
Résumé
Cette thèse porte sur l’optimisation des systèmes soumis à des contraintes temporelles et à des incertitudes susceptibles de perturber l’exécution des opérations et d’affecter leur performance. Les travaux présentés se concentrent sur les systèmes à événements discrets et s’appuient notamment sur la théorie des graphes pour résoudre des problèmes d’ordonnancement et de routage. Plus spécifiquement, la thèse s’intéresse à la modélisation des risques et des incertitudes avec les réseaux de Petri temporisés sur les transitions (T-TPN), et utilise les modèles obtenus pour améliorer l’efficacité des systèmes dans différents contextes. Les contributions reposent principalement sur un graphe d’état étendu au temps (TERG) qui représente l’exécution des T-TPN sous une politique de tir au plus tôt. La première contribution vise la détermination d’un ordonnancement robuste en se basant sur un scénario qui associe aux transitions des T-TPN la durée moyenne du retard d’exécution dû aux perturbations. Ce scénario est déterminé en évaluant le retard dû aux interruptions des opérations et à l’indisponibilité des ressources. La deuxième contribution concerne les systèmes ayant des incertitudes sur les durées opératoires et introduit une classe de réseaux de Petri temporels - les réseaux de Petri incertains - et deux critères - Min Coût Etendu et Min Max Regret - pour robustifier l’ordonnancement. La troisième contribution développe une méthode réactive permettant de mettre à jour, en ligne, l’ordonnancement après chaque défaut en se basant sur un TERG reconfigurable déduit des T-TPN partiellement commandables. La quatrième contribution aborde les questions de complexité numérique avec une technique de réduction d’ordre partiel dédiée à la recherche du plus court chemin entre deux sommets du TERG. Une application est finalement proposée pour améliorer la performance des opérations de distribution des systèmes logistiques combinant des circuits longs et courts.
Abstract
This thesis focuses on the optimization of systems subject to time constraints and uncertainties that may disrupt the execution of operations and affect their performance. The presented work focuses on discrete event systems and notably relies on graph theory to solve scheduling and routing problems. More specifically, the thesis focuses on the modeling of risks and uncertainties using T-timed Petri nets (T-TPN) and utilizes the obtained models to improve system efficiency in various contexts. The contributions are mainly based on a timed extended reachability graph (TERG) that represents the execution of T-TPN under an earliest firing policy. The first contribution aims to determine a robust schedule based on a scenario that associates with the T-TPN transitions the average duration of execution delays due to perturbations. This scenario is determined by evaluating delays caused by the interruptions of operations and resource unavailability. The second contribution concerns systems with uncertainties in operation durations and introduces a class of temporal Petri nets - uncertain Petri nets - and two criteria - Min Cost Range and Min Max Regret - to strengthen the scheduling. The third contribution develops a reactive method for updating, online, the schedule after each fault, based on a reconfigurable TERG derived from partially controllable T-TPN. The fourth contribution addresses issues of numerical complexity with a partial order reduction technique dedicated to finding the shortest path between two vertices of the TERG. An application is finally proposed to improve the performance of distribution operations in logistics systems combining long and short circuits.
Ιmplantatiοn in-situ et caractérisatiοn de l'hydrοgène en sοnde atοmique dans les matériaux métaliques
Doctorant·e
MAILLET Jean-Baptiste
Direction de thèse
VURPILLOT FRANCOIS (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
13/12/2024 à 10:30
Lieu de la soutenance
UFR ST - Bâtiment U1 - Salle 2.26 Avenue de l'université 76801, Saint-Étienne-du-Rouvray cedex
Rapporteurs de la thèse
NASTAR MAYLISE Comue Universites Paris-Saclay
VISART DE BOCARME THIERRY Universite Libre de Bruxelles
Membres du jurys
HACHET GUILLAUME,
,
NASTAR MAYLISE,
,
Comue Universites Paris-Saclay
VELLA ANGELA,
,
URN - Université de Rouen Normandie
VISART DE BOCARME THIERRY,
,
Universite Libre de Bruxelles
VURPILLOT FRANCOIS,
,
URN - Université de Rouen Normandie
Résumé
L'investigation de l'hydrogène en sonde atomique tomographie (SAT) constitue un défi en raison de sa faible masse, de son coefficient de diffusion élevé et de sa présence en tant que gaz résiduel dans les chambres ultravide, et entraîne de multiples complications. Différentes solutions ont été proposées dans la littérature, telles que le chargement ex-situ associé à un cryotransfert ou le chargement en hydrogène à haute température dans une chambre adjacente. Cependant, ces solutions ont souvent rencontré des difficultés en raison du contrôle complexe de la température de l'échantillon pendant le chargement en hydrogène et du transfert de l’échantillon pour l'analyse. Ce manuscrit propose une approche alternative pour le chargement en hydrogène in-situ dans une chambre de SAT, dérivée d'une méthode développée en microscopie ionique par effet de champ. En appliquant des impulsions négatives de quelques nanosecondes sur l'échantillon dans une chambre de SAT sous basse pression d'H₂, nous montrons qu'une forte dose d'hydrogène peut être implantée à une profondeur allant de 2 à 20 nm sous la surface de l'échantillon. Une chambre de SAT a été modifiée pour permettre l'application directe d'impulsions négatives avec un contrôle de la pression du gaz, de la fréquence de répétition des impulsions et de l'amplitude des impulsions. Grâce à des simulations électrodynamiques, nous montrons que l'énergie d'implantation se situe dans une plage de 100 à 1 000 eV, et une profondeur et une densité théorique d'implantation sont prédites et comparées aux expériences. Dans un second temps, les travaux se sont portés sur l’investigation des conséquences de ces nouveaux chargements. Nous montrons principalement deux effets : le premier est le gonflement d’environ 10 à 15 % des échantillons grâce à l’étude MET, et le second, est un effet de « fragilisation » avec un abaissement de l’énergie de cohésion de 0,6 % à 20 % entre les atomes du matériau cible suivant le modèle théorique utilisé.
Abstract
The investigation of hydrogen in atom probe tomography (APT) presents a challenge due to its low mass, high diffusion coefficient, and presence as a residual gas in ultra-high vacuum chambers, leading to multiple complications. Various solutions have been proposed in the literature, such as ex-situ loading coupled with cryotransfer or high-temperature hydrogen loading in an adjacent chamber. However, these solutions often face difficulties due to the complex control of the specimen temperature during hydrogen loading and the transfer of the specimen for analysis. This manuscript proposes an alternative approach for in-situ hydrogen loading in an APT chamber, derived from a method developed in field ion microscopy. By applying negative nanosecond pulses to the specimen in an APT chamber under low H₂ pressure, we demonstrate that a high dose of hydrogen can be implanted at depths ranging from 2 to 20 nm beneath the specimen surface. An APT chamber was modified to enable the direct application of negative pulses with controlled gas pressure, pulse repetition rate, and pulse amplitude. Through electrodynamic simulations, we show that the implantation energy falls within the range of 100 to 1,000 eV, and a theoretical implantation depth and density are predicted and compared to experiments. Subsequently, the work focused on investigating the consequences of these new loadings. We primarily show two effects: the first is swelling of about 10 to 15 % of the specimens observed through TEM studies, and the second is an "embrittlement" effect, with a reduction in the cohesive energy of 0.6 % to 20 % between the atoms of the target material depending on the theoretical model used.
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
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
PINON GRÉGORY,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
RIVOALEN ELIE,
,
INSA 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.
Characterizatiοns by Atοmic Fοrce Μicrοscοpy (AFΜ) οf electrical and mechanical prοperties οf SiC pοwer devices at the nanοscale : 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 Sorbonne Université
Membres du jurys
COQ Rosine,
,
UCN - Université de Caen Normandie
FERRO GABRIEL,
,
Université Claude Bernard - Lyon 1
LÜDERS ULRIKE,
,
ENSICAEN
PLUCHERY OLIVIER,
,
Sorbonne Université
PRELLIER Wilfrid,
,
ENSICAEN
VILLENEUVE-FAURE CHRISTINA,
,
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.
Simulatiοn des écοulements diphasiques en présence d'effets thermiques
Doctorant·e
VALDEZ ARNAUT HECTOR GABRIEL
Direction de thèse
COUSIN JEAN (Directeur·trice de thèse)
BRANDLE DE MOTTA JORGE CESAR (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
10/12/2024 à 09:30
Lieu de la soutenance
CORIA
Rapporteurs de la thèse
DUCHEMIN LAURENT ESPCI Paris
VINCENT STEPHANE Université Paris-Est Marne-La-Vallée
Membres du jurys
BRANDLE DE MOTTA JORGE CESAR,
,
URN - Université de Rouen Normandie
COUSIN JEAN,
,
INSA Rouen Normandie
DUCHEMIN LAURENT,
,
ESPCI Paris
MUTABAZI INNOCENT,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
NORE CAROLINE,
,
Université Paris-Saclay
VINCENT STEPHANE,
,
Université Paris-Est Marne-La-Vallée
Résumé
Le développement d'approches numériques précises est nécessaire pour étudier les effets de gradients de tension de surface induites par des variations de température. Des études antérieures ont utilisé diverses méthodes, notamment les méthodes Smoothed Particle Hydrodynamics, Volume-of-fluid, levelset ou de front tracking. Ces approches se sont avérées adopt\'ees pour ce type d'écoulement. La présente étude propose une implémentation sur ARCHER, le code interne de résolution des équations de Navier-Stokes, qui est basé sur la méthode couplant levelset et Volume-of-fluid. L'effet des variations de la tension superficielle en réponse aux gradients de température est incorporé. En outre, l'approximation de Boussinesq est introduite pour tenir compte de l'effet de flottabilité.
Deux cas canoniques ont été examinés pour valider cette nouvelle application. Le premier cas d'étude considère une interface plane entre deux fluides avec un gradient de température aligné avec l'interface. Il en résulte la génération d'un écoulement qui peut être décrit analytiquement pour une gamme de scenarii, puis reproduit à l'aide de la simulation numérique. Le deuxième cas porte sur une bulle sphérique ou circulaire soumise à un gradient de température. Il en résulte une migration de la phase dispersée. Une fois de plus, la solution analytique est utilisée pour traiter ce cas.
Enfin, l'impact des gradients de température est étudié, car ce phénomène est instable selon deux limites : l'une induite par la flottabilité et l'autre par la contrainte de Marangoni. L'observation des cellules d'instabilité et la déformation de l'interface ont également été notées.
Abstract
The development of accurate numerical approaches is required to study flows driven by surface tension gradients induced by temperature variations. Previous studies have employed various methods, including Smoothed Particle Hydrodynamics, Volume-of-fluid, levelset, and front tracking. These approaches have been demonstrated to be adopted for this kind of flow. The present study proposes an implementation on ARCHER, the in-house code solver for Navier-Stokes equations, based on the coupled levelset and Volume-of-fluid method. The impact of fluctuations in surface tension in response to temperature gradients is incorporated. Furthermore, the Boussinesq approximation is introduced to account for the buoyancy effect.
Two canonical cases were subject to examination to validate this novel implementation. The first case study considers a flat interface between two fluids with a temperature gradient aligned with the interface. This results in generating a flow that can be analytically described for a range of scenarii, which was then reproduced through numerical simulation. The second case considers a spherical or circular bubble subjected to a temperature gradient. This results in the migration of the dispersed phase. Once more, the analytical solution is employed to address this case.
Finally, the impact of temperature gradients is studied by considering the Rayleigh-Bénard-Marangoni instability at two limits: when driven by buoyancy and when driven by Marangoni stress. The observation of instability cells and the deformation of the interface were also noted.
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,
UCN - Université de Caen Normandie
KASSAS Ahmad,
,
Internationnal university of Beirut
LEBEAU BÉNÉDICTE,
Directeur de recherche,
Université de Haute-Alsace
LERICHE ANNE,
,
Université polytechnique Hauts de France
MOUYANE Mohamed,
,
UCN - Université de Caen Normandie
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,
,
URN - Université de Rouen Normandie
COLIN ELISE,
,
DEFARGES-BERTHELEMOT AGNES,
,
Université de Limoges
LEBRUN DENIS,
,
URN - Université de Rouen Normandie
LEMAITRE PASCAL,
,
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.
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.
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 SIDI-MOHAMMED Université de Bordeaux
MEBARKI AHMED Université Gustave Eiffel
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.
Ιmpact d'événements extrêmes sur les structures de prοtectiοn côtière
Doctorant·e
BEN BELKACEM Yasmine
Direction de thèse
PINON GRÉGORY (Directeur·trice de thèse)
PERRET GAELE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
09/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
Amphithéatre du LOMC, UMR 6294 CNRS et Université Le Havre Normandie 53, Rue Prony, BP540 - F76058 Le Havre - France 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse
BENOIT MICHEL EDF R&D CHATOU
KORTENHAUS ANDREAS GHENT UNIVERSITY DE PINTELAAN (BEL)
Membres du jurys
ABADIE STEPHANE,
,
Université de Pau et des Pays de l'Adour
BENOIT MICHEL,
,
EDF R&D CHATOU
KORTENHAUS ANDREAS,
,
GHENT UNIVERSITY DE PINTELAAN (BEL)
LEBUNETEL JULIE,
,
ENTREPRISE - INGEROP
PERRET GAELE,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
PINON GRÉGORY,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
REVEILLON JULIEN,
,
URN - Université de Rouen Normandie
Résumé
Ce travail de recherche a pour objectif d'étudier l'impact de la houle sur les structures de protection côtières. L'objectif principal de cette étude est d'évaluer la capacité des outils CFD à modéliser et prédire avec précision l'impact des charges extrêmes des vagues sur des digues conventionnelles en enrochement avec murs de couronnement.
Pour mener cette étude, le logiciel numérique OpenFOAM est utilisé pour aborder deux questions scientifiques clés : les charges impulsives des vagues agissant sur des parapets incurvés (partie supérieure du mur de couronnement) et le développement de la houle à travers le revêtement (le milieu poreux à la base de la digue).
Dans un premier temps, une houle de Stokes non-linéaire est modélisée pour évaluer les performances du solveur numérique afin de reproduire le déferlement des vagues sur un mur vertical avec un parapet incurvé, et pour évaluer les pressions d'impact associées. Les résultats calculés sont comparés aux données expérimentales provenant des essais réalisés à Hanovre (Allemagne), fournies dans le cadre du benchmark ISOPE 2022.
Ensuite, la physique de l'interaction des vagues avec des digues complètement immergées est étudiée expérimentalement. Sur cette base, le présent travail examine également la capacité du solveur à simuler l'interaction fluide-structure.
Enfin, le présent travail discute des avantages et des limites de ces méthodes numériques utilisées en génie côtier. Les différentes conclusions de cette étude visent à répondre à la demande de INGEROP Conseil et Ingénierie concernant l'adéquation de la CFD pour leurs applications industrielles.
Abstract
The present work aims to investigate the water waves impact on coastal protection structures.
The primary focus of this research is to assess the ability of CFD tools to accurately model and predict the impact of extreme wave loads on conventional rubble mound breakwaters with crown walls, a structure commonly designed to mitigate wave-induced forces and fight the threats associated with sealevel rise.
To carry out with this investigation, the numerical toolbox OpenFOAM is employed and the problematic is approached from two key perspectives : the impulsive wave loads acting on recurved parapets (the upper portion of breakwaters) and the wave transformation through the revetment (the porous media at the base).
Initially, non-linear Stokes waves are used to evaluate the performance of the numerical solver to reproduce realistic wave breaking on a vertical wall attached with a recurved parapet, and to assess the related impact pressure records. The computed results are validated against experimental data from the large wave flume (GWK) in Hannover (Germany), provided as part of the ISOPE 2022 benchmark.
Next, the physics of waves interaction with submerged crested breakwaters is investigated experimentally.
In fact, the present work also investigates the capability of the solver to simulate the most relevant hydrodynamics that occurs between waves and submerged breakwaters.
Finally, this work discusses the advantages and the
limitations of these numerical methods used in coastal engineering. The different findingss of this study serve to adress INGEROP's inquiry regarding the suitability of CFD for their industrial applications.
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,
,
UCN - Université de Caen Normandie
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.
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,
,
URN - Université de Rouen Normandie
DUMOUCHEL CHRISTOPHE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
FDIDA Nicolas,
,
Office National d'Etudes&recherches Aéro
HALTER FABIEN,
,
Université d'Orléans
MACHICOANE NATHANAEL,
,
Universite Grenoble Alpes
MENARD THIBAUT,
,
URN - Université de Rouen Normandie
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.
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 ENSAM 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 Rouen Normandie
PAGNACCO Emmanuel,
,
INSA Rouen Normandie
PALIN-LUC THIERRY,
,
ENSAM 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,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
HAAR STEFAN,
,
Université Paris-Saclay
LECLERCQ EDOUARD,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
LEFEBVRE DIMITRI,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
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 Université Paris-Saclay
TOUNZI ABDELMOUNAÏM Universite de Lille
Membres du jurys
AMARA YACINE,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
BARAKAT GEORGES,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
DHIFLI MOUHEB,
,
GARRETT FRANCE
GHANDOUR MAZEN,
,
UNIVERSITE LIBANAISE
HENNER MANUEL,
,
VALEO THERMAL SYSTEMS
KREBS GUILLAUME,
,
Université 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.
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,
UCN - Université de Caen Normandie
EVEN JULIA,
,
GRONINGEN - UNIVERSITY OF GRONINGEN
GULMINELLI Francesca,
,
UCN - Université de Caen Normandie
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,
,
UCN - Université de Caen Normandie
THUREAU SEBASTIEN,
,
URN - Université de Rouen Normandie
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.
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,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
FERRANDIS JEAN-YVES,
,
UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
FORTINEAU JEROME,
,
INSA Centre Val de Loire
LEDUC DAMIEN,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
MARECHAL PIERRE,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
MOULIN EMMANUEL,
,
UNIVERSITE POLYTECHNIQUE HAUTS DE FRANCE
THEVENET DAVID,
,
Universite Bret. Occidentale Ubo
VIVET Alexandre,
,
UCN - Université de Caen Normandie
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.
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,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
NORE CAROLINE,
,
UNIVERSITE PARIS 11 PARIS-SUD
RENOULT MARIE-CHARLOTTE,
,
INSA 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 Rouen Normandie
GASPARD SARRA,
,
Université des antilles, Pointe-à-Pitre, Guadaloupe
JAUREGUI HAZA ULISES,
,
INTEC, République Dominicaine
POLAERT ISABELLE,
,
INSA 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.
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,
UCN - Université de Caen Normandie
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.
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,
,
UCN - Université de Caen Normandie
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.
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,
,
UCN - Université de Caen Normandie
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,
,
UCN - Université de Caen Normandie
DOUADY Julie,
Maître de conférences,
UCN - Université de Caen Normandie
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 Université Paris-Saclay
ROUEFF EVELYNE OBSERVATOIRE DE PARIS
Membres du jurys
AYOUZ MEHDI ADRIEN,
,
CentraleSupélec
BULTEL ARNAUD,
,
URN - Université de Rouen Normandie
DULIEU OLIVIER,
,
Université Paris-Saclay
GRISOLIA CHRISTIAN,
,
CEA CADARACHE
LEPERS MAXENCE,
,
UNIVERSITE DE BOURGOGNE
ROUEFF EVELYNE,
,
OBSERVATOIRE DE PARIS
SCHNEIDER IOAN,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
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
CAN FABIEN,
,
Université Poitiers
DATURI Marco,
,
UCN - Université de Caen Normandie
FERRI DAVIDE,
,
Institut Paul Scherrer PSI
FINOCCHIO ELISABETTA,
,
Université de GENES
LAKISS LOUWANDA,
,
CNRS
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 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,
,
UCN - Université de Caen Normandie
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,
,
UCN - Université de Caen Normandie
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,
,
URN - Université de Rouen Normandie
LEGENDRE DOMINIQUE,
,
Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
PICART PASCAL,
,
UNIVERSITE LE MANS
PLANCHETTE CAROLE,
,
Université de Graz (Autriche)
RENOULT MARIE-CHARLOTTE,
,
INSA 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,
,
Université Paris-Saclay
LEMOULT GREGOIRE,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
MUTABAZI INNOCENT,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
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,
UCN - Université de Caen Normandie
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,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
MERKOUZI ROCHDI,
,
Universite de Lille
SANTANAMAIA DEISE,
,
Universite de Lille
SEBBATA WAFAE,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
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,
,
UCN - Université de Caen Normandie
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,
,
Université Paris-Saclay
DELBREILH LAURENT,
,
URN - Université de Rouen Normandie
NAPOLITANO SIMONE,
,
Universite Libre de Bruxelles
SAITER-FOURCIN ALLISSON,
,
URN - Université de Rouen Normandie
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,
,
UCN - Université de Caen Normandie
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 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.
Epuratiοn 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,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
GAUTHIER ARNAUD,
,
Universite de Lille
GROMAIRE MARIE-CHRISTINE,
,
ENPC PARIS
MIGNOT MELANIE,
,
INSA Rouen Normandie
NET DAVID BUYTAERT SOPHEAK,
,
Universite de Lille
PANTET ANNE,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
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,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
LATRY OLIVIER,
,
URN - Université de Rouen Normandie
LEDUC DAMIEN,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
LETHIECQ MARC,
,
INSA Centre Val de Loire
MARECHAL PIERRE,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
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
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 Université Savoie Mont-Blanc
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
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,
UCN - Université de Caen Normandie
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)
Date de la soutenance
07/10/2024 à 09:00
Lieu de la soutenance
A - R1 - 02, Darwin - INSA Rouen, France
Rapporteurs de la thèse
MURZIN DMITRY Abo Akademi, Turku, Finland
PRIVAT ROMAIN Université de Lorraine
Membres du jurys
BORDES CLAIRE,
,
Université C. Bernard Lyon 1
HELD CHRISTOPH,
,
TU Dortmund, Allemagne
LEGROS JULIEN,
,
URN - Université de Rouen Normandie
LEVENEUR SEBASTIEN,
,
INSA Rouen Normandie
LIKOZAR BLAZ,
,
National Institute of Chemistry, Ljubljana Slovenia
MURZIN DMITRY,
,
Abo Akademi, Turku, Finland
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,
,
URN - Université de Rouen Normandie
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,
,
URN - Université de Rouen Normandie
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,
,
URN - Université de Rouen Normandie
BLAISOT JEAN-BERNARD,
,
URN - Université de Rouen Normandie
DEMOULIN FRANÇOIS-XAVIER,
,
URN - Université de Rouen Normandie
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)
Date de la soutenance
01/10/2024 à 09:30
Lieu de la soutenance
CNRS UMR 6614 - CORIA
Rapporteurs de la thèse
BRENN GUNTER Université Technique de Graz (AUT)
RISSO FRÉDERIC Université de Toulouse 3 - Paul Sabatier
Membres du jurys
BRANDLE DE MOTTA JORGE CESAR,
,
URN - Université de Rouen Normandie
BRENN GUNTER,
,
Université Technique de Graz (AUT)
DUMOUCHEL CHRISTOPHE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
HAKANSSON ANDREAS,
,
Université de Lund (SUEDE)
PERRARD STEPHANE,
,
Sorbonne Université
RENOULT MARIE-CHARLOTTE,
,
INSA 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,
,
URN - Université de Rouen Normandie
LE BRETON JEAN-MARIE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
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 MOUMEN AHMED,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
HADDAR MOHAMED,
,
ECOLE NATIONALE INGENIEURS DE SFAX
KANIT TOUFIK,
,
Universite de Lille
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
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,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
HELLOU MUSTAPHA,
,
INST NAT SC APPLIQ RENNES
JIA YUN,
,
Universite de Lille
OUAHBI TARIQ,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
SAIYOURI NADIA,
,
UNIVERSITE DE BORDEAUX
WANG HUAQING,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
Résumé
Pour faire face aux problèmes émergents de pollution et de dégradation de la qualité des eaux, il est nécessaire de maîtriser le fonctionnement hydrogéologique des roches réceptrices de polluants. Cela implique de définir la vulnérabilité des aquifères et d'optimiser la modélisation des phénomènes de rétention et des mécanismes de transport des particules dans les roches. Dans les aquifères karstiques, les fractures servent de voies préférentielles pour les particules, permettant ainsi leur transport rapide. Le transport des particules et de la matière dissoute dans les fractures est régi par l'advection et la dispersion qui sont influencées par plusieurs facteurs. L'objectif de cette étude est de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes de transport des particules solides et des matières dissoutes dans les fractures et des différents facteurs qui influencent ces mécanismes. A cette fin, un programme expérimental a été développé pour comprendre l'influence de la vitesse d'écoulement, de l'ouverture de la fracture, de l'orientation de la fracture et de la force ionique sur le transport des particules de kaolinite et du traceur dissous (fluorescéine) dans des échantillons de craie fracturée. Un modèle numérique a été développé sur la base de l'équation d'advection-dispersion, afin de déterminer les paramètres de transport et de comprendre en profondeur les interactions entre les particules et la surface de la fracture dans différentes conditions.
Les résultats de cette étude ont révélé que l'effet hydrodynamique est significatif quelle que soit l'orientation de la fracture, la récupération des particules augmentant avec la vitesse d'écoulement. Les particules de kaolinite sont transportées plus rapidement que la fluorescéine en raison de l'effet d'exclusion de taille et du coefficient de dispersion plus élevé de la fluorescéine. Le coefficient d’attachement augmente avec la vitesse d'écoulement pour toutes les orientations de fracture et est indépendant de l'ouverture de la fracture. Inversement, le coefficient de détachement, qui est négligeable pour les petites vitesses d'écoulement, est plus important dans les petites ouvertures en raison d'une contrainte de cisaillement plus élevée. Les résultats ont montré, aussi, que l'orientation des fractures affecte de manière significative le transport des particules de kaolinite mais a un impact négligeable sur la fluorescéine. L'augmentation de l'orientation verticale des fractures améliore la récupération et la dispersion des particules, tandis que le coefficient d'attachement diminue. Enfin, les résultats de l'effet de la force ionique indiquent qu'une force ionique plus élevée augmente la rétention des particules et diminue le taux de récupération. Le coefficient d'attachement présente une augmentation linéaire et le coefficient de détachement suit une évolution exponentielle avec l'augmentation de la force ionique.
Les résultats de l'étude soulignent l'importance de prendre en compte des vitesses d'écoulement élevées dans l'étude des effets hydrodynamiques, de l'ouverture de la fracture et de l'effet de la force ionique pour comprendre les mécanismes de transport des particules de taille micrométrique dans les fractures de la craie. Elle contribue également à faire progresser la compréhension de l'effet de l'orientation des fractures sur le transport des particules. Cette compréhension est essentielle pour évaluer les risques pour les ressources en eaux souterraines et pour faire progresser les mesures de protection de l'environnement.
Abstract
In order to face the emerging problems of pollution and deterioration in water quality, it is necessary to master the hydrogeological functioning of pollutant-receiving rocks. This involves, defining the vulnerability of aquifers and optimising the modelling of the retention phenomena and transport mechanism of particles in rocks. In karstic aquifers, fractures serve as preferential pathways for particles, thus allowing their rapid transport. The transport of particles and dissolved matter in fractures is governed by advection and dispersion which are influenced by several factors. The objective of this study is to contribute to a better understanding of the mechanisms of transport of solid particles and dissolved matter in fractures and the different factors influencing these mechanisms. For this purpose, an experimental program was developed to understand the influence of flow velocity, fracture aperture, fracture orientation and ionic strength on the transport of kaolinite particles and fluorescein dissolved tracer in fractured chalk samples. In addition, a numerical model was developed based on the Advection-Dispersion equation, to determine the transport parameters and deeply understand the particle-fracture surface interactions under different conditions.
The results of this study revealed that the hydrodynamic effect is significant regardless of fracture orientation, with particle recovery increasing as flow velocity increases. Kaolinite particles travel faster than fluorescein due to the size exclusion effect and the higher dispersion coefficient of fluorescein. The attachment coefficient increases with flow velocity for all fracture orientations and is independent of fracture aperture. Conversely, the detachment coefficient, which is negligible for small flow velocities, is greater in smaller apertures due to higher shear stress. The findings showed that fracture orientation significantly affects the transport of kaolinite particles but has a negligible impact on fluorescein as a dissolved tracer. Increasing the fracture orientation vertically enhances particle recovery and dispersion, while the attachment coefficient decreases. The effect of ionic strength indicate that higher ionic strength increases particle retention and decreases the recovery rate. With the attachment coefficient exhibiting a linear increase and the detachment coefficient follows an exponential trend with increasing ionic strength.
The study findings highlight the importance of considering high flow velocities in studying the hydrodynamic effect, fracture aperture, and IS effect in understanding micron-sized particle transport mechanisms in chalk fractures. It also contributes to the advancement of understanding the effect of fracture orientation on the transport of particles by using experimental methods. These understandings are essential for assessing risks to groundwater resources and advancing environmental protection measures.
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 Rouen Normandie
FAVRE ERIC,
,
Université de Lorraine
LESAUZE NATHALIE,
,
Université Paul Sabatier, Toulouse
POLAERT ISABELLE,
,
INSA 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.
